Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Presentación La Gerencia de Perforación División Sur, como parte correspondiente a la formación

de carrera académica de nuestro personal operativo y considerando el acuerdo de

participar en los diferentes temas con las Divisiones Norte y Marina, y de acuerdo a

los lineamientos establecidos por la Unidad de Perforación y Mantenimiento de

Pozos a través de la Gerencia de Ingeniería, fueron desarrollados nueve manuales

de Mantenimiento a Equipos, para la formación de carrera de personal de las

especialidades de Soldadura, Electricidad y Mecánica.

Estos manuales fueron elaborados a solicitud de Subgerencia de Ingeniería y

desarrollados por el Instituto Mexicano del Petróleo con la supervisión técnica del

especialista de cada área de la Subgerencia de Servicios a Pozos, considerándolos

el principio del plan de carrera para cada una de las áreas de mantenimiento a

equipos y serán la base de los cursos de capacitación para los mismos.

Agradezco la participación de todo el personal que estuvo involucrado directa e

indirectamente en la realización de los mismos, ya que es un logro para la

capacitación operativa de nuestro personal.

Atte:

Joaquín G. Obregón de la Cruz

Gerente

I

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

“Mejor que las piedras preciosas y el oro acuñado es el conocimiento”

Proverbio Bíblico.

II

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

ÍNDICE MANUAL VI

NIVEL II.- ENCARGADO DE MANTENIMIENTO ELÉCTRICO

PÁG.

INTRODUCCION VI

OBJETIVO GENERAL VII 1. ELECTRICIDAD BÁSICA II 1 1.1.- Efectos de las descargas eléctricas 1

1.2.- Fundamentos de Electricidad 5

1.3.- Electrostática 8

1.4.- Magnetismo 12

1.5.- Energía, Trabajo y Potencial. 23

1.6.- Velocidad, Aceleración y Torsión. 23

1.7.- Cargas Eléctricas 28

1.8.- Producción de Voltaje 31

1.9.- Corriente eléctrica 38

1.10.- Resistencia Eléctrica 42

1.11.- Conductancia 45

1.12.- Resistores 46

1.13.- Corriente directa 49

1.14.- Circuitos de corriente directa en serie 59

1.15.- Definiciones y Características de los circuitos 72

1.16.- Circuitos de corriente directa en paralelo 77

1.17.- Megohmetros(Megger) 159

1.18.- Multimetros 161

1.19.- Frecuencímetros 167

1.20.- Osciloscopio 169

1.21.- Dispositivos de protección de circuitos 172

1.22.- Interruptores de circuito 177

1.23.- Dispositivos de control 181

III

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

1.24.- Conductores Eléctricos 189

1.25.- Alternadores 200

1.26.- Alambrado y Distribución Eléctrica 207

1.27.- Componentes de Distribución 208

1.28.- Motores trifásicos de corriente alterna 211

1.29.- Motores monofásicos 232

1.30.- Generadores de corriente directa 250

1.31.- Motores en corriente directa 255

1.32.- Circuitos Eléctricos 273

1.33.- Electrónica Básica 279

1.34.- Componentes eléctricos de equipos de perforación 322

1.35.- Conceptos del Mantenimiento Eléctrico 347

2. MANTENIMIENTO III 348 2.1.- Llenado de formatos de mantenimiento eléctrico 348

2.2.- Orden de trabajo de mantenimiento 348

2.3.- Aplicación de una orden de trabajo de mantenimiento 351

3. METROLOGIA DIMENSIONAL 352 3.1.- Breve historia de la metrología 352

3.2.- Equivalencias en el sistema inglés 353

3.3.- Equivalencia en el sistema Internacional (SIM) 358

3.4.- Conversión entre los sistemas de medición 366

3.5.- Principios básicos del calor 370

3.6.- Escalas de temperaturas y conversiones 372

3.7.- Errores de Medición, Origen y Corrección 373

3.8.- Manejo del calibrador de hojas 381

3.9.- Uso del flexómetro 382

3.10.- Calibración, uso y lectura del vernier en sus diferentes tipos 384

IV

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

4. COMPONENTES DE CONTROL 386 4.1.- Componentes de Control 386

4.2.- Controladores Lógicos Programables (PLC) 388

5. FRENO AUXILIAR 403

5.1.- Principales características 403

5.2.- Tipos de freno 404

5.3.- Principios de operación 405

5.4.- Recomendaciones de Mantenimiento 408

APÉNDICE A INDICE DE FIGURAS Y TAB LAS 410

BIBLIOGRAFIA 420

V

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

INTRODUCCION

La Unidad de Perforación y Mantenimiento de Pozos dentro del Sistema de

Desarrollo Profesional, está implantando procesos sistemáticos dinámicos y

permanentes, para lograr el desarrollo integral del Factor Humano; esto implica la

optimización, selección, preparación y edición del material didáctico para apoyar los

programas de cursos que emanen del sistema citado.

El manual para “Encargados de Mantenimiento Eléctrico,” esta dirigido al

personal que labora en el área de mantenimiento de los equipos de Perforación y

Mantenimiento de Pozos en las rama eléctrica..

El Personal de las rama Eléctrica forma parte del departamento de Servicios

Auxiliares “SERAUX” de la Unidad de Perforación y Mantenimiento de Pozos. La

función de mantenimiento en los equipos de perforación es de gran importancia, ya

que de su aplicación eficiente depende la operación segura y oportuna de las

unidades componentes de los equipos.

Como parte integral de los servicios de mantenimiento se cuenta con talleres de

mantenimiento a Instrumentos, Válvulas, Árboles, Herramientas Especiales,

Inspección Tubular y Laboratorio de Electrónica para desarrollar y complementar las

actividades de mantenimiento a las unidades componentes de los equipos de

perforación y mantenimiento de pozos.

Este manual se encuentra estructurado didácticamente de tal manera que se

encuentran en él los conocimientos básicos de Electricidad, Seguridad y

mantenimiento, que deben tener los Encargados de Mantenimiento Eléctrico para

desempeñar con éxito la categoría que ostentan.

VI

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

OBJETIVO

Actualizar, nivelar y ampliar de manera teórica y práctica los conocimientos técnicos

y humanos del personal que labora en las categoría de “Encargado de Mantenimiento Eléctrico”.

Quienes podrán de inmediato, o a corto plazo aplicar los conocimientos adquiridos

con la finalidad de optimizar tiempos, minimizar los riesgos de trabajo en las

operaciones de perforación y mantenimiento a pozos terrestres, lacustres y marinos.

Enfrentando con éxito los retos que ofrece la perforación en el siglo XXI.

VII

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación 1.- ELECTRICIDAD BASICA II 1.1.- Efectos de las descargas electricas

La intensidad de corriente es el factor mortal de una corriente eléctrica.

El voltaje es importante solamente en la medida en que su valor determina que tanta

corriente circulará a través de la resistencia del cuerpo.

La corriente necesaria para encender un foco de 10 watts es de ocho a diez veces

mayor que la necesaria para matar una persona si vence la resistencia de la piel y el

cuerpo y fluye a ese valor.

Una tensión de 110 Volts es suficiente para hacer circular una corriente muchas

veces mayor que la necesaria para causar la muerte.

Intensidades de corriente de 100 a 200 miliamperes causan una condición fatal del

corazón llamada fibrilación ventricular, para la cual no hay remedio conocido.

En la Tabla 1.1.1, se dan valores típicos de resistencia del cuerpo humano:

TIPO DE RESISTENCIA VALOR DE LA RESISTENCIA Piel seca 100,000 a 600,000 OHMS

Piel Húmeda 1,000 OHMS

Mano a pié 400 a 600 OHMS

Oreja a oreja Alrededor de 100 OHMS

Tabla 1.1.1 Resistencias típicas del cuerpo humano

Con 120 Vollts aplicados a una resistencia total (interna y de la piel) de 1,200 Ohms,

circularán 100 miliamperes de corriente (Figura 1.1.1). Si el contacto con la piel es

mantenido mientras la corriente fluye, la resistencia de la piel decrece gradualmente.

En la Tabla 1.1.2, se da un breve resumen del efecto de diferentes valores de

corriente.

1

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Valores de Corriente a través del cuerpo

Efecto

1 miliamper ó menos No causa sensación

1 a 8 miliamperes

Sensación de choque, no causa daño, el

individuo puede moverse, no hay pérdida

de control muscular. ( 5 miliamperes es

aceptado como mínima intensidad no

dañina).

8 a 15 miliamperes

Choque doloroso, el individuo puede

moverse, no hay pérdida de control

muscular.

15 a 20 miliamperes

Choque doloroso. Pérdida de control

muscular de músculos adyacentes, el

individuo no puede moverse.

20 a 50 miliamperes Doloroso, contracciones musculares

severas, la respiración se dificulta.

100 a 200 miliamperes

Fibrilación Ventricular (una condición de

corazón que provoca la muerte, no hay

remedio conocido).

200 miliamperes ó más

Quemaduras severas. Contracciones

musculares tan severas que los músculos

del pecho comprimen el corazón y lo

paralizan durante el choque (esto

previene la fibrilación ventricular)

Tabla 1.1.2 Efecto de la corriente de 60 Hertz en el humano promedio

.

2

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Fig. 1.1.1 Corrientes producidas por descargas

3

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Sistemas de tierras

Debido a que siempre existe el riesgo de que ocurra una falla en el aislamiento de los

componentes de una máquina eléctrica , lo cual tiene como consecuencia que en la

carcaza metálica de la máquina esté presente un potencial eléctrico y éste a su vez

pone en riesgo al personal de sufrir lesiones y al resto del equipo de sufrir daños, es

necesario establecer un sistema que conecte a tierra la estructura metálica de la

máquina eléctrica, para ofrecerle a la corriente eléctrica una trayectoria de menor

resistencia y así evitar que pase a través del cuerpo de una persona o siga una

trayectoria indeseable en otro componente del equipo.

La manera más común de establecer esta conexión a tierra es mediante varillas ó

electrodos incrustados en el terreno y conectados por medio de un conductor a la

estructura metálica que soporta la máquina eléctrica.

Para mejorar la eficiencia del sistema, todas las estructuras metálicas se

interconectan entre sí, formando un circuito de baja resistencia.

Este sistema de tierras, a la vez constituye un sistema adicional de protección para

desviar las corrientes producidas por descargas atmosféricas (Rayos), protegiendo al

personal y componentes del equipo.

4

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación 1.2.- Fundamentos de electricidad

Materia

La Materia es todo aquello que ocupa un lugar en el espacio. Ejemplos de materia

son: el aire, agua, automóviles, ropa y aún nuestros propios cuerpos. La materia

puede encontrarse en uno de tres estados: sólido, líquido o gaseoso.

Elementos y compuestos

Un Elemento es una sustancia que no puede ser reducida a una sustancia más

simple por medios químicos. Está compuesto por un solo tipo de átomos. Algunos

ejemplos son: el hierro, oro, plata y oxigeno. Actualmente se conocen más de 100

elementos. Todas las sustancias están compuestas de uno o más de estos

elementos.

Cuando dos o más elementos están combinados en forma química, la sustancia

resultante es un Compuesto. Un compuesto es una combinación química de

elementos que pueden ser separados por medios químicos pero no por medios

físicos. Ejemplos de compuestos comunes son: el agua (hidrógeno y oxígeno); la sal

(cloro y sodio).

Atomos y moléculas

Un átomo es la partícula más pequeña de un elemento que conserva las

características del elemento. El átomo de un elemento es diferente al átomo de otro

elemento. Una partícula que es la combinación de dos o más átomos es una

Molécula. En un compuesto, la molécula es la partícula más pequeña que conserva

las características del compuesto.

El átomo está constituido por electrones, protones y neutrones. El electrón es la

carga eléctrica negativa más pequeña. El protón tiene carga positiva igual y opuesta

5

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación al electrón, la masa del protón es 1,837 veces la del electrón. El neutrón tiene

aproximadamente la misma masa del protón pero no tiene carga.

De acuerdo a la teoría más popular, los electrones, protones y neutrones de los

átomos están colocados como un sistema solar en miniatura, los protones y

neutrones forman el núcleo pesado alrededor de los cuales orbitan los electrones.

La Figura 1.2.1, es la representación teórica de un átomo de hidrógeno y un átomo

de helio. Cada uno tiene una estructura relativamente simple. El átomo de hidrógeno

tiene solamente un protón en el núcleo con un electrón rotando alrededor de él. El

átomo de helio tiene un núcleo hecho de dos protones y dos neutrones, con dos

electrones girando alrededor del núcleo. Los elementos se clasifican numéricamente

de acuerdo a la complejidad de sus átomos. El número de protones en el núcleo de

un átomo determina su número atómico.

Individualmente un átomo tiene el mismo número de protones que de electrones. Un

átomo de hidrógeno, el cual contiene un protón y un electrón tiene un número

atómico de 1. El helio con dos protones y dos electrones, tiene un número atómico

de 2. La complejidad de la estructura atómica del átomo se incrementa con el

número de protones y electrones.

Fig. 1.2.1 Atomos elementales

6

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Niveles de energia

Los electrones orbitan alrededor del núcleo en capas diferentes, los electrones más

cercanos al núcleo están sometidos a una fuerza de atracción mayor que los que

orbitan en capas más alejadas. La Figura 1.2.2, muestra la configuración de

electrones del cobre. El átomo de cobre contiene 29 electrones, los cuales llenan

completamente las tres primeras capas, dejando un solo electrón en la capa más

alejada.

Fig. 1.2.2 Niveles de energía

Valencia

El número de electrones de la capa más exterior determina la valencia de un átomo.

La capa exterior de un átomo es llamada capa de valencia. La valencia de un átomo

determina su habilidad para ganar o perder electrones. Un átomo con una cantidad

relativamente pequeña de electrones en su capa exterior fácilmente liberará sus

electrones de valencia.

7

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Conductores, semiconductores y aisladores

Dependiendo de su habilidad para transferir electrones los elementos se clasifican en

tres categorías: conductores, semiconductores y aisladores. Los conductores son

elementos que transfieren sus electrones rápidamente, los aisladores presentan alta

resistencia a la transferencia de electrones. Todos los materiales que se encuentran

entre estos dos extremos son conocidos como semiconductores.

Algunos metales son mejores conductores de la electricidad que otros. La plata, el

cobre, el oro y el aluminio intercambian electrones de valencia rápidamente, lo que

los hace buenos conductores. La plata es el mejor conductor, seguido por el cobre ,

el oro y el aluminio. El cobre se usa más que la plata debido al costo. El aluminio se

usa donde se requiere considerar el peso, como en líneas de transmisión de alta

tensión. El oro es usado donde se requiere buena conductividad y resistencia a la

corrosión.

Los malos conductores fallan para intercambiar electrones de valencia. Estos

materiales son llamados Aisladores. Algunos ejemplos son: hule, plástico, vidrio,

madera seca y mica.

Es importante hacer notar que así como no existe el conductor perfecto, no existe el

aislador perfecto.

Algunos materiales no son ni buenos conductores ni buenos aisladores, como sus

características caen entre estas dos estos materiales se llaman semiconductores. El

germanio y el Silicio son dos semiconductores comunes usados en dispositivos de

estado sólido.

1.3.- Electrostática

La electrostática es la electricidad en reposo. Un ejemplo de un efecto electrostático

es la forma en que el cabello de una persona se eriza después de un vigoroso

cepillado. El estudio de la electrostática proporciona un importante respaldo para

desarrollar conceptos esenciales para entender la electricidad y la electrónica.

8

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Cuando una barra de ámbar se frota con una piel, la barra atrae objetos tales como

pequeños pedazos de papel. Este fenómeno se llamó electrización, derivado del

nombre del ámbar en griego: “electrón”.

En un estado natural o neutral, cada átomo en una porción de materia tiene el

número apropiado de electrones en órbita. Así, todos los átomos de la materia de

ese cuerpo son eléctricamente neutros. En este estado su carga neta es cero. Si se

remueven algunos electrones de un cuerpo, habrá en él más protones que electrones

y se hará eléctricamente positivo. Si el cuerpo cargado positivamente se pone en

contacto con otro cuerpo en estado neutro o cargado negativamente (con más

electrones), habrá un movimiento de electrones entre ellos. Los electrones

abandonarán el cuerpo más negativo y entrarán en el cuerpo más positivo. Este

movimiento de electrones continuará hasta que ambos cuerpos tengan igual carga.

Cuando dos cuerpos con cargas desiguales están cerca uno del otro, se ejerce una

fuerza eléctrica entre ellos. Si los cuerpos no se ponen en contacto sus cargas no

pueden igualarse. Esta fuerza eléctrica cuando los electrones no pueden moverse se

denomina “electricidad estática”

Una de las formas más fáciles de crear una carga estática es por fricción. Cuando

dos piezas de materia se frotan, los electrones pueden pasar de un material a otro. Si

ambos materiales son buenos conductores, es más difícil obtener una carga estable

en alguno, debido a que pueden circular corrientes entre los materiales, estas

corrientes igualan la carga en los materiales. Es más fácil crear una carga estática

entre materiales no conductores. Cuando se frota una barra de hule endurecido con

un pedazo de piel, la barra acumulará electrones cedidos por la piel. Cuando la carga

es lo suficientemente grande, los electrones fluirán, independientemente de la mala

conductividad de los materiales. Este flujo producirá chispas visibles y un ruido

crepitante. (Figura 1.3.1 )

9

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Fig. 1.3.1 Electrización por frotación

Naturaleza de las cargas

Cuando un átomo está en estado natural ó neutral, tiene el mismo número de

electrones que de protones, debido a este balance, la carga neta de los electrones

en órbita es balanceado por la carga neta positiva de los protones en el núcleo,

haciendo el átomo eléctricamente neutro.

Un átomo se convierte en ión positivo cuando pierde un electrón y su carga es

positiva. Inversamente, si un átomo adquiere un electrón extra, se convierte en ión

negativo y su carga es negativa.

Debido a que los iones son realmente átomos sin su cantidad normal de electrones,

la falta ó exceso de electrones en una sustancia determina su carga. En la mayoría

de los sólidos, la transferencia de cargas es más por el movimiento de electrones

que de iones. La transferencia de cargas por iones es más significativa cuando se

considera la actividad eléctrica en líquidos ó gases.

10

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Cuerpos cargados

Una ley fundamental de la electricidad es

Fig. 1.3.2 Efectos de las cargas

que cargas iguales se repelen y cargas

distintas se atraen. Si se suspenden dos

esferas sólidas de papel (Figura 1.3.2), si se

frota una barra de hule con un pedazo de piel

para obtener una carga negativa y se toca

con la barra la esfera de la derecha, ésta

adquirirá una carga negativa, lo que la hace

negativa con respecto a la esfera izquierda,al

liberarlas, se atraerán una a la otra (Vista A),

hasta ponerse en contacto, pasando

electrones de la esfera derecha a la esfera

izquierda, haciendo las dos esferas negativas

por lo que se separarán (Vista B).

Ley de Coulomb de las cargas

Un científico Francés llamado Charles Coulomb fue el primero en descubrir la

relación que existe en la atracción ó repulsión de los cuerpos cargados. La Ley de

Coulomb establece que: “Los cuerpos cargados se atraen o se repelen con una

fuerza que es directamente proporcional al producto de sus cargas individuales e

inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa”. La fuerza de

atracción ó repulsión entre dos cuerpos cargados en el espacio libre depende de dos

cosas: sus cargas y la distancia entre ellos.

11

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Campos eléctricos

El espacio entre y alrededor de cuerpos cargados, dentro del cual ejercen su

influencia, se denomina campo eléctrico. Este puede existir en aire, vidrio, papel y

aún en el vacío. El campo eléctrico se extiende rodeando su punto de origen.

Generalmente su intensidad disminuye en proporción al cuadrado de la distancia al

punto de origen.

El campo eléctrico alrededor de los cuerpos normalmente se representa por líneas

de fuerza electrostáticas. Estas líneas imaginarias representan la dirección e

intensidad del campo. La Figura 1.3.3 , muestra éstas líneas para representar el

campo alrededor de cuerpos cargados.

Fig. 1.3.3 Campo Electrostático

1.4.- Magnetismo

Para entender los principios de la electricidad, es necesario estudiar el magnetismo y

los efectos del magnetismo en el equipo eléctrico. El magnetismo y la electricidad

están tan relacionados entre sí que el estudio de un tema está incompleto sin el

estudio del otro.

12

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Una gran cantidad de equipo eléctrico y electrónico moderno no podría funcionar sin

el magnetismo. Las computadoras modernas; las grabadoras de cinta, y los equipos

de reproducción de video utilizan cintas magnetizadas. Las bocinas de los equipos

de audio utilizan magnetos para convertir la salida de los amplificadores en sonido.

Los motores eléctricos usan magnetos para convertir energía eléctrica en

movimiento. Los generadores usan magnetos para convertir el movimiento en

energía eléctrica.

Materiales Magnéticos

El magnetismo generalmente se define como la propiedad de algunos materiales de

atraer piezas de materiales ferrosos. Un material que posee esta propiedad se

conoce como un Imán. La palabra magnetismo se originó en la antigua Grecia. Los

griegos encontraron piedras con las propiedades mencionadas en la isla de

Magnesia, lo cual dio origen a la palabra, ya que llamaron a estas piedras

Magnetitas.

Los materiales que son atraídos por los imanes, como el hierro, acero, nickel y

cobalto, pueden también magnetizarse. Estos materiales se denominan “materiales

magnéticos”. Materiales tales como el papel, madera, vidrio ó estaño los cuales no

son atraídos por los imanes, son “materiales no magnéticos”. Los materiales no

magnéticos no pueden magnetizarse.

Los más importantes materiales relacionados con la electricidad y la electrónica son

los materiales ferromagnéticos. Estos materiales son relativamente fáciles de

magnetizar. Entre ellos están incluidos el hierro, acero, cobalto y las aleaciones

Alnico y Permalloy (una aleación se hace combinando dos o más elementos, uno de

los cuales debe ser un metal). Estas nuevas aleaciones pueden magnetizarse

fuertemente. Con ellas se pueden obtener fuerzas magnéticas tan grandes como

para levantar 500 veces su propio peso.

13

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Imanes Naturales

Los materiales magnéticos tales como los encontrados por los antiguos griegos son

imanes naturales. Las propiedades atribuidas a éstos materiales son producto de la

naturaleza.

Se dice que los Chinos descubrieron algunos efectos del magnetismo unos 2,600

años Antes de Cristo. Descubrieron que si se suspendía una pieza de magnetita y se

le permitía girar libremente, tenía la tendencia a tomar una dirección

aproximadamente norte-sur, por lo cual las llamaron “piedras guía”.

Imanes Artificiales

Los imanes producidos a partir de materiales magnéticos se llaman Imanes

Artificiales. Pueden se construidos en una variedad grande de tamaños y formas y se

usan extensamente en los aparatos eléctricos.

Los imanes artificiales son hechos generalmente de aleaciones especiales de hierro

o acero, el cual generalmente se magnetiza eléctricamente. El material que e va a

magnetizar se coloca en medio de una bobina de alambre aislado por el cual circula

una corriente eléctrica. Las fuerzas del campo magnético se representan por líneas

de fuerza, similares a las de un campo eléctrico.

Los imanes artificiales se clasifican en temporales o permanentes, dependiendo de

su habilidad para retener sus propiedades magnéticas después que la fuerza

magnetizadora se ha removido.

Los imanes hechos de sustancias tales como el acero endurecido y ciertas

aleaciones los cuales retienen una gran cantidad de su magnetismo, son llamados

imanes permanentes. Esos materiales son relativamente difíciles de magnetizar

debido a la oposición que presentan al paso y distribución de las líneas de fuerza a

través de ellos. Esta oposición se denomina Reluctancia. Todos los imanes

permanentes se producen a partir de materiales que tienen alta reluctancia.

14

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Un material con baja reluctancia, tal como el hierro dulce o el hierro al silicio es

relativamente fácil de magnetizar. Sin embargo sólo retiene una pequeña parte del

magnetismo cuando la fuerza magnetizante se remueve. Los materiales que pierden

fácilmente la mayor parte de su magnetismo son llamados imanes temporales. Al

magnetismo que permanece en un imán temporal se le conoce como Magnetismo

remanente.

La habilidad de un material de retener una cantidad de magnetismo remanente se

denomina retentividad del material. Los imanes se describen también considerando

la permeabilidad de los materiales de que están hechos o la facilidad con que

permiten el paso de las líneas de fuerza a través de ellos. Los materiales de baja

permeabilidad se usan para construir imanes permanentes, los materiales de alta

permeabilidad se usan para construir imanes temporales.

Polos Magnéticos

La fuerza magnética que rodea un imán no es uniforme. Hay una gran concentración

de la fuerza en cada extremo del imán y una fuerza muy débil en el centro. Para

comprobar este hecho, si se

introduce un imán en limadura de

hierro (Figura 1.4.1 ), muchas

limaduras se acumularán en los

extremos del imán, mientras que

habrá muy pocas en el centro. Los

dos extremos, en donde se

concentran las líneas de fuerza se

llaman polos del imán. Los imanes

tienen dos polos, y ambos tienes la

misma fuerza magnética. Fig. 1.4.1 Fuerza en los polos

15

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Fig. 1.4.2 Orientación de un imán

Ley de los Polos Magnéticos

Si se suspende una barra de imán por medio de un hilo, que permita que gire

libremente (Figura 1.4.2), la barra se alineará en una posición norte-sur, con el

mismo extremo del imán apuntando siempre al Norte por lo que ese extremo es el

que apunta al Polo Norte o simplemente Norte. El otro extremo del imán es el que

apunta al Polo Sur o simplemente Sur.

Un uso práctico de la característica direccional del imán es la brújula. La brújula tiene

una aguja magnetizada que gira libremente, uno de cuyos extremos apunta siempre

al Polo Norte.

La ley de la electricidad relacionada con la atracción y repulsión de los cuerpos

cargados puede ser aplicada al magnetismo, si los polos son considerados como

cargas. Así, el polo norte de un imán será atraído por el polo sur de otro imán y

repelerá otro polo norte. La ley del magnetismo dice que: “Polos del mismo nombre

se repelen y polos de nombre distinto se atraen entre sí”.

16

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Polos Magnéticos de la Tierra

El hecho de que la aguja de una

brújula se oriente en una dirección

particular, independientemente de

su ubicación sobre la tierra, indica

que la tierra es un enorme imán.

La distribución de fuerza

magnética alrededor de la tierra es

la misma que sería producida por

una gigantesca barra de imán

erra

del polo norte de la brújula de apuntar en esa

flicto en la terminología se remonta a los primeros que utilizaron

eoría del Magnetismo

eoría de Weber.- Es una teoría muy popular que considera el alineamiento

moléculas se magnetizen y tomen una misma dirección.

colocado en el centro de la ti

(Figura 1.4.3). El eje magnético de

la tierra está desplazado

aproximadamente 15 grados

respecto al eje geográfico. La habilidad

dirección es por la existencia del polo magnético de la tierra, el cual es realmente un

polo sur magnético.

La razón de este con

Fig. 1.4.3 Polos de la Tierra

la brújula, quienes llamaron norte de la aguja al extremo que apunta hacia el norte ya

que desconocían la ley de atracción de los polos.

T

T

molecular de los materiales; asume que todas las sustancias magnéticas están

compuestas de pequeños imanes moleculares. En estado normal una barra de

material no magnetizado tiene sus moléculas orientadas en diferentes posiciones

(Figura 1.4.4), al frotarla varias veces con un imán, la fuerza del polo hace que las

17

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Ca

n imán y donde las fuerzas actúan es el Campo Magnético.

as líneas de fuerza magnética tienen la

mpos Magnéticos

El espacio que rodea u

L

forma de una fuerza direccional, que puede

observarse efectuando un experimento con

limadura de hierro. Si se coloca un vidrio

sobre un imán y se esparce sobre el imán

limadura de hierro, la fuerza magnética se

ejerce sobre las partículas y las convierte en

imanes temporales; si se golpea levemente

el vidrio, las partículas se orientan de

manera similar a la aguja de la brújula en el

campo magnético del imán, formando una

Fig. 1.4.4 Orientación de las moléculas

Fig. 1.4.5 Campo magnético

18

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación figura definida, la que es una representación visible del campo magnético. (Figura

1.4.5). La disposición de la limadura de hierro indica que el campo es muy fuerte en

los polos y se debilita cuando la distancia a los polos se incrementa. También

muestra que el campo magnético se extiende de un polo a otro formando un lazo

alrededor del imán.

Líneas de Fuerza

ara describir mejor los fenómenos magnéticos, se usan líneas para representar las

ticos se acercan uno

la de un solo imán. Estas líneas de

as líneas de fuerza son imaginarias, algunos fenómenos magnéticos pueden

P

fuerzas que rodean un imán (Figura 1.4.6).

Estas líneas de fuerza magnética son líneas

imaginarias que se usan para describir la

forma del campo magnético. Se asume que

estas líneas salen del polo norte del imán,

pasan por el espacio exterior que rodea el

imán, entran por el polo sur y viajan por el

interior del imán del polo sur al polo norte,

hasta completar el ciclo.

Cuando dos polos magné

a otro, la atracción o repulsión mutua de los

polos produce una figura más complicada que

fuerza pueden ser establecidas colocando una brújula en varios puntos dentro del

campo magnético ó utilizando limadura de hierro como en el ejemplo anterior. La

Figura 1.4.7, muestra un diagrama de polos magnéticos colocados muy cerca uno

de otro.

Aunque l

Fig. 1.4.6 Líneas de Fuerza

explicarse de manera más sencilla si se asume que tienen ciertas propiedades

reales. Las líneas de fuerza pueden compararse con las ligas de hule, que se estiran

cuando se someten a una fuerza y se contraen cuando la fuerza desaparece.

19

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Fig. 1.4.7 Atracción y repulsión magnética

Las características de las líneas de fuerza magnéticas son las siguientes:

dos.

misma dirección se

magnéticas pasan a través de todos los materiales,

cas siempre entran o salen de los materiales

fectos Magnéticos

La cantidad total de líneas de fuerza saliendo ó entrando en los polos de un imán se

nético por unidad de área se llama Densidad de Flujo.

nada

directamente con la fuerza magnética ejercida por el campo.

Las líneas de fuerza magnética son continuas y forman lazos cerra

Las líneas de fuerza magnéticas nunca se entrecruzan.

Las líneas de fuerza magnéticas paralelas viajando en la

repelen una a otra. Las líneas de fuerza magnéticas paralelas viajando en

direcciones opuestas se extienden para unirse unas con otras, formando

líneas sencillas en una dirección determinada por los polos que las crearon.

Las líneas de fuerza magnéticas tienden a ser lo más cortas posible, de ahí

que las líneas existentes entre polos diferentes hagan que los polos se

atraigan uno a otro.

Las líneas de fuerza

magnéticos y no magnéticos.

Las líneas de fuerza magnéti

magnéticos en ángulo recto a la superficie.

E

llama Flujo Magnético.

La cantidad de flujo mag

Intensidad de Campo.- La intensidad del campo magnético está relacio

20

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Atracción/Repulsión. La intensidad de atracción o repulsión entre polos magnéticos

puede ser descrita por una ley similar a la Ley de Coulomb para cuerpos cargados.

ue son atraídas por un imán pueden ser magnetizadas. El

echo de que un material sea atraído por un imán indica que el material es en sí

an a un imán. Si un

imán se incrementa. Cada uno de los

yo magnetismo desaparece al quitar la

olaridad opuesta a la del polo adyacente de la fuerza

“Los polos magnéticos se atraen o se repelen con una fuerza que es directamente

proporcional al producto de sus fuerzas e inversamente proporcional al cuadrado de

la distancia que los separa”.

Inducción Magnética

Todas las sustancias q

h

mismo un imán al momento de la atracción.

El conocimiento acerca de los campos magnéticos y las líneas de fuerza simplifican

el entender cómo se magnetizan los materiales cuando se acerc

clavo de hierro se acerca a un imán de

barra (Figura 1.4.8), parte del flujo de

líneas que salen del polo norte pasan a

través del clavo, completando su

trayectoria magnética. Debido a que las

líneas de fuerza viajan por el interior del

imán del polo sur al polo norte, el clavo se

magnetizará de tal manera que su polo sur

queda adyacente al polo norte del imán. Si

se pone otro clavo en contacto con el

primero también se magnetiza por

inducción. Este proceso puede ser repetido

hasta que la fuerza del campo magnético

se debilite conforme la distancia desde la barra

clavos se convirtió en un imán temporal, cu

fuerza magnetizante.

La inducción magnética siempre produce una polaridad en los polos del material que

está siendo magnetizado de p

Fig. 1.4.8 Magnetización por inducción

21

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación magnetizadora. El magnetismo puede ser inducido en materiales magnéticos de

varias maneras. El material magnético puede ser colocado en el campo magnético;

puesto en contacto con el imán, o frotado con el imán. Estos últimos procedimientos

son en realidad contactos, pero en los estudios magnéticos se consideran inducción.

Blindaje Magnético

No se conoce ningún aislante del flujo magnético. Si un material no magnético es

colocado en un campo magnético, no hay cambio apreciable en el flujo. Esto es que

Los campos magnéticos dispersos en el medio ambiente, pueden ejercer influencia

e ración ó en sus

el flujo penetra los materiales no magnéticos. Por ejemplo, una placa de vidrio

colocada entre los polos de un imán de herradura no tendrá ningún efecto sobre el

campo magnético, aunque el vidrio es un buen aislador en un circuito eléctrico. Si un

material magnético tal como el hierro dulce es colocado en un campo magnético, el

flujo puede ser re-direccionado, aprovechando la ventaja de la gran permeabilidad

del material magnético (Figura 1.4.9). La permeabilidad es la cualidad de una

sustancia que determina la facilidad con la que puede ser magnetizada.

Fig. 1.4.9 Deformación del campo Fig. 1.4.10 Blindaje Magnético

n equipo eléctrico y de medición, causando errores en su ope

22

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación lecturas. Los mecanismos no pueden ser aislados contra flujos magnéticos. Sin

embargo, el flujo puede ser dirigido alrededor del instrumento colocando una caja de

hierro dulce llamada pantalla magnética ó blindaje magnético, sobre el instrumento.

Debido a que el flujo se establece más rápidamente a través del hierro (aunque la

trayectoria es más larga), que a través del aire dentro de la caja, el instrumento está

efectivamente blindado. La Figura 1.4.10, muestra un blindaje de hierro alrededor de

un reloj.

Formas de los Imanes

ltiples usos, los imanes se construyen en muchas formas y

maños. Sin embargo todos caen dentro de una de tres clasificaciones: imanes de

án de anillo temporal es el blindaje de instrumentos

iene una fuerza de campo mayor debido a que los polos están más

Trabajo y Potencial

Trabajo se define como el producto de la fuerza

or el desplazamiento. Así, la fuerza aplicada para mover un objeto y la distancia que

Dependiendo de sus mú

ta

barra, de anillo ó de herradura.

Los imanes de barra se usan a menudo en las escuelas y laboratorios para estudiar

los efectos del magnetismo.

Los imanes de anillo se usan en los núcleos de memoria de las computadoras. Una

aplicación común de un im

eléctricos.

El imán de herradura es el más usado en equipo eléctrico y electrónico. El imán de

herradura t

cercanos uno del otro. Los instrumentos de medición generalmente utilizan imanes

de herradura.

1.5.- Energia, En el campo de la Ciencia Física, el

p

el objeto se mueve, son los factores del trabajo efectuado. No se efectúa un trabajo a

menos que la fuerza aplicada cause un cambio en la posición de un objeto en reposo

ó cambie la velocidad de un objeto en movimiento. Por ejemplo si se ejerce una

23

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación fuerza sobre un poste, no se efectúa ningún trabajo a menos que el poste cambie de

posición.

En el estudio de la energía y el trabajo, la Energía se define como la capacidad de

a de la energía es la contenida en un objeto en movimiento. Cuando un

suspende un metro arriba de un clavo sostenido por un hilo, la

ncial.

resorte cuando es

.6.- Torsión, Velocidad, Aceleración y Potencia

orsión.

a torsión se define como:

efectuar un trabajo. En la ejecución de un trabajo se “consume” energía (convertida

de una forma a otra). La energía suministra la fuerza siempre que se efectúa un

trabajo.

Una form

martillo se pone en movimiento en dirección a un clavo, el martillo tiene energía en

movimiento. Cuando el martillo golpea el clavo, la energía en movimiento es

convertida en trabajo al introducir el clavo en la madera. La profundidad a la que se

introduce el clavo en la madera depende de la velocidad del martillo al tiempo de

golpear el clavo. La energía contenida en un objeto debido a su movimiento se llama

Energía Cinética.

Si un martillo se

gravedad atrae el clavo hacia abajo. Si se corta repentinamente el hilo, la fuerza de

gravedad atraerá el martillo contra el clavo, el cual al ser golpeado se introducirá en

la madera. Mientras el clavo está suspendido sobre el clavo, tiene la habilidad de

efectuar un trabajo, debido a la atracción que ejerce la gravedad de la tierra sobre él.

Como la energía es la habilidad de producir un trabajo, el martillo tiene energía.

La energía contenida en un objeto debido a su posición se llama Energía Pote

La energía contenida por el martillo del ejemplo es igual al producto de la fuerza

requerida para elevar el martillo y la altura a la que fue elevado.

Otro ejemplo de energía potencial es la que contiene un

comprimido. La cantidad de energía obtenida depende de la cantidad de fuerza

requerida para comprimir el resorte inicialmente.

1 T

L

24

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación "La deformación de un cuerpo sometido a dos pares de fuerza que actúan en

nejan son:

ersión que deben usar en este caso son los siguientes:

:

elocidad

odos los cuerpos se mueven; aún los que parecen quietos tienen movimiento, para

d (V), se define como:

se mueve de un punto a otro en determinado

a para obtenerla es:

d -

cidad del móvil.

direcciones opuestas, de modo que cada sección del mismo sufre una rotación

respecto a otra sección próxima".

Las unidades de torsión que se ma

SISTEMA METRICO DECIMAL

Kilogramo-metro (kg-m).

SISTEMA INGLES

Libras-pie (lb-pie).

Los factores de conv

Para convertir de kg-m a Ib-pie:

Multiplique los kg-m por 7.22

Para convertir de Ib-pie a kg-m

Multiplique las lb-pie por 0.1384

V

T

conocer la rapidez con que se desplazan, es necesario utilizar el concepto de

velocidad.

La Velocida

"La rapidez con que un cuerpo

tiempo".

La fórmul

V = ------ t donde:

V = Velo

d = Distancia recorrida.

t = Tiempo empleado .

25

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Para calcular la distancia que el móvil recorrerá en determinado tiempo, se multiplica

d = Vt

onde:

ncia recorrida.

nociendo la distancia que se ha de recorrer y la velocidad:

d ---

onde:

po empleado.

se expresa la velocidad son:

metro/segundo (m/seg)

pie/segundo (pie/seg)

emplear para transformar de manera

/h :

la velocidad por el tiempo.

d

d = Dista

V = Velocidad del móvil.

t = Tiempo empleado.

El tiempo se calcula co

t = ------- V d

t = Tiem

d = Distancia recorrida.

v = Velocidad del móvil.

Las unidades en las que

SISTEMA METRICO DECIMAL

Kilómetro/hora (km/h)

SISTEMA INGLES

pie/minuto (pie/min)

Asimismo, los factores que usted debe

homogénea las unidades de velocidad y poder resolver el calculo son:

Para convertir de km/h a m/seg :

Multiplique los km/h por 0.28

Para convertir de m/seg a km

Multiplique los m/seg por 3.6

26

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Trabajo

efinición de trabajo:

cuando un cuerpo es desplazado una cierta distancia por

uti1iza para determinar el trabajo.

T = F d

onde:

ajo en kg-m ó lbs-pie.

e.

expresa en las siguientes unidades:

ersión que se usan para homogenizar las unidades de trabajo

convertir kg-m a lbs-pie:

:

otencia

efinición de la potencia:

o de hacer un trabajo en determinado tiempo", y su valor

se obtiene con la siguiente fórmula:

D

"Se realiza un trabajo

efecto de una fuerza".

La siguiente formula se

d

T = Trab

F = Fuerza en kg ó lb.

d = Distancia en m ó pi

Normalmente el trabajo se

SISTEMA METRICO DECIMAL

Kilogramo -metro ( kg -m )

SISTEMA INGLES

Libras-pie ( lbs-pie )

Los factores de conv

son:

Para

Multiplique los kg-m por 7.233

Para convertir de lbs-pie a kg-m

Multiplique las lbs-pie por 0.1382

P

D

"La potencia es el resultad

27

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

T P= ------

= Potencia en kg-m/seg ó lbs-pie/seg.

ajo en Kg-m ó lbs-pie.

resa la potencia son:

O DECIMAL

des se usa el caballo de potencia (HP).

ICA

.7.- Cargas eléctricas

a se demostró que existe un campo de fuerza rodeando los

uerpos eléctricamente cargados. La intensidad de éste campo depende

rgo, la carga del electrón es tan pequeña que

su uso como unidad no es práctico.

t

donde:

P

T= Trab

t= Tiempo en seg.

Las unidades en las que se exp

SISTEMA METRIC

Kilogramos-metro/segundo (kg -m / seg).

SISTEMA INGLES

Lbs-pie/segundo (lbs-pie / seg).

Para potencias gran

SISTEMA METRICO DECIMAL

HP= 76.04 kg-m/seg

SISTEMA INGLES

HP= 550 lbs-pie/seg

POTENCIA ELECTR

Hp = 746 Watts

1 Al estudiar la electrostátic

c

directamente de la fuerza de la carga.

La carga del electrón puede ser usada como unidad de carga eléctrica, ya que su

desplazamiento crea cargas. Sin emba

28

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación La unidad práctica adoptada para medir cargas eléctricas es el Coulomb, nombrada

así en honor al científico Charles Coulomb. Un Coulomb equivale a la carga de

6,242,000,000,000,000,000 electrones ó expresada matemáticamente 6.242 x 10

triz (FEM) o Voltaje.

ncia de electrones en otro. Además,

a. Un cuerpo con

ue tienen la misma cantidad de deficiencia de electrones. Si un cuerpo es

es conveniente utilizar una referencia para todos los

elevado a la 18 potencia.

Cuando existe una carga de un Coulomb entre dos cuerpos. Existe entre ellos una

Unidad de Potencial Eléctrico. Esta diferencia de potencial entre dos cuerpos es

llamada Fuerza Electromo

La unidad de medición para la Fuerza Electromotriz es el Volt (V).

Las cargas eléctricas son creadas por el desplazamiento de electrones, generando

un exceso de electrones en un punto y deficie

una carga debe tener siempre una polaridad negativa ó positiv

exceso de electrones es negativo, un cuerpo con deficiencia de electrones es

positivo.

Una diferencia de potencial puede existir ente dos puntos ó dos cuerpos solamente si

tienen diferentes cargas. En otras palabras, no hay diferencia de potencial entre dos

cuerpos q

deficiente en 6 Coulombs (6Volts) y otro es deficiente en 12 Coulombs (12 Volts), hay

entre ellos una diferencia de potencial de 6 volts. El cuerpo con mayor deficiencia es

positivo con respecto al otro.

En la mayoría de los circuitos eléctricos únicamente la diferencia de potencial entre

dos puntos es importante. Los potenciales absolutos de los puntos no son

significativos. Con frecuencia

potenciales encontrados en un equipo. Por tal razón los potenciales de varios puntos

se miden generalmente con respecto a un punto común, el cual generalmente está

conectado a la estructura metálica del sistema. Este punto se considera con

potencial cero y generalmente se le conoce como potencial a tierra ó simplemente

tierra.

Para manejar valores grandes de voltaje se utiliza un múltiplo que es el Kilovolt (Kv)

que equivale a 1000 Volts.

29

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Para manejar valores pequeños de voltaje se utilizan dos sub-múltiplos que son: el

milivolt (mV) que equivale a una milésima de volt (0.001 Volt) y el microvolt (µV) que

go del conductor. Este flujo será

ados por una tubería y

, debido a que no hay diferencia de presión en el

través de un circuito eléctrico es directamente

1 es directamente proporcional a la diferencia de nivel del

se reduce.

equivale a una millonésima de Volt (0.000001 Volt).

Cuando se conectan con un conductor dos cuerpos entre los cuales existe una

diferencia de potencial, los electrones fluirán a lo lar

del cuerpo cargado negativamente hacia el cuerpo cargado positivamente y

continuará hasta que las cargas se igualen y no exista diferencia de potencial entre

ellos.

La Figura 1.7.1, muestra una analogía de esta acción en dos tanques de agua

conect

una válvula. Inicialmente la

válvula está cerrada y toda el

agua está en el tanque A y la

presión del agua en la válvula

es la máxima. Cuando la válvula

se abre, el agua fluye en la

tubería de A á B, hasta que el

nivel del agua es el mismo en

los dos tanques. En ese instante

el agua deja de fluir en la tubería

agua de los dos tanques.

El movimiento de electrones a

Fig. 1.7.1 Analogía hidráulica de la corriente

proporcional a la Diferencia de Potencial ó FEM a través del circuito, tal como el flujo

de agua en la Figura 1.7.

agua en los dos tanques.

Una ley fundamental de la electricidad es que “el flujo de electrones es directamente

proporcional al voltaje aplicado”. Si el voltaje se incrementa, el flujo se incrementa. Si

el voltaje se reduce, el flujo

30

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación 1.8.- Producción de voltaje

e ha demostrado que puede producirse una carga frotando una barra de hule con

sulte de utilidad práctica, no debe permitirse que la

is métodos para producir Voltaje ó Fuerza Electromotriz.

.

es de ciertas

ltaje es producido calentando dos metales unidos.

ibles a la luz

El voltaje es producido por reacciones químicas.

ose en el

interior de un campo magnético ó por campos magnéticos moviéndose sobre

conductores.

S

piel. Debido a la fricción, pasan electrones hacia la barra, haciéndola negativa. La

piel se hace positiva debido a la pérdida de electrones. Estas cantidades de carga

constituyen una diferencia de potencial entre la barra y la piel. Los electrones que

originan esta diferencia de potencial tienen la capacidad de efectuar un trabajo, si se

permite que ocurra un descarga.

Para que una fuente de voltaje re

diferencia de potencial se disipe. Debe mantenerse continuamente. Cuando un

electrón deja la concentración de cargas negativas, otro debe suministrarse para

tomar su lugar si no la carga disminuirá al punto que no se pueda efectuar un trabajo.

Una fuente de voltaje, por lo tanto, es un dispositivo que puede suministrar y

mantener voltaje mientras un aparato eléctrico esté conectado a sus terminales. La

acción interna de la fuente es tal que remueve electrones continuamente de una

terminal para mantenerla positiva y los suministra simultáneamente a la otra terminal

para mantenerla negativa.

Actualmente se conocen se

Algunos son usados más ampliamente que otros, y algunos son usados en

aplicaciones específicas. Los seis métodos de producir Voltaje son.

Fricción.- El Voltaje es producido frotando ciertos materiales

Presión.- El Voltaje es producido comprimiendo cristal

sustancias.

Calor.- El Vo

Luz.- El Voltaje es producido aplicando luz a sustancias sens

(fotosensibles).

Acción química.-

Magnetismo.- El Voltaje es producido por conductores moviénd

31

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Voltaje

l primer método descubierto para crear Voltaje fue la generación por fricción. La

barra con piel es el primer ejemplo de esta manera

e obtener Voltaje. Debido a la naturaleza de los materiales que producen el Voltaje,

n método especializado de generar FEM utiliza las características de ciertos

cuarzo,

al de Rochelle y la turmalina. Estos

o el cuarzo son usados para

lamado Efecto Piezoeléctrico. Algunas de

y

Producido Por Fricción

E

obtención de cargas frotando una

d

éste no puede ser mantenido ni usado convenientemente, por lo que este método

tiene muy poco uso práctico.

Voltaje Producido Por Presión

U

cristales iónicos, tales como el

s

cristales pueden generar un voltaje

cuando se ejerce una fuerza sobre su

superficie. Así, cuando un cristal de

cuarzo es comprimido, aparecen cargas

de polaridades opuestas en dos

superficies opuestas del cristal. Si la

fuerza se invierte y el cristal es

descomprimido, aparecen cargas pero de

polaridad opuesta a la producida por la

compresión. Por esto, cristales com

convertir energía mecánica en energía eléctrica.

La Figura 1.7.2, muestra este fenómeno, l

las aplicaciones comunes de dispositivos que usan cristales piezoeléctricos son:

micrófonos, pastillas fonográficas y cristales osciladores, utilizados en receptores

Fig. 1.7.2 Voltaje producido por presión

transmisores de radio y televisión. Este método de generar una FEM no es adecuado

para aplicaciones que requieren grandes voltajes y potencias, pero es ampliamente

32

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación usado en equipos de sonido y comunicaciones, donde pueden usarse con efectividad

pequeñas señales de Voltaje.

Voltaje Producido Por Calor

Cuando una pieza de un metal, tal como el cobre, se calienta en un extremo, los

lectrones de valencia tienden a moverse alejándose del extremo caliente y

os termopares tienen mayor capacidad de potencia que los cristales, pero es aún

uy pequeña comparada con otras fuentes. Los termopares son usados

e

acercándose al extremo frío. Esto sucede en la mayoría de los metales. Sin embargo

en algunos metales como el hierro sucede lo contrario, y los electrones tienden a

moverse hacia el extremo caliente. La Figura 1.7.3, ilustra estas características. Las

cargas negativas (electrones) se mueven a través del cobre, alejándose del calor y a

través del hierro, hacia el calor. Cruzan del hierro al cobre a través del medidor de

corriente. Este dispositivo se llama Termopar.

Fig. 1.7.3 Voltaje producido por calor

L

m

ampliamente para medir temperaturas y en dispositivos sensores para controles

automáticos de temperatura. Los termopares generalmente están sujetos a

temperaturas más elevadas que los termómetros ordinarios de mercurio ó alcohol.

33

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Voltaje Producido Por Luz

Cuando la luz impacta sobre la superficie de una sustancia, puede desprender

os materiales fotosensibles más comúnmente usados para producir voltaje son

electrones de las órbitas exteriores en los átomos superficiales de la sustancia. Esto

ocurre debido a que la luz tiene energía, al igual que cualquier fuerza en movimiento.

Algunas sustancias, principalmente metales, son más sensitivas a la luz que otras.

Esto es, que una sustancia más sensitiva liberará más electrones al recibir una

cantidad dada de luz, que una sustancia menos sensitiva. Al perder electrones el

material fotosensible (sensistivo a la luz) estará cargado positivamente y se habrá

creado una fuerza eléctrica. El Voltaje producido en esta forma se llama Voltaje

Fotoeléctrico.

Fig. 1.7.4 Voltaje producido por luz

L

varios compuestos de óxido de plata y óxido de cobre. Un dispositivo completo que

opera con voltaje fotoeléctrico es una Celda Fotoeléctrica. Algunas de las

34

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación características de las Celdas Fotoeléctricas se muestran en la Figura 1.7.4. La celda

en la vista A tiene una superficie fotosensible curvada alrededor de un ánodo central.

Cuando la luz impacta desde la dirección mostrada la superficie sensitiva, ésta emite

electrones hacia el ánodo. Entre más intensa sea la luz, mayor será la cantidad de

electrones emitidos. Cuando se conecta un alambre

entre el ánodo y el respaldo ó lado negro de la celda, los electrones fluirán hacia

e.

Un a los electrones, igual

oltaje Producido Por Acción Química

l voltaje puede ser producido químicamente cuando ciertas sustancias se exponen

el lado negro, estos electrones pasarán a través del metal del reflector y

reemplazarán los electrones que abandonaron la superficie fotosensible, así, la

energía luminosa es convertida en flujo de electrones y se obtiene una corriente útil.

La celda en la vista B está construida en capas. Una placa base de cobre puro está

cubierta con óxido de cobre fotosensible. Una capa de metal semi-transparente está

colocada sobre el óxido de cobre. Esta capa adicional cumple dos propósitos:

Permite la penetración de la luz en el óxido de cobre

Recolecta los electrones emitidos por el óxido de cobr

lambre conectado externamente completa la trayectoria de

que en la celda tipo reflector. El voltaje de la fotocelda es utilizado como sea

necesario conectando alambres a otro dispositivo, el cual lo amplifica a un nivel útil.

La capacidad de una fotocelda es muy pequeña. Sin embargo, reacciona a

variaciones de intensidad de luz muy rápidamente. Esta característica hace la

fotocelda muy útil para detectar y controlar con precisión muchas operaciones. Por

ejemplo, la celda fotoeléctrica o alguno de los principios fotoeléctricos son utilizados

en cámaras de televisión, controles de procesos de fabricación automáticos y

alarmas contra robo.

V

E

a la acción química. Si dos sustancias desiguales, usualmente metales ó materiales

metálicos, se sumergen en una solución que produce una reacción química más

grande en una sustancia que en la otra, existe una diferencia de potencial entre

éstas. Si se conecta un conductor entre ellas, los electrones fluirán por el conductor

35

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación para igualar la carga. Este dispositivo se llama Celda Primaria ó Pila. Las dos piezas

metálicas son los electrodos y la solución es el electrólito. La Celda Voltaica en la

Figura 1.7.5, es un ejemplo simple de celda primaria.

La Diferencia de Potencial resulta del hecho de que uno ó ambos electrodos se

ay dos tipos de celdas primarias, la celda húmeda y la celda seca.

a con electrólito

La celda seca no es

e forman cuando varias celdas se conectan juntas para incrementar la

combinan con el electrólito. Durante el proceso, se forman iones cerca de los

electrodos. Debido al campo asociado con los iones cargados, los electrodos

adquieren carga. El valor de la Diferencia de Potencial entre los electrodos depende

principalmente de los metales utilizados.

Fig. 1.7.5 Voltaje producido por acción química

H

En la celda húmeda el electrólito es un líquido. Una celda húmed

líquido, debe permanecer siempre en posición vertical y no es fácil de transportar.

Una batería de automóvil es un ejemplo de este tipo de celda.

La celda seca es de uso más común que la celda húmeda.

realmente seca. Pero contiene un electrólito mezclado con otros materiales para

formar una pasta. Las lámparas de mano y los radios portátiles son operados con

estas celdas.

Las Baterías s

capacidad.

36

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Voltaje Producido Por Magnetismo

os imanes ó dispositivos magnéticos son usados en miles de aplicaciones. Una de

condiciones

ber un conductor en el cual se va a producir el voltaje.

tor. El conductor

Siempre que un conductor ó conductores se mueven a través de un campo

voltaje

acia la parte frontal de la página y los

El extremo derecho se hace negativo y el extremo derecho positivo.

L

las aplicaciones más útiles y más ampliamente usada de los imanes, es la

producción de enormes cantidades de potencia eléctrica, a partir de fuentes

mecánicas. Existe una gran cantidad de fuentes pueden suministrar la energía

mecánica, tal como motores de diesel ó gasolina y turbinas de gas, agua ó vapor. Sin

embargo, la conversión final de esas fuentes de energía a electricidad se hace

aplicando el principio de la inducción electromagnética. Existen muchos tipos y

tamaños de generadores. El principio fundamental de operación de todos los

generadores de inducción electromagnética se explicará más adelante.

Para que se genere un voltaje por magnetismo, deben existir tres

fundamentales:

Debe ha

Debe existir un campo magnético muy cerca del conductor.

Debe haber movimiento relativo entre el campo y el conduc

debe moverse de tal manera que corte a través de las líneas de fuerza del

campo magnético ó el campo magnético debe moverse de manera que sea

cortado por el conductor.

magnético y cortan las líneas de fuerza, los electrones en el conductor son

impulsados en una u otra dirección. Esto crea una fuerza eléctrica ó voltaje.

La Figura 1.7.6, muestra las tres condiciones necesarias para crear un

inducido. Hay un campo magnético entre los polos de imán en forma de C. El

alambre de cobre es el conductor. El alambre se puede mover hacia delante y hacia

atrás para obtener el movimiento relativo.

En la vista A, el conductor se mueve h

electrones se mueven de izquierda a derecha. El movimiento de electrones ocurre

debido a la FEM inducida magnéticamente actuando sobre los electrones del cobre.

37

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación El conductor se detiene en la vista B y el movimiento se elimina (una de las tres

condiciones requeridas) por lo que no hay FEM inducida. Debido a que no hay FEM

ta C, el conductor se mueve alejándose del frente de la pagina.

uevamente se crea una FEM, pero la inversión del movimiento ha causado una

o negativo y fluirán hacia el extremo

os electrones se mueven a través de un conductor en respuesta a un campo

del movimiento de los electrones es de una región de

inducida no hay diferencia de potencial entre los dos extremos del alambre.

Fig. 1.7.6 Voltaje producido por magetismo

En la vis

N

inversión en la dirección de la FEM inducida.

Si se proporciona una trayectoria para el flujo de electrones entre los extremos del

conductor, los electrones dejarán el extrem

positivo. La vista D muestra esta condición. Los electrones continuarán fluyendo en

tanto exista la FEM. Debe hacerse notar que la FEM inducida en la Figura 1.7.5,

puede también ser creada si se sostiene el conductor estacionario y se mueve el

campo magnético hacia atrás y hacia delante.

1.9.- Corriente electrica L

magnético. La dirección

38

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación potencial negativo a una región de potencial positivo. De ahí que el sentido del flujo

de electrones es determinado por la polaridad del voltaje aplicado.

Desplazamiento Aleatorio

Todos los materiales están compuestos de átomos, cada uno de los cuales puede

er ionizado. Si se aplica alguna forma de energía al material, tal como el calor,

ica del material. A temperatura

mos, en los que los electrones de las órbitas

o cargado, hay un campo electrostático. Cuerpos con

argas iguales se repelen y cuerpos con cargas distintas se atraen. Un electrón es

s

algunos electrones adquieren suficiente energía como para moverse a un nivel de

energía más alto. Como resultado algunos electrones son liberados de sus átomos

originales, convirtiéndose en iones. Otras formas de energía, particularmente la luz ó

un campo magnético también causarán la ionización.

El número de electrones liberados como resultado de la ionización depende de la

cantidad de energía aplicada y de la estructura atóm

ambiente, algunos materiales clasificados como conductores tienen abundantes

electrones libres. De manera similar, materiales clasificados como aisladores, tienen

relativamente pocos electrones libres.

En el estudio de la electricidad, los conductores tienen gran importancia. Los

conductores están constituidos de áto

exteriores están relativamente “flojos”. Al someterse a un incremento de energía,

éstos electrones frecuentemente se separan de sus átomos y se desplazan

libremente por el material. Estos electrones toman trayectorias difíciles de predecir.

Este movimiento se denomina Desplazamiento Aleatorio. Este desplazamiento

ocurre en todos los materiales. El grado de desplazamiento aleatorio es mayor en los

conductores que en los aisladores.

Desplazamiento Dirigido

Asociado con cada cuerp

c

afectado por un campo electrostático de la misma manera que cualquier cuerpo

cargado. Es repelido por una carga negativa y es atraído por una carga positiva. Si

39

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación un conductor tiene una diferencia de potencial a través de él, se le impone una

dirección al desplazamiento aleatorio (Figura 1.9.1). Esto hace que los electrones

libres sean repelidos desde la terminal negativa y sean atraídos hacia la terminal

positiva. Esto constituye una migración general de electrones de un extremo del

conductor al otro. La migración dirigida de electrones originada por una diferencia de

potencial se denomina Desplazamiento Dirigido.

Fig. 1.9.1 Desplazamiento dirigido

El desplazamiento de electrones ocurre a una velocidad relativamente baja. Sin

embargo, el efecto de este movimiento es casi instantáneo (Figura 1.9.2). Cuando

una diferencia de potencial se aplica a través del conductor, la terminal positiva de la

batería atrae electrones del punto A. El punto A tiene ahora deficiencia de electrones.

Como resultado, se atraen electrones del punto B al punto A. Ahora el punto B tiene

deficiencia de electrones, por lo que atraerá electrones. El mismo efecto se presenta

a lo largo del conductor y se repite de los puntos D al C. En el mismo instante que la

terminal positiva atrae electrones del punto A, la terminal negativa repele electrones

hacia el punto D. Estos electrones son atraídos hacia el punto D, el cual cede

electrones al punto C. Este proceso continúa mientras se mantenga la diferencia de

potencial a través del conductor. Aunque un electrón individual se mueve un poco

lento a través del conductor, el efecto del desplazamiento dirigido ocurre casi

instantáneamente. Cuando un electrón se mueve en el conductor al punto D, un

40

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación electrón está dejando el punto A. Esta acción tiene lugar a una velocidad

aproximadamente igual a la velocidad de la luz.

Fig. 1.9.2 Efecto del desplazamiento

Ma

ento dirigido de electrones. El desplazamiento de

lectrones, por lo tanto, es corriente, y los términos pueden usarse indistintamente.

rticular”.

e relacionado con la cantidad de

de la acción dirigida. Un

a a los electrones de valencia será mayor y la corriente

gnitud del Flujo de Corriente

La corriente eléctrica es el movimi

e

Así, la definición de Corriente Eléctrica puede ser:

“Flujo de Electrones en una dirección particular” ó

“Desplazamiento de electrones en una dirección pa

La magnitud del flujo de corriente está directament

energía que pasa a través de un conductor como resultado

incremento en los portadores de energía (electrones libres en movimiento) ó un

incremento de energía en los electrones de valencia existentes, incrementará el flujo

de corriente. Cuando un potencial eléctrico es aplicado a través de un conductor, la

velocidad de los electrones libres se incrementa, causando un incremento en la

energía de los portadores.

Si la diferencia de potencial se incrementa, el campo eléctrico será más fuerte, la

cantidad de energía aplicad

se incrementará. Si la diferencia de potencial se reduce, la fuerza del campo se

reduce, la energía aplicada a los electrones disminuye y la corriente disminuirá.

41

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Medición de la Corriente

La unidad de medición de la corriente es el Amper (A). Se dice que circula un Amper

e corriente por un punto, cuando por ese punto pasa una carga de un Coulomb

electrones constituye una corriente eléctrica. Los

lectrones no se mueven libremente en un conductor de estructura cristalina.

usado para representar el

ismos factores que controlan el flujo de corriente

condiciones que limitan el flujo de corriente

d

cada segundo. (Un Coulomb equivale a la carga de 6.242 por 10 a la 18 potencia de

electrones). Con frecuencia el Amper resulta ser una unidad muy grande para medir

corriente, de ahí que se usen submúltiplos que son: el miliamper (mA) equivalente a

una milésima de Amper y el microamper (µA), equivalente a una millonésima de

Amper. El instrumento usado para medir corriente es el Ampérmetro.

1.10.- Resistencia electrica

El movimiento dirigido de

e

Algunos materiales ofrecen poca oposición al flujo de corriente, mientras que otros

presentan gran oposición. Esta oposición al paso de la corriente es la Resistencia

(R), y su unidad de medición es el Ohm. Entre más grande sea la resistencia de un

circuito, menor será la corriente que circule por él. El estandar de medición para un

Ohm de resistencia es el de una columna de mercurio, con un área de sección de un

milímetro cuadrado y una longitud de 106.3 centímetros.

Un conductor tiene una resistencia de un Ohm, si al aplicarle una diferencia de

potencial de un Volt, circula por él un Amper. El símbolo

Ohm es la letra Griega Omega (Ω).

La resistencia, siendo un propiedad eléctrica, es determinada por la estructura física

de los materiales. Muchos de los m

gobiernan la resistencia del material.

La magnitud de la resistencia está determinada en parte por el número de electrones

libres disponibles en el material. Las

también afectan la resistencia. El tipo de material, las dimensiones físicas y la

temperatura afectan la resistencia de un conductor.

42

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Efecto del Tipo de Material

Dependiendo de su estructura atómica, diferentes materiales tienen diferentes

antidades de electrones libres. Así, los diferentes conductores usados en

us órbitas

xternas no están afectados por los de órbitas externas de otros átomos y por tanto

c

aplicaciones eléctricas tienen diferentes valores de resistencia. Consideremos una

sustancia metálica simple. La mayoría de los metales tienen estructuras cristalinas y

consisten en átomos que están agrupados de manera apretada en forma de una red.

Los átomos de tales elementos están tan cercanos uno de otro que los electrones de

sus órbitas exteriores están asociados, tanto con el propio átomo, como con sus

átomos vecinos. (Figura 1.10.1, vista A). Como resultado, la fuerza de atracción del

electrón hacia su propio átomo es prácticamente cero. Dependiendo del metal, al

menos un electrón, a veces dos y en pocos casos, tres electrones por átomo existen

en ese estado. En este caso una cantidad relativamente pequeña de energía

adicional liberará los electrones de la órbita exterior, de la atracción del núcleo. A

temperatura ambiente, los materiales de este tipo que tienen muchos electrones

libres, son buenos conductores. Los buenos conductores tienen baja resistencia.

Fig. 1.10.1 Atracción de electrones exteriores

Si los átomos del material están muy separados, los electrones de s

e

43

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación son atraídos más fuertemente por su propio núcleo (Figura 1.10.1, vista B), por lo

que se requiere una gran cantidad de energía para liberarlos. Los materiales de este

tipo son malos conductores y tienen alta resistencia.

La plata, el oro y el aluminio son buenos conductores. Por lo tanto, materiales

compuestos por sus átomos tienen baja resistencia. El cobre es el conductor más

n afecta de manera considerable el valor de la

sistencia de los conductores. Si el área de sección de un conductor se incrementa,

te. Si la longitud de un conductor se incrementa, la

ampliamente utilizado en aplicaciones eléctricas. La plata tiene menor resistencia

que el cobre, pero su costo limita su uso a circuitos donde se requiere muy baja

resistencia. El aluminio es mucho más ligero que el cobre y se usa como conductor

cuando el peso es un factor de consideración.

Efecto de las Dimensiones Físicas

Área de sección. – El área de secció

re

hay más electrones disponibles para moverse a través del conductor. De ahí que

pueda circular una mayor cantidad de corriente, para una cantidad dada de voltaje.

Este incremento en la corriente indica que, cuando el área de sección se incrementa,

la resistencia se reduce y cuando el área de sección se reduce la resistencia se

incrementa. Por lo tanto, la resistencia de un conductor es inversamente proporcional

al área de sección del mismo.

Longitud del conductor.- La longitud de un conductor también es un factor que

determina la resistencia de és

cantidad de energía consumida se incrementa. Cuando los electrones libres se

mueven de átomo á átomo, alguna energía se consume en forma de calor. Entre más

largo sea el conductor, mayor es la energía perdida en calor. La energía perdida se

resta a la energía que está siendo transferida por el conductor, ocasionando una

reducción del flujo de corriente para un voltaje dado. Esta reducción de la corriente

indica un aumento de la resistencia, ya que el voltaje se mantuvo constante. De ahí

que, si la longitud de un conductor se incrementa, la resistencia se incrementa. Por

lo tanto, la resistencia de un conductor es directamente proporcional a su longitud.

44

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Efecto de la Temperatura

Los cambios de temperatura afectan la resistencia de los materiales de diferentes

iales, un incremento de temperatura causa un incremento

n la resistencia. En otros, un incremento de temperatura causa una reducción en la

ratura positivo. Sin embargo el

a electricidad con frecuencia se explica en términos opuestos. Lo opuesto de la

ductancia. La conductancia es la habilidad de un material de

ejar pasar electrones. Los mismos factores que afectan la magnitud de la

ductancia y la resistencia es un inverso. El inverso de un número es igual

maneras. En algunos mater

e

resistencia. La cantidad de cambio en el valor de la resistencia por unidad de cambio

en la temperatura es el Coeficiente de Temperatura.

Un material cuya resistencia decrece al aumentar la temperatura, tiene un coeficiente

de temperatura negativo. La mayoría de los conductores utilizados en circuitos

eléctricos ó electrónicos, tienen coeficiente de tempe

carbón, material usado con frecuencia tiene coeficiente de temperatura negativo.

Algunos materiales, tales como las aleaciones llamadas constantan y manganina,

son consideradas con coeficiente de temperatura cero, debido a que su resistencia

permanece relativamente constante cuando su temperatura cambia.

1.11.- Conductancia

L

Resistencia es la Con

d

resistencia afectan la conductancia, pero de manera opuesta. La Conductancia es

directamente proporcional al área e inversamente proporcional a la longitud del

conductor.

La unidad de Conductancia es el Mho, lo cual es Ohm deletreado al revés ó

Siemens. El símbolo usado para representar la conductancia es (G). La relación

entre la con

a 1 dividido entre el número. En términos de Resistencia ó Conductancia,

1 1 R = ---------- G = --------- G R

45

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación 1.12.- Resistores eléctricos

La resistencia es una propiedad que poseen todos los componentes eléctricos. En

talmente indeseables. Sin embargo, la resistencia es

tilizada de muchas y diferentes maneras. Los Resistores son componentes

omposición

no de los tipos más común de resistores es el de composición moldeada,

tor de carbón. Estos resistores se fabrican en una

ran variedad de tamaños y formas. La composición química del resistor, la cual es

ocasiones, sus efectos son to

u

fabricados en muchos tipos y tamaños y con diferentes valores específicos de

resistencia. La representación esquemática de un resistor (símbolo) es el de una

línea quebrada (Figura 1.12.1).

Fig. 1.12.1 Resistores eléctricos y símbolos

C de los Resistores

U

generalmente conocido como resis

g

controlada con precisión por el fabricante es lo que determina el valor ohmico del

resistor. Los resistores de carbón se fabrican en rangos de valores que van desde un

46

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Ohm, hasta millones de Ohms. El tamaño físico de los resistores está relacionado

con el rango de disipación de potencia, o sea la habilidad del resistor de disipar el

calor producido por la resistencia. Los resistores de carbón son los más comunes

debido a que son baratos y fáciles de fabricar. Su principal desventaja es que tienden

a cambiar de valor con el tiempo. Otra desventaja es su capacidad limitada para

manejar potencias grandes.

Las desventajas de los resistores de carbón pueden ser superadas usando resistores

de alambre (Figura 1.12.1, vistas B y C). Estos resistores tienen valores más

precisos y pueden manejar valores de corriente más altos que los resistores de

ay dos clases de resistores: resistores fijos y resistores variables.

ienen un sólo valor y ese valor no cambia (excepto por

mperatura ó envejecimiento). Los resistores de las vistas A y B son resistores fijos.

les: el potenciómetro y el reóstato (vistas D y E).

Un ejemplo de potenciómetro es el control de volumen de un radio. Un ejemplo de

carbón. El material utilizado para fabricar estos resistores generalmente es a base de

cobre, nickel, cromo y zinc. La calidad y cantidad de estos elementos determina la

resistividad del alambre. Generalmente el porcentaje de nickel en el alambre

determina la resistividad. Una de las desventajas de los resistores de alambre, es

que se requiere una gran cantidad de alambre para fabricar un resistor de valor

ohmico grande, lo que incrementa el costo. Una variación del resistor de alambre

provee una superficie del alambre expuesta en un lado del resistor. Una derivación

ajustable puede conectarse a ese lado. Estos resistores permiten ajustar el valor de

la resistencia según se requiera en el circuito.

Tipos de resistores

H

Los resistores fijos t

te

El resistor en la vista C es fijo pero ajustable, ya que está provisto de un contacto

deslizante que permite seleccionar el valor de resistencia que se desea utilizar, una

vez hecho lo cual permanece fijo.

Los resistores variables son aquellos que permiten variar constantemente el valor de

su resistencia.

Hay dos tipos de resistores variab

47

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación reóstato es el atenuador de luz del tablero de un automóvil. Hay algunas diferencias

entre ellos. Los reóstatos generalmente tienen dos conexiones, una fija y la otra

e un resistor se genera calor en él. El resistor

ebe tener la capacidad de disipar ese calor en el aire que lo rodea. De otra manera

r se elevará, causando un cambio en el valor de resistencia

posiblemente causará que el resistor se queme.

se mide en Watts. Algunos de los

cantidades de potencia

móvil. Los potenciómetros siempre tienen tres conexiones, dos fijas y una móvil.

Generalmente los reóstatos tienen un rango limitado de valores y una gran capacidad

de manejo de corriente. Los potenciómetros tienen un amplio rango de valores pero

usualmente una baja capacidad de manejo de corriente. Los potenciómetro siempre

se conectan como divisores de voltaje.

Disipación de potencia

Cuando circula una corriente a través d

d

la temperatura del resisto

ó

La habilidad del resistor de disipar calor depende del tamaño del área de su

superficie que está expuesta al aire. Por lo tanto un resistor diseñado para disipar

una cantidad grande de calor , deberá ser de gran tamaño.

La capacidad de un resistor para disipar potencia

rangos más comunes para resistores de carbón son: de Watt, ψ Watt, 1 Watt y 2

Watts. Entre más alto sea el rango de disipación de potencia de un resistor, mayor

será su tamaño físico. Los resistores que disipan grandes

generalmente son resistores de alambre. Los resistores de alambre con rangos hasta

de 50 Watts no son poco comunes. La Figura 1.12.2, muestra algunos resistores con

diferentes rangos de disipación de potencia.

48

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

1.13.- Corriente directa

ircuito eléctrico básico

s un buen ejemplo de un circuito eléctrico básico. Ya que

ontiene una fuente de energía (las pilas); una carga (el foco); que cambia la energía

ás útil (luz) y un interruptor para controlar la energía

uministrada a la carga.

te la energía eléctrica en luz)

uministra la energía utilizada por la carga, puede

ser u poder (como un cargador de

bater

Un I ve de carga

permitiendo ó impidiendo el flujo corriente.

Fig. 1.12.2 Resistores de diferentes disipaciones

C

Una lámpara de mano e

c

eléctrica en una forma m

s

Una Carga es cualquier dispositivo a través del cual circula una corriente y en el cual

se convierte esta energía eléctrica en otra forma más útil de energía. Los siguientes

son ejemplos comunes de cargas:

Un foco (convier

Un motor eléctrico (convierte la energía eléctrica en energía mecánica)

La bocina de un radio (convierte la energía eléctrica en sonido)

Una Fuente es un dispositivo que s

na pila sencilla, un acumulador ó una fuente de

ías)

nterruptor permite controlar la operación del dispositivo que sir

49

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Representación esquemática

Uno de los mejores apoyos en la localización de fallas en circuitos eléctricos son los

diagramas esquemáticos. Éstos son dibujos del circuito, que utilizan símbolos para

presentar los diferentes componentes del circuito. Un diagrama esquemático

rvir para .mostrar circuitos muy grandes o complejos.

El diagrama en la Figura 1.13.1, representa una lámpara de mano. En el estado

tor se mueva a la posición abierta ó la

Ohm, encontró experimentalmente la

, establece lo siguiente:

riente es directamente

roporcional al voltaje aplicado e inversamente proporcional a la resistencia del

circuito”

re

relativamente sencillo, puede se

desenergizado, el interruptor (S1) está

abierto. No hay una trayectoria completa

para que la corriente ( I ) circule, por lo

tanto el foco no se enciende. En el estado

energizado, el interruptor (S1) se cierra.

La corriente fluye de la terminal negativa

de la batería, a través del interruptor (S1),

a travésdel foco, y regresa a la terminal

positiva del la batería. Con el interruptor

cerrado, la trayectoria para que circule la

corriente está completa. La corriente

continuará circulando hasta que el interrup

batería esté completamente descargada.

Ley de Ohm

A principio del siglo XIX, George Simón

relación precisa que existe entre la corriente, el voltaje y la resistencia. Esta relación,

denominada Ley de Ohm

Fig. 1.13.1 Circuito elemental

“En un circuito eléctrico cerrado, la intensidad de la cor

p

50

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

La Ley de Ohm puede expresarse matemáticamente con la siguiente ecuación:

E

:

= Corriente en Amperes

= Resistencia en Ohms

rsamente proporcional a la resistencia, así

se incrementa, la corriente decrecerá

lmente.

si dos cantidades con conocidas, se puede obtener por

tidad desconocida.

13.1, vista B, si la batería suministra un voltaje de 1.5 Volts

el foco tiene una resistencia de 5 Ohms, se puede calcular el valor de la corriente

ma, ahora la corriente será:

3

efectuando el cálculo: I = 0.6 Amperes

I = ------- R En donde

I E = Voltaje en Volts

R

Según la Ley de Ohm, la corriente es inve

que si la resistencia de un circuito

proporciona

En la ecuación I = E/R,

cálculo la tercera can

Refiriéndose a la Figura 1.

y

aplicando esos valores a la ecuación:

1.5

I = ----- efectuando el cálculo: I = 0.3 Amperes

5

Si la lámpara fuera de dos pilas, se aplica el doble del voltaje al circuito, o sea 3

volts, si la resistencia de foco es la mis

I = -----

5

51

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Se observa que si el voltaje se duplica, el valor de la corriente se duplica, esto

demuestra que la corriente es proporcional al voltaje.

Si el valor de la resistencia se duplica, sin variar el voltaje, el valor de la corriente

3

serva que si el valor de la resistencia se duplica, el valor de la corriente

isminuye a la mitad del valor anterior, esto demuestra que la corriente es

mente proporcional a la resistencia.

res de resistencia y

n un circuito básico.

do la Ley de Ohm puede calcularse el valor de cualquiera de los tres

E

I

a ecuación de la Ley de Ohm y sus varias formas, pueden ser obtenidas fácilmente

sando la Figura 1.13.4. El triángulo conteniendo E, I y R está dividido en dos partes,

on E arriba de la línea e I y R debajo de la línea.

será:

I = ----- efectuando el cálculo: I = 0.3 Amperes

10

Se ob

d

inversa

Las Figuras 1.13.2 y 1.13.3, son diagramas para determinar valo

voltaje e

Usan

parámetros, con la condición de que se conozcan dos de ellos, para ello, se aplican

variantes de la fórmula básica que se expresan de la siguiente manera:

E I = ---- E = I x R R = ----- R

Fig. 1.13.2 Fig. 1.13.3

L

u

c

52

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

ara determinar la cantidad desconocida, se cubre la cantidad con un dedo. La

ición de las letras descubiertas en el círculo indican la operación matemática que

órmula para E, cubra E con un dedo,

contrar la fórmula para R, cubra R,

ltado indica que es E dividido entre I, o sea:

I

ncia, ya sea en electricidad ó mecánica, está referida a la rapidez con que se

trabajo. El trabajo se realiza siempre que un esfuerzo produce un

ento. Cuando se usa una fuerza para levantar un peso, se efectúa un trabajo.

in embargo, la fuerza ejercida sin producir movimiento, como la fuerza de un resorte

o entre dos objetos fijos, no constituye un trabajo.

l Voltaje es una fuerza eléctrica que hace que los electrones fluyan en un circuito

P

pos

hay que efectuar.

Por ejemplo, para encontrar I, cubra I con un dedo. Las letras descubiertas indican

que es E dividida entre R, o sea:

E

I = -----

R

Para encontrar la f

el resultado indica que es I multiplicado por R o sea:

E = I x R

Para en

el resu

Fig. 1.13.4 Ley de Ohm

E

R = -----

Potencia

La pote

hace un

movimi

S

comprimid

E

cerrado. Sin embargo cuando existe un voltaje pero no fluye corriente porque el

circuito está abierto, no se efectúa un trabajo. Esto es similar al resorte bajo tensión

53

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación que no produce movimiento La velocidad instantánea a la cual se hace el trabajo, se

le llama potencia eléctrica, y se mide en Watts.

Una cantidad total de trabajo puede efectuarse en diferentes longitudes de tiempo.

Por ejemplo, una cantidad dada de electrones puede moverse de un punto a otro en

un segundo ó en una hora, dependiendo de la velocidad a la cual se muevan. En

ambos casos, el trabajo realizado fue el mismo. Pero cuando el trabajo se hace en

un tiempo más corto, la potencia es mayor que cuando se hace la misma cantidad de

de potencia cambia si el valor del voltaje ó de la corriente cambian.

icos valores que pueden cambiarse son los de voltaje y

onsecuencia del cambio de alguno de ellos, es que cambia el

uatro de las más importantes cantidades eléctricas son: el Voltaje ( E ), la Corriente

usa

ntidades puede ser expresada en función de dos de las otras.

trabajo en un tiempo más largo.

La unidad básica de Potencia es el Watt. La Potencia Eléctrica en Watts es igual al

voltaje aplicado al circuito, multiplicado por la corriente que circula en el circuito. Esto

representa la rapidez con que se hace un trabajo en cualquier instante. El símbolo

para representar la potencia es la letra P. La fórmula básica de la Potencia es:

P = E x I En donde:

P = Potencia en Watts

E = Voltaje en Volts

I = Corriente en Amperes

La cantidad

En la práctica, los ún

resistencia y como c

valor de la corriente.

C

( I ), la Resistencia ( R ) y la Potencia ( P ). La relación entre estas cantidades se

a través de cualquier estudio de la electricidad. Previamente, la Potencia P fue

expresada en función de las otras tres cantidades básicas ( E, I y R). En la práctica,

cualquiera de esas ca

La Figura 1.13.5, es un sumario de 12 fórmulas básicas. Las cuatro cantidades: E, I,

R y P, están en el centro de la figura, Cerca de cada cantidad hay tres segmentos.

54

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación En cada segmento, la cantidad básica está expresada en función de otras dos

cantidades básicas. No hay dos segmentos iguales.

Por ejemplo, se puede usar la rueda de fórmulas para resolver el siguiente problema:

Un circuito tiene una fuente de voltaje de 24 Volts y la corriente medida

es de 10 Amperes,

¿Cuál será la Potencia?. Encuentre P en el círculo

; IE ó Corriente multiplicada por

x 24

= 240 Watts.

Potencia

omponentes eléctricos se dan con un Rango de Potencia. El rango

e potencia en Watts indica el valor dentro del cual el dispositivo convierte energía

a de energía, tal como luz, calor ó movimiento. Un ejemplo de

sto es si se compara un foco de 150 Watts con un foco de 100 Watts. El rango

dica la cantidad

Voltaje es la solución.

Datos.

Fig. 1.13.5 Sumario de fórmulas

I = 10 Amperes

E = 24 Volts

P = ?

Solución:

P = I x E

P = 10

P

Rango de

A menudo, los c

d

eléctrica en otra form

e

mayor del foco de 150 Watts, indica que éste puede convertir más energía eléctrica

en luz que el foco de menor rango. Otro ejemplo común de dispositivos con rangos

de potencia son: cautines, planchas y motores eléctricos pequeños.

En algunos dispositivos eléctricos, el rango de potencia indica la máxima potencia

para la cual fue diseñado el dispositivo, operando bajo condiciones normales. Por

ejemplo, un foco de 150 Watts consume 150 Watts cuando se opera al voltaje

especificado. En cambio, en un resistor, el rango de potencia in

55

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación máxima de potencia a la que puede operar, con diferentes combinaciones de voltaje

y corriente

En muchos circuitos, la potencia real que usa un resistor es considerablemente

menor que el rango de potencia del resistor, ya que se usa un factor de seguridad del

50 por ciento. Por ejemplo, si un resistor usa normalmente 2 Watts de potencia, se

selecciona para usar un resistor de disipación de 3 Watts.

cia uy común en el campo de la electricidad. Se

mo modo que el consumo de gasolina se aplica al

so de combustible de un automóvil.

ón de potencia”. La potencia es utilizada por

te energía eléctrica en calor. La utilización de

Para cantidades más grandes ó pequeñas, se usan múltiplos ó sub-múltiplos del

Watt:

El Kilowatt KW = 1,000 Watts

El Megawatt MW = 1,000,000 Watts

El miliwatt mW = 0.001 Watt

Conversión de Potencia y EficienEl término “Consumo de Potencia” es m

aplica al uso de la potencia del mis

u

Otro término común es el de “conversi

los dispositivos eléctricos al convertir una forma de energía a otra. Un motor

eléctrico convierte energía eléctrica en mecánica. Un foco convierte energía eléctrica

en luz y un horno eléctrico convier

energía eléctrica se mide en Watts-Hora ( Wh ). Esta unidad práctica es igual a un

Watt de potencia usado continuamente durante una hora. El término “Kilowatt-Hora”

(KWh), usado con más frecuencia, equivale a mil Watts-hora.

La Eficiencia ( Eff ) de un dispositivo eléctrico, es la relación entre la potencia

convertida a energía útil, dividida entre la potencia consumida por el dispositivo. El

valor de la eficiencia siempre es un número menor que uno (1.00), debido a las

pérdidas que ocurren en todos los dispositivos eléctricos.

Potencia Convertida Eff = ------------------------------- Potencia Consumida

56

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Si un dispositivo tiene una eficiencia de 0.95, es que transforma en energía útil 95 de

calor u otra pérdida que no

l cálculo de la cantidad de potencia convertida en energía útil por un dispositivo

de Fuerza equivale a 746 Watts. El caballo de Fuerza como unidad de

46 Watts

tts

po

horas x 3 días

atts-hora al mes

atts-hora a Kilowatts-hora

00

cada 100 Watts recibe. Los otros 5 Watts, se pierden en

es útil.

E

eléctrico es relativamente simple. Se requiere conocer el lapso de tiempo ( t ) que el

dispositivo es operado y la potencia de entrada en Caballos de Fuerza ( HP ). Un

Caballo

potencia se encuentra frecuentemente como rango en los motores eléctricos.

Ejemplo: Un motor de ¾ HP opera 8 horas por día. ¿Cuánta potencia es convertida

por el motor al mes? y ¿Cuántos KWh representa esto?.

Datos:

t = 8 horas x 30 días

P = ¾ HP

Solución: Convierta HP a Watts

P = HP x 7

P = ¾ x 746 Watts

P = 559 Wa

Convierta Watts a Watts-hora

Wh = Trabajo x Tiem

Wh = 559 Watts x 8

Wh = 134,000 W

A continuación se convierten W

Wh

KWh = ---------------------

1,000

134,0

KWh = ---------------------

1,000

57

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

KWh = 134 KWh

Si la potencia real consumida por el motor es de 137 KWh, ¿Cuál es la eficiencia

el motor?.

---------------------

ncia Consumida

137 KWh

d

Datos:

Potencia Convertida

Eff = ----------

Pote

134 KWh

Eff = -----------------------

Eff = 0.978

58

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación 1.14.- Circuitos de corriente directa en serie

uando dos cargas desiguales se conectan por medio de un conductor, existe un

amino completo para la corriente. Un circuito eléctrico es una trayectoria de

r y una trayectoria hasta la fuente de

oltaje. En el interior de la fuente de voltaje,

uitos Serie.- La corriente

n un circuito serie debe circular a través de

completar la trayectoria

léctrica del circuito (Figura 1.14.1). Cada

el circuito ( Rt ) es igual a la suma de

lquier número de resistencias adicionales que formen

arte del circuito.

n circuito serie formado por tres resistencias

0 Ohms, 15 Ohms y 30 Ohms). ¿Cuál es la resistencia total?.

C

c

conducción completa. Consiste de un conducto

v

Fig. 1.14.1 Circuito serie

la corriente fluye de la terminal positiva hacia

la terminal negativa y emerge de la terminal

negativa.

Características

Resistencia en Circ

e

cada foco para

e

foco adicional agrega resistencia al Circuito.

En un Circuito Serie, la Resistencia total d

las resistencias individuales.

Rt = R1 + R2 + R3 + - - - - Rn

Nota.- El sufijo n denota cua

p

Por ejemplo: La Figura 1.14.2, muestra u

(1

Datos:

R1 = 10 Ohms

R2 = 15 Ohms

R3 = 30 Ohms

59

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

3

15 Ohms + 30 Ohms

ciones de circuitos, se

re

lor de una de las

s.

Rt = R1 + R2 + R3, para encontrar el valor

hms

or lo tanto el resultado es R3 = 20

orriente en Circuitos Serie.- Debido a que existe una sola trayectoria para la

la misma

omponentes del circuito. Para determinar el

4.4).

Rt = R1 + R2 + R

Rt = 10 Ohms +

Rt = 55 Ohms

En algunas aplica

conoce la resistencia total y se requie

saber el va

resistencias individuale

Para calcularla, se traspone la ecuación

desconocido, R3 en la Figura 1.14.3.

Rt – R1 – R2 = R3

40 Ohms – 10 Ohms – 10 Ohms = 20

O

P

Ohms.

C

corriente en un circuito serie, fluye

cantidad de corriente por cada uno de los

c

valor de la corriente en un circuito serie, es

suficiente conocer el valor de la corriente en un

componente.

El hecho de que fluya la misma cantidad de

corriente por cada componente de un circuito

serie puede verificarse insertando medidores en

varios puntos del circuito (Figura 1.1

Fig. 1.14.2 Circuito serie

Fig. 1.14.3 Circuito serie

Fig. 1.14.4 Circuito serie

60

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Si se hace esto, se verá que cada medidor indicará el mismo valor de corriente.

aje (energía).

sto de conoce como Caída de Voltaje. La caída de voltaje a través de un resistor en

14.5. En este circuito, una fuente de potencial

l circuito ( Rt ) es igual a la suma de los dos valores

ms

n:

lts

-----

10 Ohms

s

Voltaje en Circuitos Serie.- Las cargas en un circuito consumen volt

E

un circuito que contiene un solo resistor, es el voltaje total a través del circuito y es

igual al voltaje aplicado. El voltaje total a través de un circuito serie formado de más

de un resistor, es igual al voltaje aplicado, pero consiste de la suma de las caídas de

voltaje individuales en los resistores.

En cualquier circuito serie, la suma de las caídas de voltaje en los resistores, debe

ser igual al voltaje de la fuente.

Haciendo un examen de la Figura 1.

( Et ) de 20 Volts, es consumida en un circuito serie formado por dos resistencias de

5 Ohms. La resistencia total de

individuales de resistencia o sea 10 Ohms.

Aplicando la Ley de Ohm, se calcula la

corriente ( I ) del circuito de forma

siguiente:

Fig. 1.14.5 Circuito serie

Datos:

Et = 20 Volts

Rt = 10 Oh

Solució

Et

It = -----

Rt

20 Vo

It = ------

It = 2 Ampere

61

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación El valor de los resistores es de 5 Ohms cada uno, y la corriente que fluye a través de

peres. Con estos valores conocidos, se puede calcular la caída de

oltaje a través de cada uno de los resistores.

:

5 Ohms

ismo valor de R1, y a través de él pasa la misma corriente. Por lo tanto,

és de R2 es también 10 Volts. Sumando estas dos caídas de

, dan un total de 20 volts, que es igual al voltaje aplicado. Entonces,

jemplo: Un circuito serie consiste de tres resistores con valores de: 20 Ohms, 30

ltaje aplicado, si la corriente a

avés del resistor de 30 Ohms es de 2

ura 1.14.6).

30 Ohms

hms

ellos es de 2 Am

v

Calcule el voltaje a través de R1 como sigue:

Datos:

I1 = 2 Amperes

R1 = 5 Ohms

Solución

E1 = I1 x R1

E1 = 2 Amp. X

E1 = 10 Volts

R2 tiene el m

la caída de voltaje a trav

10 Volts, juntas

para un Circuito Serie:

Et = E1 + E2 + E3 + - - - - -En E

Ohms y 50 Ohms, respectivamente. Encuentre el vo

tr

Amperes.

Para resolver el problema, primero dibuje y

anote los valores en un diagrama del

circuito (Fig

Fig. 1.14.6 Circuito serie

Datos:

R1 = 20 Ohms

R2 =

R3 = 50 O

I = 10Amperes

62

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Solución:

3

endo:

)) + (I2 x R2) + (I3 x R3)

) + (30 x 2) + (50 x 2)

e la Ley de Ohm, las cantidades para la ecuación deben tomarse

rte del circuito. En el ejemplo anterior, el voltaje a través de R2, fue

alculado usando la corriente a través de R2 y el valor de resistencia de R2.

a

Et = E1 + E2 + E

E1 = I1 x R1

E2 = I2 x R2

E3 = I3 x R3

Substituy

Et = (I1 x R1

Et = (20 x 2

Et = 40 + 60 + 100

Et = 200 Volts

Nota: Cuando se us

de la misma pa

c

Las caídas de voltaje que ocurren en un circuito serie están en proporción directa con

los valores de las resistencias. Esto es como resultado de que circula la misma

corriente a través de todos los resistores.

Potencia en Circuitos Serie.- Cada una de las cargas en un circuito serie consume

potencia, que es disipada en forma de

calor. Ya que esta potencia proviene de l

fuente, la potencia total suministrada debe

ser igual a la potencia total consumida por

las cargas del circuito. En un circuito serie,

la potencia total es igual a la suma de la

potencia disipada por las cargas

individuales. La Potencia Total ( Pt ) es por

lo tanto:

Pt = P1 + P2 + P3 + - - - - -Pn

Fig. 1.14.7 Circuito serie

63

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Ejemplo: Un circuito serie consiste de tres resistores que tienen valores de: 5 Ohms,

nistran 120 Volts al

ircuito. (Figura 1.14.7)

Ohms

ero se calcula la resistencia total)

3

ente del circuito usando la resistencia total y el voltaje aplicado:

lts

---

30 Ohms

es

tencia para cada resistor usando la fórmula de la potencia:

Para R1

2 x 10 ohms

10 Ohms y 15 Ohms. Encuentre la potencia total, si se sumi

c

Datos:

R1 = 5 Ohms

R2 = 10 Ohms

R3 = 15

Et = 120 Volts

Solución: (Prim

Rt = R1 + R2 + R

Rt = 5 + 10 + 15

Rt = 30 Ohms

Se calcula la corri

Et

I = ------

Rt

120 Vo

I =-------

I = 4 Amper

Calcule la po

P1 = I2 x R1

P1 = (4 Amps.)2 x 5 ohms

P1 = 80 Watts

Para R2

P2 = I2 x R2

P2 = (4 Amps.)

64

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación P2 = 160 Watts

tts

r la potencia total:

160 Watts + 240 Watts

l resultado, calcule la potencia total suministrada por la fuente:

ps. x 120 Volts

a total es igual a la suma de las potencias individuales

bajo se enlistan los factores más importantes que gobiernan la operación de los

pado como un conjunto de

eglas. Estas deben ser completamente entendidas antes de estudiar teoría más

un circuito serie es igual a la suma de las resistencias

Rn

uales.

Para R3

P3 = I2 x R2

P3 = (4 Amps.)2 x 15 ohms

P3 = 240 Wa

Para obtene

Pt = P1 + P2 + P3

Pt = 80 Watts +

Pt = 480 Watts

Para comprobar e

Pfuente = I fuente x E fuente

Pfuente = 40 Am

Pfuente = 480 Watts

Se comprueba que la potenci

de los resistores.

Reglas Para Circuitos de Corriente Directa en Serie

A

circuitos serie. Para facilitar su estudio, se han agru

R

avanzada de los circuitos.

1.- En un circuito serie, la misma corriente fluye por cada parte del circuito:

It = I1 = I2 = I3 = - - - -In 2.- La resistencia total de

individuales:

Rt = R1 + R2 + R3 + - - - - 3.- El voltaje total a través de un circuito serie es igual a la suma de las caídas de

voltaje individ

Et = E1 + E2 + E3 + - - - - -En

65

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación 4.- La caída de voltaje a través de un resistor en un circuito serie es proporcional al

valor del resistor.

5.- La potencia total en un circuito serie es igual a la suma de las potencias

1 + P2 + P3 + - - - - -Pn

os siguiente ejemplos muestran el procedimiento para resolver problemas en

jemplo: Tres resistores de: 5 Ohms, 10 Ohms y 15 Ohms, están conectados en

alor de la resistencia total?.

or de la potencia total del

resolver el problema, primero

ión calcule la corriente del

10 Ohms

Ohms

individuales de cada componente.

Pt = P

Análisis en circuitos serie

L

circuitos serie.

E

serie con una fuente de 90 Volts. (Figura 1.14.8).

a.- ¿Cuál es el v

b.- ¿Cuál es el valor de la corriente del circuito?

c.- ¿Cuál es el valor de la caída de voltaje

en cada resistor?

d.- ¿Cuál es el valor de la potencia en cada

resistor?

e.- ¿Cuál es el val

circuito?

Para

encuentre la resistencia total. A

continuac

circuito. Una vez que se conozca la

corriente, calcule las caídas de

voltaje y las potencias.

Datos:

Fig. 1.14.8 Circuito serie

R1 = 5 Ohms

R2 =

R3 = 15

66

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Et = 90 Volts

Solución (a):

3

10 Ohms + 15 Ohms

olts

-----

30 Ohms

s

Solución (c):

1 = 3 Amp. X 5 Ohms

x 15 Volts

P1 = 45 Watts

Rt = R1 + R2 + R

Rt = 5 Ohms +

Rt = 30 Ohms

Solución (b):

Et

I = -----

Rt

90 V

I = ------

I = 3 Ampere

E1 = I x R1

E

E1 = 15 Volts

E2 = I x R2

E2 = 3 Amp. X 10 Ohms

E2 = 30 Volts

E3 = I x R3

E3 = 3 Amp. X 15 Ohms

E3 = 45 Volts

Solución

(d):

P1 = I x E1

P1 = 3 Amps.

67

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación P2 =

P

I x E2

s. x 30 Volts

s. x 45 Volts

):

2 + P3

+ 135 Watts

resistores: (R1=10 Ohms, R2=10 Ohms, R3=50 Ohms y R4=30

una fuente. (Figura 1.14.9). La corriente en el

Amper.

.- ¿Cuál es el Voltaje de la batería?

consumida en

R4 = 30 Ohms

n (a):

2 = 3 Amp

P2 = 90 Watts

P3 = I x E3

P3 = 3 Amp

P3 = 135 Watts

Solución (e

Pt = Et x I

Pt = 90 Volts x 3 Amps.

Pt = 270 Watts

ó

Pt = P1 + P

Pt = 45 Watts + 90 Watts

Pt = 270 Watts

Ejemplo: Cuatro

Ohms), están conectados en serie con

circuito es de ½

a

Fig. 1.14.9 Circuito serie

b.- ¿Cuál es el voltaje a través de cada

resistor?

c.- ¿Cuál es la potencia

cada resistor?

d.- ¿Cuál es la potencia total?

Datos:

R1 = 10 Ohms R2 = 10 Ohms

R3 = 50 Ohms

I = 0.5 Amps.

Solució

Et = I x Rt

Rt = R1 + R2 + R3 + R4

68

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Rt = 10 Ohms + 10 Ohms + 50 Ohms + 30 Ohms

Rt = 100 Ohms

Et = 0.5 Amp. X 100 Ohms

p. X 10 Ohms

p. X 50 Ohms

p. X 30 Ohms

):

ps. x 5 Volts

ps. x 25 Volts

ps. x 15 Volts

Et = 50 Volts

Solución (b):

E1 = I x R1

E1 = 0.5 Amp. X 10 Ohms

E1 = 5 Volts

E2 = I x R2

E2 = 0.5 Am

E2 = 5 Volts

E3 = I x R3

E3 = 0.5 Am

E3 = 25 Volts

E4 = I x R4

E4 = 0.5 Am

E4 = 15 Volts

Solución (c

P1 = I x E1

P1 = 0.5 Amps. x 5 Volts

P1 = 2.5 Watts

P2 = I x E2

P2 = 0.5 Am

P2 = 2.5 Watts

P3 = I x E3

P3 = 0.5 Am

P3 = 12.5 Watts

P4 = I x E4

P2 = 0.5 Am

P2 = 7.5 Watts

Solución (d):

69

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Pt = P1 + P2 + P3 +P4 Pt = 2.5 Watts + 2.5 Watts + 12.5 Watts + 7.5 Watts

E2

olts)2

---

hms

s

aplique la Ley de Ohm a un circuito serie, se debe tener en cuenta si los

alores que se usan son valores de los componentes ó valores totales. Cuando la

ponible permite el uso de la Ley de Ohm para encontrar resistencia

tal, voltaje total ó corriente total, deben insertarse valores totales en la fórmula.

t

orriente total

Pt = 25 Watts

ó

Pt = Et x I

Pt = 50 Volts x 0.5 Amps.

Pt = 25 Watts

Pt = --------

Rt

(50 V

Pt = ----------

100 O

2,500

Pt = --------

100

Pt = 25 Watt

Cuando se

v

información dis

to

Para encontrar resistencia total

Et

Rt = -----

It

Para encontrar el Voltaje total

Et = It x R

Para encontrar la c

70

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Et

It = -----

Rt

Nota: En un circuito serie, It es igual a I. De cualquier manera, la distinción entre It e I

r, ya que en circuitos futuros puede haber varias corrientes. En

rio diferenciar entre una y otra corriente.

ara calcular cualquier cantidad ( E, I, R ó P ), asociada con un resistor dado,

r.

oltaje a través de un resistor

x

orriente que circula por un resistor

Ex

voltaje

licación de la Ley de Ohm desarrollando un

imple concepto relacionado con los voltajes contenidos en un circuito serie cerrado.

establece:

En un circuito eléctrico cerrado, la suma algebraica de las caídas de voltaje y las

Fuerzas Electromotrices es cero”.

debe hacerse nota

ese caso es necesa

P

obtenga los valores usados en la fórmula, tomándolos del resistor particular. Por

ejemplo, para encontrar el valor de una resistencia desconocida, use el voltaje

aplicado y la corriente que circula por ese resistor en particula

Para encontrar el valor de un resistor

Ex

Rx = -----

Ix

Para encontrar el V

Ex = Ix x R

Para encontrar la c

Ix= -------

Rx

Ley de Kirchoff del En 1847, G. R. Kirchoff extendió la ap

s

La Ley de Kirchoff del voltaje

“

71

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Estableciendo la Ley de Kirchoff de otra manera, las Caídas de Voltaje y las Fuerzas

Electromotrices de un circuito son iguales en cualquier instante. Si se asume que las

Fuentes de Voltaje tienen un signo (positivo ó negativo) en ese instante, y las Caídas

stán conectados en serie a través de una fuente de 50

ticas se usan en circuitos eléctricos a le largo del

lectricidad y la electrónica.

re cuando se opera un interruptor, puede

de Voltaje tienen signo opuesto, el resultado de sumar las fuentes de voltaje y las

caídas de tensión es cero.

Por medio del uso de la Ley de Kirchoff, pueden resolverse problemas que serían

difíciles ó imposibles de resolver solamente con el conocimiento de la ley de Ohm.

Cuando la Ley de Kirchoff es aplicada de forma apropiada puede adecuarse para

calcular valores desconocidos en un circuito cerrado.

Ejemplo: Tres resistores e

Volts. ¿Cuál es el voltaje a través del tercer resistor, si las caídas de voltaje a través

del primero y segundo resistor son de 25 Volts y 15 Volts respectivamente ?

La regla básica del voltaje en serie establece:

Et = E1 + E2 + E3

Ya que los valores de voltaje E1 y E2, así como el voltaje de la fuente ( Et ), son

valores conocidos, la ecuación puede escribirse con los valores conocidos.

50 Volts = 25 Volts + 15 Volts + Ex (valor desconocido)

Por lo tanto:

Ex = 50 volts – 25 Volts – 15 Volts

Ex = 10 volts

1.15.- Definiciones y características de los circuitos

Los siguientes términos y caracterís

estudio de la e

Circuito Abierto

Un circuito está abierto cuando se interrumpe la trayectoria conductora. Aunque la

apertura de un circuito normalmente ocur

72

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación ocurrir también accidentalmente. Para restablecer la operación apropiada del circuito,

ebe localizarse la apertura y efectuar la

tales como resistores quemados

omponente abierto.

dos resistores y un fusible. Nótese el

a corriente deja de fluir. Por lo tanto,

. Los extremos del circuito conductor

atería y el voltaje a

toria accidental, a través de la cual pasa una cantidad

normalmente alta de corriente. Existe un corto-circuito siempre que la resistencia

una de sus partes cae a un valor muy bajo, cercano a cero Ohms.

n corto-circuito ocurre a menudo como consecuencia de alambrado incorrecto ó

falla de aislamiento.

d

Fig. 1.15.1 Circuito abierto

reparación.

Algunas veces, un circuito abierto puede

localizarse inspeccionando visualmente los

componentes del circuito. Componentes

defectuosos,

ó rotos puede ser encontrados con éste

método. Otros, tales como una rotura en un

alambre forrado, o el listón de un fusible

fundido, no son visibles.

En tales condiciones, el entender el efecto que

un circuito abierto tiene en las condiciones del

circuito, permite al técnico usar el equipo de

prueba para localizar el c

En la Figura 1.15.1, el circuito serie consiste de

efecto en el circuito cuando el fusible se abre. L

no hay caída de voltaje a través de los resistores

abierto se convierten en una extensión de las terminales de la b

través de ellos es igual al voltaje aplicado (EA).

Un circuito abierto tiene resistencia infinita. Infinito, significa un valor tan grande que

no puede ser medido. El símbolo de infinito es la letra griega alfa minúscula ( α ).

En un circuito abierto: Rt = α

Corto-Circuito

Un corto-circuito es una trayec

a

del circuito ó de

U

73

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación En la Figura 1.15.2, se muestra un

corto-circuito causado por alambrado

incorrecto. Nótese el efecto en el flujo

de corriente. Como el resistor (R1) han

sido reemplazado con un pedazo de

dad de

trayectoria se redujo de 10,010 Ohms a 10

2) se

e destruirá.

a pictográfico más que esquemático, para

alambre, prácticamente toda la

corriente pasa a través del corto, y

muy poca corriente pasa por el resistor

(R1).

Los electrones fluyen a través del

corto (una trayectoria de cero

resistencia) y a través del resto del

circuito, pasando por el resistor de 10

Ohms (R2) y la batería. La canti corriente fluyendo se incrementa a un valor

muy grande, porque la resistencia de la

Ohms. Debido a la corriente excesiva fluyendo, el resistor de 10 Ohms (R

calienta. Al tratar de disipar este calor, el

La Figura 1.15.3, muestra un diagram

indicar como una falla de aislamiento puede causar un corto-circuito.

resistor probablemente s

Fig. 1.15.2 Corto circuito

Fig. 1.15.3 Corto circuito

74

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Resistencia de La Fuente

n instrumento de medición conectado a través de una pila de 1.5 Volts en buenas

ondiciones, dará una lectura de alrededor de 1.5 Volts. Cuando la misma pila es

sertada en un circuito completo, la lectura del instrumento decrece a menos de 1.5

voltaje entre terminales es causada por la resistencia

terna de la pila (la oposición al paso de la corriente que presenta el electrólito de la

Ri. En el diagrama esquemático, la resistencia interna está representada por

as de voltaje en todo el circuito. La corriente de 2 Amperes

U

c

in

Volts. Esta diferencia en el

in

pila).

Todas las fuentes de Fuerza Electromotriz tienen alguna forma de resistencia interna,

la cual causa una caída de voltaje en sus terminales cuando la corriente fluye a

través de la fuente.

La Figura 1.15.4, ilustra este principio, mostrando la resistencia interna de la batería

como

una resistencia adicional en serie con la batería. Con el interruptor abierto, el voltaje

a través de la batería es de 15 Volts. Cuando el interruptor se cierra, el flujo de

corriente causa caíd

causa una caída de voltaje de 2 Volts a través de R1. Por esto, la resistencia interna

de 1 Ohm de la batería hace que el voltaje entre terminales caiga a 13 Volts.

Fig. 1.15.4 Resistencia interna de la fuente

75

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación La resistencia interna de una fuente no puede ser medida directamente con un

strumento. Cualquier intento de hacerlo, podría dañar el instrumento.

ransferencia de Potencia y Eficiencia

ndo la

esistencia interna de la fuente. La tabla y la

teoría. Cuando la resistencia interna de la

arga es de 5 Ohms, igualando la resistencia interna de la fuente, se obtiene la

mente más grande que el valor de la

resistencia de carga relativamente más grande que la resistencia

in

T

La potencia máxima es transferida desde la fuente hasta la carga cua

resistencia de la carga es igual a la r

gráfica de la Figura 1.15.5, ilustran esta

c

máxima potencia de 500 Watts en la carga.

La eficiencia de la transferencia de potencia (relación entre la potencia de salida y la

potencia de entrada) desde la fuente hacia la carga, se incrementa si el valor de la

resistencia de carga se incrementa. La eficiencia se aproxima al 100 % cuando la

resistencia de carga tiene un valor relativa

resistencia interna de la fuente, debido a que hay menor pérdida de potencia en la

fuente. La eficiencia de la transferencia de potencia es solamente del 50 % en el

punto de transferencia máxima de potencia (cuando la resistencia de carga es igual a

la resistencia interna de la fuente). La eficiencia de transferencia de potencia se

aproxima a cero, cuando la resistencia de carga es relativamente menor, comparada

con la resistencia interna de la fuente. Esto también se muestra en la gráfica de la

Figura 1.15.5.

El problema de obtener tanto la máxima potencia, como la máxima eficiencia en la

transferencia de potencia se resuelve evaluando cuál es el factor más importante.

Cuando la cantidad de potencia es muy grande y la eficiencia es importante, se

selecciona una

interna de la fuente, lo que las pérdidas se mantienen bajas. En este caso, la

eficiencia es alta.

Cuando el problema es acoplar la fuente con la carga de manera que se obtenga la

máxima potencia de salida, como sucede en los circuitos de comunicación, donde

una señal fuerte es más importante que un alto porcentaje de eficiencia, puede

76

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación preferirse una eficiencia del 50 %, sin embargo, la potencia transferida es la máxima

que la fuente puede suministrar.

Fig. 1.15.5 Transferencia de potencia y eficiencia

1.16.- Circuitos de corriente directa en paralelo

ctoria para la corriente. Otro circuito eléctrico

ásico es el Circuito Paralelo. Mientras que el circuito serie tiene una sola trayectoria

una trayectoria para la corriente.

as Leyes de Ohm y Kirchoff se aplican a todos los circuitos eléctricos, pero las

Los circuitos serie tienen una sola traye

b

para la corriente, el circuito paralelo tiene más de

L

77

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación características de un circuito paralelo de CD son diferentes a las de un circuito serie

de CD.

Características

Un circuito paralelo tiene más de una trayectoria de corriente conectada a una

ente común de voltaje. De ahí, que los circuitos paralelo pueden contener dos ó

que no están conectadas en serie. La Figura 1.16.1, muestra un

jemplo de un circuito paralelo básico.

or los

serie, el voltaje de la fuente se divide

l circuito. En un Circuito Paralelo, ese

(sección del circuito que tiene una

Figura 44, este voltaje, es igual al

rse en forma de una ecuación:

tor de un circuito paralelo es de 12

fu

más resistencias

e

Iniciando en la fuente de voltaje Et, y

siguiendo hacia la izquierda alrededor del

circuito en la Figura 1.16.1, se pueden

identificar dos caminos separados p

que puede fluir la corriente. Se puede seguir

un camino desde la fuente, a través de la

resistencia R1, y de regreso a la fuente. El

otro camino es desde la fuente, a través de la

resistencia R2, y de regreso hasta la fuente.

Voltaje en un Circuito Paralelo.- En un circuito

proporcionalmente a través de cada resistor de

mismo voltaje está presente en cada rama

trayectoria completa para la corriente). En la

voltaje aplicado ( Et ). Esto puede expresa

Fig. 1.16.1 Circuito en paralelo

Et = E1 = E2 = E3 = En Las mediciones de voltaje hechas a través de los resistores de un circuito paralelo,

verifican esta ecuación, (Figura 1.16.2). Cada medidor indica el mismo valor de

voltaje. Nótese que el voltaje a través de cada resistor es el mismo que el voltaje

aplicado al circuito.

Ejemplo: La corriente a través de un resis

Amperes, y el valor del resistor es de 10 Ohms. Determine el voltaje de la fuente. La

Figura 1.16.3, muestra el circuito.

78

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Datos:

R2 = 10 Ohms

I2 = 12 Amperes

Solución:

E2 = I2 x R2

E2 = 12 Amps. x 10 Ohms

ralelo.- La Ley de

e que la corriente en un

circuito. Esto es válido tanto

ara circuitos serie como para circuitos

rcuito paralelo, la corriente de la

nte en circuitos

do.

E2 = 120 Volts

Et = E2 Fig. 1.16.2 Circuito paralelo

Et = 120 Volts

Corriente en un Circuito Pa

Ohm, establec

circuito es inversamente proporcional a la

resistencia del

p

paralelo.

En los circuitos serie hay una sola trayectoria

para la corriente. El valor de la corriente está

determinada por la resistencia total del

circuito y el voltaje aplicado.

En un ci

fuente se divide entre las trayectorias

disponibles.

Las siguientes ilustraciones muestran el

comportamiento de la corrie

paralelo, usando ejemplos con diferente

valores de resistencia, para un valor dado de

voltaje aplica

Fig. 1.16.3 Circuito Paralelo

La Figura 1.16.4, vista A, muestra un circuito

serie básico. Aquí, la corriente pasa a través

de un solo resistor. El valor de la corriente

Fig. 1.16.4 Circuito Paralelo

79

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación puede ser determinado como sigue:

Datos:

Et = 50 Volts

R1 = 10 Ohms

= -----

olts

= -------------

a vista B, muestra el mismo resistor (R1), con un segundo resistor (R2) de igual

en paralelo a través de la fuente de voltaje. Cuando se aplica la Ley

ms

E2

Solución:

E

I = -----

R

Et

It

R1

50 V

It

10 Ohms

It = 5 Amperes

L

valor, conectado

de Ohm, el flujo de corriente a través de cada resistor se calcula de la misma manera

que la corriente a través del resistor único en la vista A.

Datos:

Et = 50 Volts

R1 = 10 Oh

R2 = 10 Ohms

Solución:

E

I = -----

R

Et = E1 =

80

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

E1

I1 = -----

olts

= -------------

= -----

olts

= -------------

iente de 5 Amperes a través de cada uno de los dos resistores, debe

aber una corriente total de 10 Amperes fluyendo hacia la fuente. La corriente total

R1

50V

I1 10 Ohms

I1 = 5 Amperes

E2

I2 R2

50 V

I2 10 Ohms

I2 = 5 Amperes

Si fluye una corr

h

de 10 Amperes, sale de la terminal negativa y fluye hasta el punto a (vista B). El

punto a, llamado nodo, es el punto de conexión de dos resistores. En el nodo a, la

corriente total se divide en dos corrientes de 5 Amperes cada una. Estas dos

corrientes fluyen a través de sus respectivos resistores y se reúnen en el nodo b. La

corriente total fluye entonces desde el nodo b, hasta regresar a la terminal positiva

de la fuente. La fuente, suministra un total de corriente de 10 Amperes, y cada uno

de los dos resistores iguales conduce una mitad de esta corriente.

81

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Cada trayectoria de la corriente en el circuito de la vista B es una rama. Cada rama

conduce una corriente que es una porción de la corriente total. Dos ó más ramas

ción general:

ito en la Figura 1.16.5, vista B. Note

duplicando el valor del resistor de la segunda rama ( R2 ), no se afecta la

ms

---

= -----

forman una red.

Las características de la corriente en un circuito paralelo pueden ser expresadas por

la siguiente ecua

It = I1 + I2 + I3 + - - - - -In

Compare la Figura 1.16.4, vista A, con el circu

que

corriente en la primera rama ( I1 ). Sin

embargo, esto reduce la corriente en la

segunda rama ( I2 ) a la mitad de su valor

original. La corriente total del circuito cae a

un valor igual a la suma de las corrientes en

las dos ramas. Esto se verifica con los

siguientes cálculos:

Datos:

Et = 50 Volts

Fig. 1.16.5 Circuito Pararlelo

R1 = 10 Oh

R2 = 20 Ohms

Solución:

E

I = --

R

Et = E1 = E2

E1

I1 R1

82

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

50Volts

= -------------

----

50 Volts

= -------------

s

= I1 + I2Amps.

ps.

en las ramas y la corriente total del circuito en la Figura

está determinada por los siguientes cálculos:

= -----

I1 10 Ohms

I1 = 5 Amperes

E2

I2 = -

R2

I2 20 Ohms

I2 = 2.5 Ampere

It

It = 5 Amps + 2.5

It = 7.5 Am

El valor de las corrientes

1.16.5, vista B,

Et = 50 Volts

R1 = 10 Ohms

R2 = 10 Ohms

R3 = 10 Ohms

E

I

R

83

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Et = E1 = E2 = E3

= -----

Volts

= -------------

= -----

Volts

= -------------

= -----

Volts

= -------------

E1

I1 R1

50

I1 10 Ohms

I1 = 5 Amperes

E2

I2 R2

50

I2 10 Ohms

I2 = 5 Amperes

E3

I3 R3

50

I3 10 Ohms

I3 = 5 Amperes

84

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación It = I1 + I2 + I3

Amps. + 5 Amps

suma de los valores de resistencia de los tres resistores en ambos

ircuitos de la Figura 1.16.4, son iguales (30 Ohms), y que el voltaje aplicado es el

está descrito por la Ley de Kirchoff para la

a + Ib + Ic + - - - In = 0 an o salen de un nodo.

consideradas positivas, y las corrientes que

problemas

s.

ción:

- - In = 0

It = 5 Amps + 5

It =15 Amps.

Nótese que la

c

mismo (50 Volts). Sin embargo, la corriente total en el circuito de la vista B (15

Amperes), es lo doble que el del circuito de la vista A (7.5 Amperes). Esto pone de

manifiesto que tanto la forma en que se conectan los resistores, como su valor de

resistencia, afectan la corriente total.

La división de las corrientes en una red de resistencias en paralelo sigue un

esquema específico. Este esquema

corriente, la cual establece:

“La suma algebraica de las corrientes que entran ó salen de un nodo de conductores

es igual a cero”.

Esta ley se representa matemáticamente como:

IEn donde : Ia, Ib,....In, son las corrientes que entr

Las corrientes que entran a un nodo son

salen de un nodo, son consideradas negativas. Cuando se resuelven

utilizando la Ley de Kirchoff para la corriente, las corrientes deben colocarse en la

ecuación con el signo de polaridad apropiado.

Ejemplo: Determine el valor de I3 en la Figura 1.16.6.

Datos:

Fig 1.16.6 Corrientes en un nodo

I1 = 10 Amps.

I2 = 3 Amp

I3 = ?

I4 = 5 Amps.

Solu

Ia + Ib + Ic + -

85

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Los valores de las corrientes se ponen en la ecuación con el signo apropiado:

Amps. –3 Amps. +I3 –5Amps = 0

una corriente que

conectados en paralelo a través de una batería de 5 Volts. Cada

er.

calcula usando los valores de voltaje total ( Et ) y

-

+10

I3 + 2 Amps. = 0

I3 = - 2 Amps.

I3 tiene un valor de 2 Amperes, el signo negativo muestra que es

sale del nodo.

Resistencia en un circuito Paralelo.- El diagrama del ejemplo (Figura 1.16.7), tiene

dos resistores

resistencia tiene un valor de 10 Ohms.

Se muestra un Circuito eléctrico

completo, formado por dos

trayectorias y flujos de corriente.

Para calcular la corriente, se

observa que hay ½ Amper de

corriente a través de cada

resistencia. Por lo que la

corriente total fluyendo de la

batería al nodo de resistores y

regresando a la batería es de 1 Amp

La resistencia total del circuito se

corriente total ( It ).

Fig. 1.16.7 Circuito Paralelo

Datos:

Et = 5 Volts

It = 1 Amp.

Solución:

E R = ----- I Et Rt = ---- It

86

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación 5 Volts

emuestra que la resistencia total, o sea 5 Ohms, es la mitad del valor

ualquiera de los dos resistores.

eq ).

un circuito dado, depende de la cantidad y el valor de los

un resistor

para cualquier cantidad de resistencias del mismo valor en

equivalente?.

ms

Rt = ------------

1 Amp.

Rt = 5 Ohms

Este cálculo d

de c

La resistencia total de un circuito paralelo, es menor que cualquiera de las resistencia

individuales.

La resistencia total de un circuito paralelo, también se conoce como Resistencia

Equivalente (R

Hay varios métodos para determinar la resistencia equivalente de un circuito. El

mejor método para

resistores. Para el circuito descrito anteriormente, en el cual todos los resistores

tienen el mismo valor, se utiliza la siguiente fórmula:

R Rt = ----- N Donde:

Rt = Resistencia total en paralelo

R = Valor de

N = Número de resistores

Esta ecuación es válida

paralelo.

Ejemplo: Cuatro resistores de 40 Ohms están conectadas en paralelo. ¿Cuál es su

resistencia

Datos:

R1 = R2 = R3 = R4

R1 = 40 Oh

87

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación R

Rt = -----

hms

---------

s

.8, muestra dos resistores de diferente valor conectados en paralelo.

o se conoce la corriente total, se puede calcular la resistencia equivalente.

.

t = -----

olts

t = ------------

a resistencia total del circuito en la Figura 1.16.8, es más pequeña que la de

los dos resistores (R1, R2). Un punto que es importante recordar es

s . La fórmula general para resistores en paralelo es:

N

40 O

Rt = -----

4

Rt = 10 Ohm

La Figura 1.16

Com

Datos:

Et = 30 Volts

Fig. 1.16.8 Circuito Paralelo

It = 15 Amp

Solución:

Et

R

It

30V

R

15 Amp.

Rt = 2 Ohms

L

cualquiera de

que: la resistencia total de un circuito paralelo siempre es menor que la de valor más

pequeño del circuito.

Método de los inversos.- Este método está basado en usar los inversos de los

valores de resistencia

88

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación 1

------------------

1 1 1

a fórmula generalmente se usa para encontrar la resistencia equivalente de

ualquier número de resistencias de diferentes valores.

ms

Solución:

1

t = -------------------------------------

1

Rt = ------------------- ------ + ------- + ------ R1 R2 Rn L

c

Ejemplo: Tres resistores están

conectados como se muestra en la

Figura 1.16.9. Los valores de resistencia

son: R1 = 20 Ohms, R2 = 30 Ohms y R3

= 40 Ohms. ¿Cuál es la resistencia

equivalente?. Utilice el método de los

inversos.

Datos:

R1 = 20 Oh

Fig. 1.16.9 Circuito Paralelo

R2 = 30 Ohms

R3 = 30 Ohms

R

1 1

------ + ------- + ------

R1 R2 Rn

89

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

1

Rt = -----------------------------------------------------

1

ms

---------------------------------------

3

ms

t = ---------------

---------------

ducto-sobre-la-suma.- Un método conveniente para encontrar la

sistencia equivalente de dos resistores en paralelo, es usando la fórmula del

Rt = ---------------

1 1

-------------- + -------------- + -------------

20 Ohms 30 Ohms 40 Oh

1

Rt = ------------------

6 4

-------------- + -------------- + ---------------

120 Ohms 120 Ohms 120 Oh

1

R

13

----------------

120 Ohms

13

Rt =

120

Rt = 9.23 Ohms

Método del Pro

re

producto-sobre-la-suma.

R1 x R2

R1 + R2

90

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Ejemplo: ¿Cuál es la resistencia equivalente de dos resistores, de 20 Ohms y 30

hms, conectados en paralelo, como en la Figura 1.16.10 ?

ms

---

t = ----------------------------------

t = --------------- Rt = 12 Ohms

producto-sobre-la-suma, puede utilizarse sólo con dos valores de

sistencia a la vez. Si se requiere calcular el valor de tres ó más resistores, combine

ismo que el que se hace en circuitos serie. La potencia total es

O

Datos:

R1 = 20 Ohms

Fig. 1.16.10 Circuito Paralelo

R2 = 30 Oh

Solución:

R1 x R2

Rt = ------------

R1 + R2

20 Ohms x 30 Ohms

R

20 Ohms + 30 Ohms

600 Ohms

R

50 Ohms

El método del

re

cualquier par de resistores en un equivalente, después combine este equivalente con

otro de los resistores restantes, con lo que se obtiene un nuevo equivalente, ahora

combine este nuevo equivalente con un resistor restante, y así, hasta obtener el

equivalente total.

Potencia en Circuitos en Paralelo.- El cálculo de la potencia en Circuitos Paralelo, es

básicamente el m

igual a la suma de las potencias consumidas por las resistencias individuales. Igual

que en los circuitos serie, la potencia total consumida en un circuito paralelo es:

91

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Pt = P1 + P2 + P3 + - - - - -Pn

Ejemplo: Encuentre la potencia total consumida en el circuito de la Figura 1.16.11.

Amps.

2 x 10 Ohms

= 250 Watts

100 W

3

s + 50 Watts

el voltaje de la fuente y la corriente total, la potencia total puede

n:

x 8 Amps.

s

R1 = 10 Ohms

I1 = 5

Fig. 1.16.11 Circuito Paralelo

R2 = 25 Ohms

I2 = 2 Amps.R3 = 50 Ohms

I3 = 1 Amp

Solución:

P = I2 R

P1 = (I1)2 R1

P1 = (5 Amps)

P1

P2 = (I2) R22

P2 = (2 Amps)2 x 25 Ohms

P2 = atts

P3 = (I3)2 R3

P3 = (1 Amp)2 x 50 Ohms

P3 = 50 Watts

Pt = P1 + P2 + P

Pt = 250 Watts + 100 Watt

Pt = 400 Watts

Ya que se conocen

ser también calculada :

Datos:

Et = 5 Volts

It = 1 Amp.

Solució

Pt = Et x It

Pt = 50 Volts

Pt = 400 Watt

92

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Circuitos Equivalentes

n el estudio de la electricidad, a menudo es necesario reducir un circuito complejo

ualquier circuito complejo formado por resistencias, puede

er reducido a un circuito básico equivalente, el cual contiene la fuente de voltaje y

iginal. Para crear el

ms

hms

---------

3

ue se conoce la resistencia equivalente, se dibuja un nuevo circuito,

onsistente de un solo resistor (que representa la resistencia equivalente) y la fuente

ra 1.16.12, vista B)

E

a una forma más simple. C

s

un solo resistor, que representa la resistencia total. Este proceso se llama reducción

a un circuito equivalente.

La Figura 1.16.12, muestra un circuito paralelo con tres resistores del mismo valor y

el circuito equivalente. El circuito paralelo de

la vista A, es el circuito or

circuito equivalente, primero calcule la

resistencia equivalente:

Datos:

R1 = 10 Ohms

R2 = 10 Ohms

Fig. 1.16.12 Circuito Equivalente

R3 = 10 Oh

Solución:

R

Rt = -----

N

45 O

Rt = -----

Rt = 15 Ohms

Una vez q

c

de voltaje (Figu

93

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Reglas para Circuitos de Corriente Directa en Paralelo

Las siguientes son Reglas para Circuitos de Corriente Directa en Paralelo:

.- A través de cada rama de un circuito paralelo existe el mismo voltaje, y es igual al

Et = E1 = E2 = E3 = - - - - -En corrientes

It = I1 + I2 + I3 + - - - - -In cula con la fórmula general ó

1 ----

-- + ------ Rn

o, es igual a la suma de las

stencia, voltaje, corriente y

mente como en los circuitos

erie. El procedimiento es el mismo:

s en la fórmulas seleccionadas, para encontrar

1

de la fuente.

2.- La corriente total en un circuito paralelo es igual a la suma de las

individuales de las ramas del circuito.

3.- La resistencia total de un circuito paralelo se cal

alguna de las fórmulas derivadas de ésta.

Rt = --------------------------------- 1 1 1 ------ + ----- R1 R2

4.- La potencia total consumida por un circuito paralel

potencias consumidas por las resistencias individuales.

Pt = P1 + P2 + P3 + - - - - -Pn Problemas con Circuitos en Paralelo Los problemas relacionados con el cálculo de resi

potencia en circuitos paralelo, se resuelven tan simple

s

1.- Dibuje un diagrama del circuito

2.- Establezca los valores dados y los valores a encontrar.

3.- Seleccione las fórmulas a utilizar para encontrar los valores desconocidos, en

base a los valores conocidos.

4.- Substituya los valores conocido

los valores desconocidos.

94

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Ejemplo: Un circuito paralelo consiste de cinco resistores, el valor de cada resistor se

conoce, y la corriente a través de R1 se conoce. Calcule el valor de la resistencia

resistores R2, R3, R4 y R5.

Datos:

ms

I2, I3, I4, I5, P1, P2, P3, P4, P5

r una cantidad grande de manipulaciones matemáticas. Sin embargo,

so-por-paso, simplifica la resolución del problema. El primer paso es

ito y registrar en él los valores conocidos (Figura 1.16.13).

alcular Rt, la potencia en R1, ó el voltaje a través de R1, que es igual al de la fuente

t, y que es el mismo aplicado a través de todos los resistores. Encontrar Rt ó la

otencia consumida por R1, no ayuda a encontrar los otros valores desconocidos.

total, la potencia total, el voltaje de la fuente, la potencia consumida por cada resistor

y la corriente a través delos

R1 = 20 Ohms

R2 = 30 Ohms

R3 = 18 Ohms

R4 = 18 Ohms

R5 = 18 Oh

I1 = 9 Amps.

Encontrar:

Rt, Et, It, Pt,

Esto parece se

el proceso pa

dibujar el circu

Hay Varias maneras de atacar este problema. Con los valores dados, se puede Fig. 1.16.13 Circuito Paralelo

c

E

p

95

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Una vez que se conozca el voltaje a través de R1, este valor ayudará a calcular los

otros valores desconocidos, de ahí que lo lógico sea encontrar el voltaje de la fuente

(el voltaje a través de R1 ).

Datos:

R1= 20 Ohms

I1 = 9 Amps.

E1 = Et

n:

x 20 Ohms

volts.

se conoce el voltaje de la fuente, se puede encontrar la corriente en cada

t = 180 volts.

Ohms

ms

Volts

-------

hms

Solució

Et = I1 x R1

Et = 9 Amps.

Et = 180

Ahora que

rama:

Datos:

E

R2 = 30 Ohms

R3 = 18

R4 = 18 Oh

R5 = 18 Ohms

Solución:

Et

I2 = -----

R2

180

I2 = -------

30 O

I2 = 6 Amps.

96

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Et

= -----

Volts

-------

hms

5 , y el voltaje es el mismo a través de cada rama:

= 10 Amps.

alculando la resistencia total:

1 1 1

+ ----- + ----- + -----

I3 R3

180

I3 = -------

18 O

I3 = 10 Amps.

Como: R3 = R4 = R

I4I5 = 10 Amps.

C

Solución:

1 1 1

---- = ----- + ----

Rt R1 R2 R3 R4 R5

1 1 1 1 1 1

---- = ----- + ---- + ----- + ----- + -----

Rt R1 R2 R3 R4 R5

1 9 + 6 + 10 + 10 + 10

---- = -------------------------------

Rt 180

1 45

---- = --------

Rt 180

97

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

180

Rt = --------

45

Rt = 4 Ohms

Se puede usar un método alterno para encontrar Rt . Se observa que los resistores:

3, R4 y R5, son iguales. De ahí que se pueden sustituir por un solo resistor

se calcula su resistencia total.

Datos:

---------

hms

ser re-dibujado, usando la resistencia designada como Req1, en

cias R3, R4 y R5, (Figura 1.16.14).

larse un

tituya a

Solución:

R

equivalente si

R3, R4 y R5 = 18 Ohms

R

Req1 = -----

N

18 Ohms

Req1 = -----

3

Req1 = 6 O

El circuito puede

lugar de las resisten

Puede calcu

Fig. 1.16.14 Primera sustitución

resistor que sus

R1 y R2, utilizando la

fórmula del producto-

sobre-la-suma.

Datos:

R1 = 20 Ohms

R2 = 30 Ohms

98

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación R1 x R2

Req2 = -------------

2

20 x 30

--------

eq2 = --------

s

ede re-dibujarse nuevamente usando la resistencia designada como

de las resistencias R1 y R2, (Figura 1.16.15).

an dos resistencias en paralelo y puede usarse nuevamente el método

el producto-sobre-la-suma, para encontrar la resistencia total.

atos:

Req1 x Req 2

R1 + R

Req2 = -----

20 + 30

600

R

50

Req2 = 12 Ohm

El circuito pu

Req2, en lugar

Ahora, qued

d

D

Req1 = 6 Ohms

Req2 = 12 Ohms

Fig. 1.16.15 Segunda sustitución

Solución:

Rt = ------------------

Req1 + Req 2

99

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

12 Ohms

hms

coincide con el valor encontrado al usar la fórmula general para calcular la

otal de circuitos en paralelo.

puede ser re-dibujado nuevamente, como se muestra en la Figura 1.16.16,

puede calcularse la corriente total.

t = 180 volts

mperes.

ción puede comprobarse usando los valores anteriormente calculados para

s corrientes en las ramas.

6 Ohms x

Rt = ----------------------------

6 Ohms + 12 O

72

Rt = --------

18

Rt = 4 Ohms

Este valor

resistencia t

El circuito

y

Datos:

Fig. 1.16.16 Circuito Equivalente

E

Rt = 4 Ohms

Solución:

Et It = ----- Rt 180 VoltsIt = -------------- 4 Ohms

It = 45 A

Esta solu

la

Datos:

I1 = 9 Amps.

100

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación I2 = 6 Amps.

n:

- - In

6 Amps. + 10 Amps. + 10 Amps. + 10 Amps.

conoce el valor de la corriente total, el siguiente paso lógico es calcular

t = 180 volts

olución:

olts x 45 Amperes

tts = 8.1 KW

o la potencia en cada una de las ramas del circuito:

= 9 Amps.

= 10 Amps.

ps

I3 = 10 Amps.

I4 = 10 Amps.

I5 = 10 Amps.

Solució

It = I1 + I2 + -

It = 9 Amps. +

It = 45 Amps

Ahora que se

la potencia total.

Datos:

E

It = 45 Amps

S

P = E x I

Pt = Et x It

Pt = 180 V

Pt = 8,100 Wa

Calculand

Datos:

Et = 180 volts

I1

I2 = 6 Amps.

I3I4 = 10 Amps.

I5 = 10 Am

Solución:

101

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

P = E x I

P1 = Et x I1P1 = 180 Volts x 9 Amps.

tts

2

2 = 180 Volts x 6 Amps.

Watts

3 = 180 Volts x 10 Amps.

Watts

I4 = I5, entonces se cumple que: P3 = P4 = P5 = 1800 Watts. El

álculo anterior que se hizo de la potencia total puede ser comprobado ahora.

3 = 1,800 Watts

P4 + P5

1080 Watts + 1800 Watts + 1800 Watts + 1800 Watts

8.1 KW

P1 = 1,620 Wa

P2 = Et x I

P

P2 = 1,080

P3 = Et x I3P

P3 = 1,800

Debido a que: I3 =

c

Datos:

P1 = 1,620 Watts

P2 = 1,080 Watts

P

P4 = 1,800 Watts

P5 = 1,800 Watts

Solución:

Pt = P1 + P2 + P3 +

Pt = 1620 Watts +

Pt = 8,100 Watts

Pt =

102

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Circuitos de corriente directa serie-paralelo

de circuitos

o de circuitos se conocen como circuitos serie- paralelo. La

problemas en estos circuitos se logra simplemente con la aplicación de

s Leyes y Reglas discutidas hasta este punto.

roblemas con circuitos combinados

quivalentes. Para simplificar un circuito

ue contenga una sola carga, se

y

Existen circuitos que contienen elementos tanto de circuitos serie, como

paralelo. Este tip

resolución de

la

P

La técnica básica para la resolución de

problemas en circuitos combinados

consiste en utilizar circuitos

e

complejo y obtener un circuito simple

q

sustituyen (en el papel) los circuitos

complejos, por circuitos equivalentes.

Para demostrar el método utilizado para

resolver problemas con circuitos serie-

paralelo, se usará el circuito mostrado

en la Figura 1.16.17, vista A, para

calcular varios valores del circuito, tales

como: resistencia, corriente, voltaje

potencia.

Un examen del circuito, muestra que

con la información disponible,

solamente puede calcularse la

resistencia equivalente de R2 y R3.

Fig. 1.16.17 Circuito Serie-paralelo

103

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Datos:

R2 = 20 Ohms

R3 = 30 Ohms

(Aplicando la fórmula de

-- el-producto-sobre-la-suma)

20 x 30

600

2,3 = 12 Ohms

ha calculado la resistencia equivalente de R2 y R3 , el circuito puede

ado como un circuito serie (vista B).

a resistencia equivalente del circuito (resistencia total) puede ahora calcularse.

Datos:

n:

Solución:

R2 x R3

R2,3 = ------------

R2 + R3

R2,3 = --------------

20 + 30

R2,3 = ----------

50

R

Ahora que se

ser re-dibuj

L

R1 = 8 Ohms

R2,3 = 12 Ohms

Solució

104

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Rt = R1 + R2,3

Rt = 8 + 12

Rt = 20 Ohms

e ser re-dibujado con un solo resistor que representa la

quivalente de todo el circuito (vista C).

ara encontrar la corriente total del circuito:

Datos:

n:

Rt

60 Volts

--------

hms

= 3 Amps

la potencia total del circuito:

Datos

El circuito original pued

resistencia e

P

Et = 60 Volts

Rt = 20 Ohms

Solució

Et

It = -----

It = ------

20 O

It

Para encontrar

Et = 60 Volts

105

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación It = 3 Amps

Solución:

x 3 Amps.

s

trar las caídas de voltaje a través de R1, R2 y R3, refiérase a la Figura

2,3, representa el circuito paralelo formado por R2 y R3. Como el voltaje a través de

circuito paralelo es el mismo, el voltaje a través de R2,3, es el mismo

ue el voltaje a través de R2 y R3.

2,3 = 12 Ohms

s

x 12 Ohms

Pt = Et x It

Pt = 60 Volts

Pt = 180 Watt

Para encon

1.16.16, vista B.

R

cada rama de un

q

Datos:

It = 3 Amps

R1 = 8 Ohms (La corriente a través de cada parte de un circuito serie es igual a la

corriente total)

R

Solución:

E1 = I1 x R1

E1 = 3 Amps. x 8 Ohm

E1 = 24 Volts

E2 = E3 = E2,3

E2,3 = It x R2,3

E2,3 = 3 Amps.

106

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación E2,3 = 36 Volts

E2 = 36 Volts

E3 = 36 Volts

ara encontrar la corriente a través de R2 y R3, refiérase al circuito original, (Figura

A).

2 y E3, son conocidos por los cálculos hechos anteriormente.

Datos:

3 = 30 Ohms

R2

36 Volts

-------

hms

= 1.8 Amps.

R3

P

1.16.17, vista

E

E2 = 36 Volts

E3 = 36 Volts

R2 = 20 Ohms

R

Solución:

E2

I2 = -----

I2 = ------

20 O

I2

E3

I3 = -----

107

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

36 Volts

--

hms

= 1.8 Amps.

r la potencia consumida por las resistencias R2 y R3, usando los

ente calculados:

Datos:

= 1.8 Amps. ps.

Solución:

1.8 Amps.

ts

calcular las corrientes y voltajes en el circuito de la Figura 1.16.16, se

ión completa del circuito. La corriente total de 3 Amperes

ale de la terminal negativa de la batería y fluye a través del resistor de 8 Ohms (R1).

ída de voltaje de 24 Volts a través del resistor R1.

I3 = -----------

20 O

I3Para encontra

valores previam

E2 = 36 Volts

E3 = 36 Volts

I2I3 = 1.8 Am

P2 = E2 x I2

P2 = 36 Volts x

P2 = 64.8 Wat

P3 = E3 x I3

P3 = 36 Volts x 1.2 Amps.

P3 = 43.2 Watts

Después de

puede hacer una descripc

s

Ahí ocurre una ca

108

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación En el punto A, esta correinte de 3 Amperes se divide: 1.8 Amperes fluyen a través del

s dos ramas, se

anera regular de dirección. Esta corriente se denomina Corriente Alterna.

ue invierte su sentido a intervalos

na sola dirección. La amplitud de la

resistor de 30 Ohms y los restantes 1.2 Amperes fluyen a través del resistor de 20

Ohms. Esta corriente produce una caída de voltaje de 36 Volts a través del resistor

de 30 Ohms, (nótese que la caída de voltaje a través de los resistores de 20 y 30

Ohms es la misma). Las corrientes de 1.8 y 1.2 Amperes de la

combinan en el punto B, y el total de la corriente de 3 Amperes regresan a la fuente.

Los circuitos serie-paralelo no son tan difíciles de resolver. La clave para su solución

se basa en saber el orden en que se aplican los pasos de la solución. Primero

observe el circuito. De esta observación determine el tipo de circuito, los valores que

se conocen y los valores que deben determinarse.

Conceptos de Corriente Alterna Hasta ahora, en este manual, únicamente se ha mencionado la Corriente Directa;

esto es, aquella corriente que circula siempre en una misma dirección. Sin embargo,

una bobina girando en un campo magnético, genera una corriente que cambia de

m

Corriente Alterna y Corriente Directa

La Corriente Alterna es aquella que

cambia constantemente de amplitud y

q

regulares. La Corriente Directa fluye en

u

corriente está determinada por el

número de electrones que pasan a

través de un punto del circuito cada

segundo. Por ejemplo: si un Coulomb de

electrones pasan por un punto de un

alambre en un segundo, y todos los

electrones se mueven en la misma

Fig. 1.16.18 Comparación de Corriente Alterna y Corriente Directa

109

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación dirección, la amplitud de la Corriente Directa en el alambre es de 1 Amper.

De manera similar, si medio Coulomb de electrones moviéndose en una dirección

pasa por un punto del alambre en medio segundo, y entonces invierte su dirección y

se mueve pasando por el mismo punto durante el siguiente medio segundo, un total

uando el uso comercial de la electricidad se difundió, se hicieron aparentes ciertas

ara de manera comercial Corriente

irecta, el voltaje debería ser generado con un nivel (amplitud ó valor), requerido por

sucede, una gran cantidad de potencia se pierde debido a

de 1 Coulomb de electrones pasaron por el mismo punto en 1 segundo por el mismo

punto del alambre. La amplitud de la corriente es de 1 Amper. La Figura 1.16.18,

muestra la comparación entre la CD y la CA. Nótese que una flecha blanca mas una

flecha rayada suman 1 Coulomb.

Desventajas de la CD comparada con la CA

C

desventajas en el uso de la CD. Si se utiliz

D

la carga. Para alimentar una lámpara de 240 Volts por ejemplo, el generador debería

suministrar 240 Volts. Si se requiere alimentar una lámpara de 120 Volts con un

generador de 240 Volts, deberá colocarse un resistor u otra lámpara, en serie con la

de 120 Volts, para producir una caída de voltaje de los 120 Volts extras. Si se usa un

resistor para reducir el voltaje, una cantidad de potencia igual a la que consume la

lámpara se desperdicia.

Otra desventaja del sistema de CD se hace evidente cuando la corriente directa ( I )

de la planta generadora debe ser transmitida a una distancia considerable hasta el

consumidor. Cuando esto

la resistencia ( R ) del alambre. La potencia perdida es igual a I2R. Esta pérdida

puede reducirse si la transmisión de potencia en la línea se hace con un nivel de

voltaje muy alto y un nivel de corriente muy bajo. Esto no resulta ser una solución

práctica, ya que obligaría a operar la carga con voltajes muy peligrosos.

Debido a las desventajas mencionadas, relacionadas con la transmisión y el uso

de la CD, prácticamente todas las empresas modernas que producen potencia

eléctrica, generan y distribuyen Corriente Alterna.

110

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación A diferencia de los voltajes de corriente directa, los voltajes de corriente alterna

pueden elevarse o disminuirse en amplitud, por medio de un dispositivo llamado

Transformador. El uso de transformadores, permite la transmisión eficiente de

la carga. Debido a

oducir esta

sado en el principio de inducción magnética es el más fácil y

ntales para este estudio.

idad

CamposEn 1819 na relación

efinida entre el magnetismo y la electricidad. Descubrió que una corriente eléctrica

ñada de ciertos efectos magnéticos, y que estos efectos

potencia eléctrica por medio de líneas a distancias muy grandes.

En la planta generadora, la salida del transformador es con niveles de alto voltaje y

baja corriente. En el extremo de consumo de la línea de transmisión, el voltaje se

reduce por medio de otro transformador, al voltaje requerido por

sus ventajas y versatilidad, la Corriente Alterna ha reemplazado a la corriente directa

en todas sus aplicaciones, excepto en barcos y equipo especial, tal como los

sistemas de potencia de los equipos de perforación de pozos petroleros.

Electromagnetismo

Para ilustrar el cambio de dirección de la corriente en los sistemas de corriente

alterna, se usa la onda senoidal. Aunque hay varias formas de pr

corriente, el método ba

de uso más común. En un capítulo anterior se describieron las teorías fundamentales

relacionadas con los imanes y el magnetismo y se mencionó brevemente como se

puede usar el magnetismo para producir electricidad.

Este capítulo presenta un estudio más profundo del magnetismo. El tema general se

denomina Electromagnetismo. Las siguientes relaciones entre el magnetismo y la

electricidad deben ser entendidas, ya que son fundame

Una corriente eléctrica siempre produce alguna forma de magnetismo.

Los medios más comúnmente usados para producir electricidad se

relacionan con el magnetismo.El comportamiento peculiar de la electric

bajo ciertas condiciones es causado por influencias magnéticas.

magneticos Hans Christian Oersted, un Físico Danés, descubrió que existe u

d

siempre está acompa

obedecen a ciertas Leyes.

111

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Campo magnético alrededor de un conductor

Si se coloca una brújula cerca de un conductor por el cual circula una corriente, la

recto con el conductor. Esto indica

resencia de una fuerza magnética. La presencia de esta fuerza puede ser

te

lrededor del

mpo es hacia la derecha, visto desde arriba.

sta B), la

a.

d visualiza un conductor tomado con su

misma dirección que el norte de la aguja de la brújula. En los diagramas eléctricos

aguja de la brújula se alinea formando un ángulo

la p

demostrada usando el arreglo de la Figura 1.16.19. En las vistas A y B, la corrien

fluye en un conductor vertical a través

de una pieza horizontal de cartón. La

dirección del campo magnético

producido por la corriente puede ser

determinada colocando una brújula en

varios puntos sobre el cartón y

registrando los movimientos de la

aguja. La dirección del campo

magnético se establece como la

dirección a la que apunta el norte de

la aguja de la brújula.

En la vista A, el movimiento de la

aguja indica que existe un campo de

forma circular a

conductor. Cuando la corrientecircula

hacia arriba (vista A), la dirección del ca

Al invertir la polaridad de la batería, la corriente fluye hacia abajo (vi

dirección del campo es hacia la izquierd

La relación entre la dirección de las líneas de fuerza alrededor de un conductor y

la dirección de la corriente en él, puede ser determinada por medio de la Regla de la

Mano Izquierda para conductores. Si uste

Fig. 1.16.19 Campo en un conductor

mano izquierda, con el pulgar apuntando en el sentido de la corriente (de – a +), el

resto de los dedos apuntarán en la dirección de las líneas de fuerza.

Ahora aplique esta regla a la Figura 1.16.19. Note que sus dedos apuntan en la

112

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación generalmente se usa una flecha para ilustrar la dirección de la corriente a lo largo del

conductor (Figura 1.16.20 vista A). Cuando se muestra un corte de sección del

uestas. El campo alrededor de uno los

alambre se usa un extremo de la flecha

para indicar el sentido. La vista B muestra

un corte de sección de un conductor cuya

corriente fluye hacia el observador. La

dirección de la corriente es indicada por un

punto, que representa la punta de la flecha.

La vista C, muestra un conductor cuya

corriente fluye alejándose del observador.

La dirección de la corriente es indicada por

una cruz, que representa la “cola” de la

flecha. El campo magnético alrededor de un

conductor que conduce una corriente, es

perpendicular al conductor, y las líneas de

fuerza son iguales a lo largo del conductor.

Cuando dos conductores paralelos llevan

corriente en la misma dirección, las líneas

de fuerza magnéticas se combinan e

incrementan la fuerza del campo magnético

alrededor del los conductores (figura 1.16.20

paralelos llevando corriente en direcciones op

conductores tiene dirección opuesta al campo del otro conductor. Las líneas de

fuerza se oponen en el espacio entre los conductores, deformando el campo

alrededor de cada conductor. Esto significa que si dos conductores paralelos y

adyacentes llevan corriente en la misma dirección, los campos de los conductores se

suman.Pero si los conductores llevan corriente en direcciones opuestas, los campos

se repelen uno a otro.

Campo magnético de una bobina

Fig. 1.16.20 Dirección del Campo

). La vista B muestra dos conductores

113

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación La Figura 1.16.21, vista A, muestra que el campo magnético alrededor de un

conductor que lleva corriente existe en todos los puntos a lo largo del conductor. La

igura 1.16.21 muestra que cuando un

de un

úcleo adopta una forma diferente. La

el polo Sur.

magnético

lrededor de un conductor recto depende

rriente en el

uestra en la Figura 1.16.18.

n el sentido de la corriente causa una inversión en la dirección

del campo magnético que produce. De ahí, que la inversión de corriente en una

F

114

conductor recto se enrolla alrededor

n

Figura 1.16.22, vista A es un corte parcial

mostrando la construcción de una bobina

simple. La vista B muestra un corte de

sección de la misma bobina, los extremos

de la bobina están identificados como X e

Y.

Cuando la corriente pasa a través de la

bobina, el campo magnético de cada

espira de alambre se enlaza con los

campos de las espiras adyacentes

(Figura 1.16.22).

La influencia combinada de todas las

espiras produce un campo de dos polos,

similar al de un imán de barra. Un

extremo de la bobina es el polo Norte y

el otro extremo es

Fig. 1.16.21 Campos resultantes

Polaridad de una Bobina Electromagnética La dirección del campo

aFig. 1.16.22 Campo de una Bobina

de la dirección de la co

alambre, como se m

Así, una inversión e

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación bobina, también causa una inversión en los dos polos del campo magnético

alrededor de la bobina.

Cuando la dirección en que circula la corriente en una bobina se conoce, la polaridad

de la bobina puede determinarse

utilizando la Regla de la Mano

Izquierda Para Bobinas. Esta Regla,

lgar entonces,

i

ó intensidad del campo

agnético de una bobina, depende de

son los siguientes:

ina.

ndo por el conductor

bobina y su anchura.

El tipo de material del núcleo.

Pérd

Cuando fluye corriente en un conductor, los átomos se alinean en una dirección

ección de la corriente

ilustrada en la Figura 1.16.23, se

establece como sigue:

Sujete la bobina con su mano

izquierda, con los dedos abrazando la

bobina señalando el sentido de la

corriente. El dedo pu

Fig. 1.16.23 Regla de la Mano Izquierda

apuntará en d rección al polo norte de

la bobina.

Fuerza del Campo Electromagnético La fuerza

m

varios factores.

Los más importantes

El número de espiras de la bob

La cantidad de corriente fluye

La relación entre la longitud de la

idas en Campos Electromagnéticos

definida, produciendo un campo magnético. Cuando la dir

115

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación cambia, el alineamiento de los átomos cambia, causando un cambio de dirección del

ampo magnético. Para invertir todos los átomos, se requiere consumir potencia, y

el cual circula una corriente produce un campo electromagnético a

u alrededor por sí mismo. En un capítulo anterior se discutió como un campo

Electromotriz (FEM) en un conductor. Si

n conductor se coloca en un campo magnético y si el campo ó el conductor se

uctor siendo girada en

irección hacia la derecha a través del campo magnético entre los polos de un imán

nente. Para facilitar la explicación, la espira se ha dividido en una mitad clara y

na mitad oscura. En la Figura 1.16.24, vista A, la mitad oscura se está moviendo a

vuelta (90°). Como el conductor está ahora cortando directamente a través

del campo, el voltaje inducido en el conductor es el máximo. Si se grafica el voltaje

c

esta potencia se pierde. Esta pérdida de potencia (en forma de calor), se llama

Pérdida por Histéresis. Las pérdidas por histéresis son comunes en todos los

equipos de Corriente Alterna. Su efecto es mayor en motores, generadores y

transformadores.

Generación básica de corriente alterna

Un conductor por

s

magnético cambiante produce una Fuerza

u

mueven, de tal manera que se corten las líneas de fuerza, se induce una FEM en el

conductor. Este efecto se llama Inducción Electromagnética.

Ciclo

La Figura 1.16.24, muestra una espira de alambre cond

d

perma

u

lo largo (paralelo) a las líneas de fuerza. Como resultado no corta líneas de fuerza.

Lo mismo sucede con la mitad clara, la cual está moviéndose en dirección opuesta.

Debido a que los conductores no están cortando líneas de fuerza, no hay FEM

inducida.

Cuando la espira gira hacia la posición mostrada en la vista B, corta más y más

líneas de fuerza por segundo, induciendo un voltaje cada vez mayor, debido a que

corta más directamente a través del campo. En la vista B, el conductor ha girado un

cuarto de

116

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación producido en varios puntos, desde la vista A hasta la B, se forma una curva como la

mostrada en la Figura 1.16.25.

Si la espira continúa girando hasta la posición de la Figura 1.16.23, vista C, corta

menos y menos líneas de fuerza. El voltaje inducido decrece desde su valor máximo.

Eventualmente, el conductor se estará moviendo paralelo al campo y no habrá FEM

inducida en el conductor.

La espira ha girado media vuelta (180°). Si el cuarto de giro anterior se grafica,

del voltaje inducido. Si la polaridad del voltaje obtenido

cada instante de tiempo durante la

te en la espira puede ser determinada

la ilustración con los dedos

Fig. 1.16.24 Generación de Corriente Alterna

aparece como se muestra en la Figura 1.16.25.

Cuando se aplica el mismo procedimiento a la segunda mitad de la rotación (180°

hasta 360°), la curva aparece debajo de la línea horizontal de tiempo. La única

diferencia es la polaridad

previamente era positivo, ahora es negativo.

La curva senoidal muestra el voltaje inducido

rotación de la espira. Esta curva tiene 360 grados ó dos alternancias. Dos

alternancias representan un ciclo completo de rotación.

Asumiendo que se proporciona un circuito cerrado a través de los extremos de la

espira de conductor, la dirección de corrien

usando la regla de la mano izquierda para generadores . La regla de la mano

izquierda se aplica como sigue:

Primero, coloque su mano izquierda cerca de

como se muestra.

117

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

El dedo pulgar debe apuntar en dirección de la rotación (movimiento relativo

del conductor dentro del campo magnético). El dedo índice debe apuntar en

e corriente.

Cuan

Figura 1

De man

la espira, la corriente fluye en dirección opuesta. Los dos voltajes inducidos en la

e

dirección del flujo magnético (norte-sur), el dedo medio apuntará en

dirección del flujo d

do se aplica la regla de la mano izquierda a la mitad oscura de la espira en la

.16.25, vista B, la corriente fluye en la dirección indicada por la flecha gruesa.

era similar, cuando se aplica la regla de la mano izquierda a la mitad clara de

espira se suman y forman una FEM total. Esta FEM causa la corriente en la espira.

Cuando la espira gira a la posición mostrada en la vista D, la acción se invierte. La

mitad oscura se mueve hacia arriba en vez de hacia abajo, y la mitad clara se mueve

hacia abajo en vez de hacia arriba. Aplicando la regla de la mano izquierda otra vez,

la FEM total inducida y su corriente resultante, han invertido su dirección. El voltaj

Fig. 1.16.25 Generación de un ciclo

118

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación se incrementa en esta nueva dirección, como se muestra en la curva senoidal. La

espira finalmente regresa a su posición original, vista E, punto en el cual el voltaje es

cero. La curva senoidal representa un ciclo completo del voltaje generado por la

espira al girar. Esta ilustración muestra la espira de alambre moviéndose hacia la

derecha. En la práctica, se puede mover ya sea el campo ó la espira.

Independientemente de cuál se mueva, se aplica la regla de la mano izquierda.

Si la espira gira los 360 grados a un ritmo constante, y la fuerza del campo

magnético permanece uniforme, el voltaje producido es una onda senoidal de voltaje

(Figura 1.16.25). Si se continúa girando la espira, se producirá una serie de ciclos de

ondas senoidales de voltaje, en otras palabras, corriente Alterna.

Frecuencia Si la espira gira una revolución completa cada segundo, el generador produce un

ciclo completo de corriente alterna por segundo. Si se incrementa la velocidad a dos

revoluciones por segundo, se producirán dos ciclos de CA por segundo. El número

completo de ciclos por segundo se llama Frecuencia, la unidad de medición de la

Frecuencia es el Hertz. El símbolo para identificarlo es Hz. Un Hertz es igual a un

ciclo por segundo. Periodo

Un ciclo individual de cualquier onda senoidal representa una cantidad definida de

tiempo. La Figura 1.16.26, muestra dos ciclos de una onda senoidal que tiene una

frecuencia de 2 Hz. Debido a que ocurren dos ciclos por segundo, un ciclo requiere

medio segundo de tiempo. El tiempo requerido para completar un ciclo de la onda es

el Período de la onda. En el ejemplo anterior, el período de la onda es de medio

segundo. La relación entre el tiempo ( t ) y la frecuencia ( f ), está indicado por las

siguientes fórmulas:

1 t = ------ f

119

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Donde:

t = Período en segundos

f = Frecuencia en Hz.

Cada ciclo de la onda senoidal en la

Figura 1.16.26, consiste de dos

variaciones de forma, idénticas en

voltaje. Las variaciones que ocurren

durante el tiempo considerado

alternación positiva (por arriba de la

línea horizontal), indican corriente

moviéndose en una dirección. La

dirección del movimiento de la

corriente está determinada por las polaridades del voltaje generado. Las variaciones

que ocurren durante el tiempo considerado alternación negativa (por debajo de la

línea horizontal), indican corriente moviéndose en dirección opuesta, porque la

polaridad del voltaje en las terminales se ha invertido.

Fig. 1.16.26 Componentes de un ciclo

La distancia desde cero hasta el valor máximo de cada alternación es la Amplitud. La

amplitud de la alternación positiva y la

amplitud de la alternación negativa es la

misma.

Fig. 1.16.27 Longitud de Onda

Longitud de onda

El tiempo que toma a una forma de onda

completar un ciclo se define como período

de la forma de onda. La distancia viajada por

la forma de onda durante este período es la

Longitud de Onda. La longitud de onda,

identificada por la letra Griega Lambda ( λ ),

120

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación es la distancia a lo largo de la onda desde un punto, hasta el mismo punto del

siguiente ciclo.(Figura 1.16.28).

La onda senoidal usualmente se expresa

en una escala de grados; más que expresar el tiempo involucrado en porciones de

minutos ó segundos, es más efectivo expresar la generación de una onda sencilla

por cuántos grados le toma completar una longitud de onda. Recordemos como fue

obtenida la forma de onda.

El conductor ha girado 180° para

crear la alternación positiva y

180° más para crear la

alternación negativa (Figura

1.16.27). Esto produjo 360 grados

ó una revolución completa para

un período definido de tiempo. La

cantidad de veces que la onda se

repite cada segundo, corresponde

a la frecuencia (ciclos por

segundo) y a la velocidad del

conductor en movimiento

(revoluciones por minuto).

Fig. 1.16.28 Longitud de Onda

Valores de la corriente alterna

La corriente alterna a menudo se expresa en términos de valores máximos ó de pico;

valor de pico-a-pico; valor eficaz; valor medio ó valor instantáneo. Cada uno de estos

valores describe una cantidad diferente de voltaje ó corriente.

Valor de Pico-a-Pico La Figura 1.16.29 muestra la alternancia positiva de una onda senoidal (medio ciclo

de CA) y una onda de CD que ocurre simultáneamente. La CD inicia y para en el

mismo momento que la alternación positiva, y ambas ondas

121

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación se elevan al mismo valor máximo. Sin embargo, el valor de CD es mayor en todos los

puntos, excepto en el punto en que la alternación positiva alcanza su valor máximo.

En este punto Los valores de voltaje

de CA y CD son iguales. Este punto

de la onda senoidal se conoce como

Valor Máximo ó de Pico ( Emax ).

Durante cada ciclo de CA, hay dos

valores máximos ó de pico. Uno

para el medio ciclo positivo, y otro

para el medio ciclo negativo. La

diferencia entre el valor de pico positivo

es el Valor de Pico-a-Pico de la onda senoidal. Este valo

y el valor de pico negativo,

r es del doble del valor de

alor eficaz

l valor de voltaje mostrado por los

CA cambia de

l Valor Eficaz por 1.414.

Emax = Eef x 1.414

pico. La Figura 1.16.30, muestra la diferencia entre el valor de pico y el valor

de pico-a-pico. Usualmente Los valores de voltaje y corriente de CA se miden en

Valores Eficaces.

V

E

multímetros y utilizado por los técnicos,

es llamado Valor Eficaz

( Eef )=. Debido a que la

valor constantemente, debe expresarse

en un valor cercano a la equivalencia de

la CD. El Valor Eficaz de un voltaje de

CA tiene el mismo efecto que un voltaje

de CD. Para convertir el Valor Eficaz a

un valor máximo ó de pico, multiplíquese e

Fig. 1.16.29 Valor de Pico

Fig. 1.16.30 Valor de Pico-a-pico

122

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Ejemplo:

(Valor Eficaz de un generador) x 1.414 = Valor máximo

versamente, para convertir el valor

Eef = Emax x 1.414

plo:

(valor de pico) x 0.707 = Valor

lts x 0.707 = 450 Volts (Valor

l Valor Eficaz de voltaje de CA, también se conoce como valor RMS, por las

s usados para indicar la amplitud de la onda

alor instantáneo

l Valor Instantáneo de una onda de voltaje de CA es el valor en un instante

450 Volts

450 Volts x 1.414 = 636.3 Volts de pico.

In

máximo ó de pico en valor Eficaz,

multiplique el valor de pico por 0.707.

Fig.1.16.31 Valores de una Onda

Ejem

636 Volts

Eficaz

636 Vo

Eficaz.)

E

iniciales en ingles de “Raiz cuadrada del promedio de la suma de los cuadrados”.

(Root Mean Square).

La Figura 1.16.31, muestra varios valore

senoidal.

V

E

particular de tiempo. El valor puede ser cero, si el instante en particular es el

momento del ciclo en que el voltaje está cambiando de polaridad. También puede ser

el mismo que el valor de pico. En realidad hay un número infinito de valores

instantáneos entre cero y el valor de pico.

123

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Valor medio

l Valor Medio ( Emed ) de un voltaje de CA es el promedio de todos los valores

Emed = Emax x 0.636

o debe confundirse la definición anterior de un valor medio con la del valor medio

ndas senoidales en fase

de voltaje se

.32, la forma de onda del

E

instantáneos durante una alternación. Como el voltaje se incrementa desde cero

hasta el valor de pico y luego cae a cero durante una alternación, el valor medio debe

ser un valor entre estos dos límites. El valor medio puede ser determinado sumando

una serie de valores instantáneos tomados en una alternación (entre 0 y 180 grados)

y después dividiendo la suma entre el número de valores usados. El cálculo muestra

que una alternación de una onda senoidal, tiene un Valor Medio igual al valor

Máximo ó de pico, multiplicado por 0.636.

N

de un ciclo completo. Debido a que el voltaje es positivo durante una alternación y

negativo durante la otra alternación, el valor medio del voltaje durante un ciclo

completo es cero. OCuando una onda senoidal

aplica a una resistencia, la corriente

resultante es también una onda senoidal.

Esto es, siguiendo la Ley de Ohm, que

dice que la corriente es proporcional al

voltaje aplicado.

En la Figura 1.16

Fig. 1.16.32 Ondas en Fase

voltaje y la de la corriente resultante están

sobrepuestas en el mismo eje de tiempo.

Cuando el voltaje se incrementa en la

alternación positiva, la corriente también se

incrementa. Cuando dos ondas senoidales

124

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación están precisamente una sobre la otra como en la Figura 1.16.32, se dice que están

en fase.

Para estar en fase, las dos ondas senoidales deben alcanzar sus puntos máximos y

mínimos al mismo tiempo y en la misma dirección.

Esta acción puede ocurrir únicamente en un circuito eléctrico de CA con carga

resistiva pura. Una carga resistiva pura es cualquier dispositivo que consume toda su

potencia en forma de luz y/o calor. Los resistores, focos y algunos elementos de

calefacción, son ejemplos de estas cargas. Toda la potencia que llega a la carga es

consumida en la carga. No hay ninguna potencia que pueda ser regresada al circuito.

Ondas senoidales defasadas

La figura 1.16.33, muestra la onda de voltaje E1 la cual se considera que inicia en

cero grados (tiempo uno). Cuando la onda de voltaje E1 alcanza su pico positivo, la

onda de voltaje E2 inicia su crecimiento (tiempo dos). Debido a que estas ondas de

voltaje no alcanzan sus valores máximos y mínimos en el mismo

instante de tiempo, existe una diferencia de

fase entre las dos ondas. Las dos ondas

están defasadas. Para las dos ondas de la

el defasamiento es de 90 grados.

Los términos adelantado ó atrasado, más

adelante describirán la relación de fase

entre dos ondas senoidales. La cantidad por

la que una onda se adelanta o retrasa con

respecto a otra onda senoidal, se mide en

grados. En la figura 1.16.33, la onda E2

inicia 90 grados después que la onda E1. Fig. 1.16.33 Ondas defasadas 90°

La onda E1 está adelantada 90 grados respecto a E2 y la onda E2 está retrasada 90

grados respecto a E1.

125

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Una onda puede adelantar o estar retrasada con respecto a otra onda cualquier

cantidad de grados, excepto 0 ó 360. Cuando esta última condición ocurre, se dice

que las ondas están en fase. Así, dos ondas que difieren de fase por 45 grados,

realmente están defasadas 45 grados, mientras que dos ondas que difieren de fase

por 360 grados, están consideradas

en fase una con otra.

La Figura 1.16.34, muestra una

relación de fase común. Las dos

ondas ilustradas difieren en fase por

180 grados. Aunque las ondas

alcanzan sus valores máximos y

mínimos al mismo tiempo, sus valores

instantáneos de voltaje siempre son

de polaridad opuesta.

Para determinar la diferencia de

fase entre dos ondas senoidales,

localice el punto donde las dos ondas

cruzan el eje de tiempo viajando en la misma dirección. El número de grados entre

los puntos de cruce es la diferencia de fase. La onda que cruce el eje al último (a la

derecha del eje), se dice que está retrasada respecto a al otra.

Fig. 1.16.34 Ondas defasadas 180°

Ley de Ohm en circuitos de CA

Pocos circuitos contienen resistencia únicamente. Para aquellos circuitos que

contienen cargas resistivas puras. Se aplican las mismas reglas que se aplican a los

circuitos de CD. La Ley de Ohm para circuitos resistivos puros puede establecerse

como sigue:

Eef E Ief = ----- ó I = ----- R R

126

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

A menos que se especifique otra cosa, todos los valores de voltaje y corriente se dan

en Valores Eficaces. No se deben mezclar valores de CA. Cuando se resuelvan

problemas con valores eficaces, todos los valores usados en las fórmulas deben ser

valores eficaces. De manera similar cuando se resuelvan problemas con valores

medios, todos los valores usados deben se valores medios.

Inductancia Características de la inductancia

La inductancia es la propiedad que tienen los circuitos eléctricos de oponerse a la

creación, interrupción ó cambio del flujo de corriente. El símbolo para la Inductancia

es L, La unidad básica de Inductancia es el Henry ( H ). Un Henry es la inductancia

requerida para inducir 1 Volt en un inductor al efectuar un cambio de corriente de 1

Amper por segundo.

Una analogía de la inductancia puede verse al empujar una carreta. Se requiere más

esfuerzo para empezar a mover la carga que para mantenerla en movimiento. Una

vez que está en movimiento es más fácil mantener la carga en movimiento que

detenerla. Esto es porque la carga posee la propiedad de la inercia. La inercia es la

propiedad de la masa que se opone a los cambios de velocidad. La inductancia tiene

el mismo efecto sobre la corriente en un circuito eléctrico que el que tiene la inercia

sobre el movimiento de un objeto. Se requiere más energía para iniciar ó detener una

corriente que para mantenerla fluyendo.

Fuerza electromotriz

La Fuerza Electromotriz (FEM), se obtiene siempre que hay movimiento relativo

entre un campo magnético y un conductor. En generadores e inductores, la FEM se

obtiene por la acción de un campo magnético sobre un conductor (un inductor es un

127

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación conductor enrollado, tal como la bobina de un relevador, motor ó transformador). La

Figura 1.16.35, muestra la FEM generada en

un conductor eléctrico.

Cuando un campo magnético se mueve a

través de un conductor estacionario, los

electrones son separados de sus órbitas. Los

electrones se mueven en una dirección

determinada por las líneas del flujo

magnético. (Figura 1.16.36).

Los electrones se mueven de un área del

conductor a otra área (vista A). El área de

donde se movieron electrones tiene ahora menos electrones y su carga se hace

positiva. El área hacia la cual se movieron los electrones tiene carga negativa. La

diferencia entre las cargas en el conductor es igual a la diferencia de potencial

(voltaje). Este voltaje causado por el movimiento del campo magnético se llama

Fuerza Electromotriz.

Fig. 1.16.35 FEM Inducida

En términos simples, se puede comparar la acción de un campo magnético sobre un

conductor, con la acción de una escoba. Considere que el campo magnético es una

escoba moviéndose (vista C). Cuando la escoba magnética se mueve a lo largo del

conductor, barre y empuja los electrones por delante de ella.

Fig. 1.16.36 Dirección del flujo de corriente

El área desde la cual se movieron los electrones se carga positivamente, mientras

que el área hacia donde se movieron los electrones se carga negativamente. La

diferencia de potencial entre estas dos áreas es la Fuerza Electromotriz.

128

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Auto-inductancia

Aún un conductor perfectamente recto en toda su longitud tiene alguna inductancia.

La corriente en un conductor produce un campo magnético alrededor del conductor.

Cuando la corriente cambia de dirección, el campo magnético cambia. Esto causa un

movimiento relativo entre el campo magnético y el conductor, y se induce una FEM

en el conductor. Esta FEM se llama Fuerza Electromotriz Auto-inducida, porque es

inducida en el propio conductor que lleva la corriente. También se le conoce como

Fuerza Contra-Electromotriz (FCEM).

Fuerza contra-electromotriz

Para entender que es la FCEM y como se obtiene, revisemos primero los requisitos

básicos para la producción de voltaje. Para producir magnéticamente un voltaje ó

FEM, debe haber:

Un conductor

Un campo magnético

Movimiento relativo

A continuación, revisemos algunas de las propiedades de un circuito eléctrico. Si

los extremos de una longitud de alambre se conectan a un generador de CA, habrá

un corto-circuito y fluirá la máxima corriente. (No haga esto). La corriente excesiva se

debe a que hay una mínima resistencia en el alambre oponiéndose a la corriente.

Esto dañaría el sistema eléctrico.

Si la longitud del alambre se enrolla apretadamente formando una bobina, se

convierte en un inductor. Siempre que un inductor se usa con CA, ocurre una forma

de generación de potencia. Se crea en el inductor una FEM, debido a la proximidad

de los conductores en la bobina y la expansión y contracción del campo magnético

producido por la CA. El inductor crea su propia FEM. Debido a que el conductor

sigue las reglas de la inductancia de oponerse a los cambios en la corriente, la FEM

creada es realmente una Fuerza Contra-Electromotriz, que se opone a la fuerza que

129

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación la creó. Esta FCEM presenta oposición a la corriente como una forma de resistencia

a la fuente normal de potencia. La Fuerza Contra-Electromotriz es como tener otra

fuente de potencia en serie y en oposición.

Este es un ejemplo de una carga inductiva. A diferencia de la carga resistiva, no se

consume potencia en el circuito. Este efecto se resume en la Ley de Lenz, la cual

establece que la dirección de un FEM inducida es siempre opuesta a la que la

produjo.

La dirección de este voltaje inducido puede determinarse aplicando la Regla de la

Mano Izquierda para generadores. Esta regla se aplica a la porción del conductor 2

que se ha agrandado para este propósito en la Figura 1.16.37, vista A. La regla

establece que si se apunta el pulgar de la mano izquierda en dirección del

movimiento relativo del conductor y el dedo índice en dirección del campo magnético,

el dedo medio, como se muestra, indicará la dirección de la corriente inducida, la cual

generará el voltaje inducido (FCEM), como se ve en la figura.

Fig. 1.16.37 Aplicación de la regla de la mano izquierda

La vista B, muestra la misma sección del conductor 2 después que el interruptor ha

sido abierto. El fluo de campo está colapsando. Aplicando la Regla de la mano

130

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación izquierda en este casa, muestra que la inversión de movimiento del flujo, ha causado

una inversión en la dirección del voltaje inducido. El voltaje inducido está ahora en la

misma dirección que el voltaje de la batería. El voltaje auto-inducido se opone al

cambio de corriente en ambos casos. Esto es, cuando el interruptor es cerrado, este

voltaje retarda el incremento de la corriente oponiéndose al voltaje de la batería.

Cuando el interruptor se abre, mantiene la corriente fluyendo en la misma dirección,

por sumarse al voltaje de la batería.

De esta forma, cuando una corriente está

incrementándose, ésta produce un campo

magnético creciente. Este campo induce

una FEM en dirección opuesta al flujo

actual de corriente. Esta FEM inducida se

opone al crecimiento de la corriente y al

crecimiento del campo magnético. Si el

crecimiento de la corriente no modificara el

campo magnético no habría oposición a su

crecimiento. La reacción total u oposición es

causada por la creación ó colapso del campo

magnético, las líneas de fuerza al expandirse

y contraerse cortan el conductor y generan la

Fuerza Contra-Electromotriz. (Figura 1.16.38)

Fig. 1.16.38 Fuerza Contra-Electro- Motriz inducida

Los inductores se clasifican de acuerdo a el

tipo de su núcleo.

El núcleo es el centro del inductor. El inductor

se hace enrollando una bobina de alambre

alrededor del núcleo. El material del núcleo

es normalmente uno de dos tipos: hierro

suave ó aire. La Figura 1.16.39, vista A,

muestra un inductor con núcleo de hierro y su

símbolo (las líneas arriba del inductor

representan el núcleo). El inductor con Fig. 1.16.39 Inductores

131

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación núcleo de aire puede ser solamente una bobina de alambre, pero usualmente es una

bobina enrollada sobre un molde de material no magnético como cartón. Este

material sólo tiene la función de servir de soporte para mantener la forma de la

bobina. La vista B, muestra un inductor con núcleo de aire y su símbolo

correspondiente.

Factores que afectan la inductancia Algunos factores físicos afectan la inductancia de una bobina. Estos son: el número

de vueltas, el diámetro y la longitud de la bobina; el material del núcleo y el número

de capas que forman la bobina. La inductancia depende enteramente de la

construcción física del circuito. La inductancia sólo puede medirse con instrumentos

especiales de laboratorio.

El primer factor que afecta la inductancia es el número de vueltas. La Figura 1.16.40,

muestra dos bobinas. La bobina A, tiene dos vueltas y la bobina B, tiene cuatro

vueltas.

En la bobina A, el flujo producido por una

espira corta una espira. En la bobina B, el

flujo producido por una espira, corta tres

espiras. Si se duplica el número de vueltas de

una bobina, se produce el doble de campo

magnético para una misma corriente. Un

campo con el doble de fuerza, cortando el

doble de vueltas, inducirá un voltaje cuatro

veces mayor. De ahí que la inductancia varía

en función del cuadrado del

número de vueltas.

Fig. 1.16.40 Efecto del número De vueltas

El segundo factor que afecta es el diámetro de la bobina.

En la Figura 1.16.41, la bobina B tiene el doble del diámetro de la bobina A.

Físicamente, se requiere más alambre para construir una bobina de diámetro grande

que una de diámetro pequeño con igual número de vueltas. Por esto, existen más

132

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación líneas de fuerza para inducir una FEM en una bobina con el mayor diámetro. En

realidad, la inductancia de una bobina se incrementa en proporción directa al

incremento de área de sección de su núcleo. Recordando la fórmula para calcular el

área del círculo: A = π r2 . Duplicando el radio de la bobina se incrementa el área por

un factor de cuatro.

El tercer factor que afecta la inductancia de una bobina es la longitud de la bobina.

La Figura 1.16.42, muestra dos ejemplos de espaciamiento de bobinas. La bobina A,

tiene tres espiras, ampliamente espaciadas,

haciendo la bobina relativamente larga.

Una bobina de este tipo, tiene menos flujo

enlazado debido a la gran distancia entre

las espiras. De ahí que la bobina A, tiene

una inductancia relativamente baja. La

bobina B, tiene sus espiras más cercanas,

haciendo una bobina más corta. Esta

cercanía incrementa el enlace de los flujos,

incrementando la inductancia de la bobina.

Si se duplica la longitud de una bobina,

manteniendo el mismo número de vueltas,

la inductancia se reduce a la mitad.

El cuarto factor es el tipo de material del

núcleo usado en la bobina. La Figura

1.16.43, muestra dos bobinas, la bobina A,

con núcleo de aire, y la bobina B, con núcleo de hierro suave. El núcleo magnético

de la bobina B es mejor trayectoria para las líneas de fuerza magnéticas que el

núcleo no magnético de la bobina A.

Fig. 1.16.41 Efecto del Diámetro

El núcleo magnético de hierro suave de alta permeabilidad, tiene menos reluctancia

al flujo magnético, resultando más líneas de fuerza. Este incremento en las líneas de

fuerza incrementa el número de líneas cortando las espiras de la bobina y así, se

incrementa la inductancia de la bobina. La inductancia de la bobina se incrementa en

proporción a la permeabilidad del material de su núcleo.

133

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación El quinto factor, es el número de capas de

la bobina. La inductancia se incrementa si

las espiras se enrollan en capas. La Figura

1.16.44, muestra tres núcleos con

diferentes cantidades de capas. La bobina

A, tiene la menor inductancia comparada

con las otras de la Figura 1.16.44, porque

sus espiras están ampliamente espaciadas

y en una capa. El flujo en movimiento,

indicado por las rayas interrumpidas, no se

enlaza efectivamente, porque hay una sola

capa de espiras. La bobina B, es más

inductiva. Las espiras están espaciadas

más apretadamente, y el alambre ha sido

enrollado en dos capas. Las dos capas se enlazan una con otra con mayor cantidad

de líneas de fuerza durante los movimientos del flujo. Note que la mayoría de las

espiras, tales como la marcada con X, están cercanas a otras cuatro espiras

(sombreadas). Esto causa que el enlace

del flujo se incremente.

Fig. 1.16.42 Efecto del espaciamiento

Fig. 1.16.43 Efecto del material del núcleo

Una bobina puede hacerse más inductiva

enrollándola en tres capas (bobina C). El

incremento del número de capas, mejora

el enlace del flujo. Algunas vueltas, tales

como Y , están directamente cercanas a

otras seis vueltas (sombreadas). En la

práctica, el arrollamiento puede hacerse

en muchas capas. La inductancia de la

bobina se incrementa con cada capa

agregada.

Los factores que afectan la inductancia

de una bobina varían. Muchas bobinas

134

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación construidas de maneras diferentes pueden tener la misma inductancia. La

inductancia depende de el grado de enlace entre los conductores y el campo

electromagnético. En un conductor recto, hay muy poco enlace del flujo entre una y

otra parte del conductor. De ahí que su inductancia sea muy pequeña. Los

conductores se hacen más inductivos

cuando están enrollados formando bobinas.

Esto es verdadero porque hay el máximo

enlace del flujo entre las espiras del

conductor, las cuales están lado a lado en la

bobina.

Fig. 1.16.44 Efecto del número de capas

Unidad de inductancia

Como se dijo antes, la unidad básica de

inductancia ( L ), es el Henry ( H ). Un

inductor tiene una inductancia de 1 Henry si

se induce una FEM de un Volt en el inductor

cuando la corriente cambia a una velocidad

de 1 Amper por segundo.

Pérdidas de potencia en un inductor

Aunque un inductor (bobina), consiste de

cierto número de espiras de alambre, y

debido a que el alambre tiene cierta cantidad

de resistencia, cada inductor tiene cierta

resistencia.

Normalmente la resistencia es pequeña. Usualmente no es tomada en cuenta al

resolver problemas en circuitos de CA porque la Reactancia del inductor (la oposición

del inductor la paso de la corriente alterna) es tan grande comparada con la

resistencia, que hace el valor de ésta despreciable.

135

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Sin embargo, como algunos inductores son diseñados para conducir cantidades

relativamente grandes de corriente, puede haber considerable disipación de potencia

en el inductor a pesar de su baja resistencia. Esta potencia perdida se llama

“pérdidas en el cobre”. Las perdidas en el cobre en un inductor pueden

calcularsemultiplicando el cuadrado de la corriente en el inductor por la resistencia

del mismo.

( W = I2 x R ).

Además de las pérdidas en el cobre, un inductor de núcleo de hierro tiene dos

pérdidas más. Las pérdidas por Histéresis y las pérdidas por Corrientes de Eddy.

Las pérdidas por Histéresis son debidas a la potencia que es consumida al invertir el

campo magnético en el núcleo cada vez que la dirección de la corriente en el

inductor cambia.

Las pérdidas por Corrientes de Eddy son debidas a las corrientes que son inducidas

en el núcleo de hierro por el campo magnético generado por las bobinas.

Todas estas pérdidas disipan potencia en forma de calor. Como esta potencia no

puede ser consumida productivamente en el circuito eléctrico, es potencia perdida.

Inductancia mutua

Siempre que dos bobinas son colocadas de tal manera que el flujo magnético de una

bobina se enlace con las espiras de la otra bobina, un cambio de flujo en una, causa

que se induzca una FEM en la otra bobina.. Esto permite que la energía de una

bobina sea transferida ó acoplada a la otra bobina. Las dos bobinas están acopladas

ó enlazadas por la propiedad de la Inductancia Mutua. La cantidad de inductancia

mutua depende de las posiciones relativas de las dos bobinas (Figura 1.16.45). Si las

bobinas están separadas una distancia considerable,

la cantidad de flujo común a las dos bobinas es pequeña y la inductancia mutua es

baja. Inversamente si las bobinas están tan cerca que el flujo de una enlace las

espiras de la otra, la inductancia mutua es alta.

La inductancia mutua puede incrementarse considerablemente si se montan las

bobinas en un núcleo común. Dos bobinas están colocadas muy juntas (Figura

136

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación 1.16.46). La bobina 1 está conectada a una batería a través del interruptor S, y la

bobina 2 está conectada a un ampérmetro (A). Cuando se cierra el interruptor (vista

A) , la corriente que fluye en la bobina 1 crea un campo magnético que se enlaza con

la bobina 2, causando un voltaje inducido en la bobina 2 y una deflexión

momentánea del ampérmetro. Cuando la corriente en la bobina 1 alcanza un valor

estable, el ampérmetro regresa a cero. Si ahora se abre el interruptor S, (vista B), el

ampérmetro deflexiona en la dirección opuesta, indicando un flujo momentáneo de

corriente en dirección opuesta en la bobina 2. Esta corriente en la bobina 2 es

producida por el colapso del campo magnético de la bobina 1.

Fig. 1.16.45 Induccion Mutua

Fig. 1.16.46 Corriente Inducida

137

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Capacitancia La inductancia es la propiedad de una bobina que causa que la energía sea

almacenada en un campo magnético alrededor de una bobina. La energía

almacenada así, se opone a cualquier cambio en la corriente.

La Capacitancia es similar a la inductancia porque también causa un

almacenamiento de energía.

Un Capacitor es un dispositivo que almacena energía en un campo electrostático. La

energía almacenada así, se opone a cualquier cambio en el voltaje.

Este capítulo explica como es aplicado el principio de un campo electrostático a la

capacitancia y de que manera, la capacitancia se opone a los cambios del voltaje.

Campo electrostático

Las cargas de distinto nombre se atraen una a otra, mientras que las cargas del

mismo nombre se repelen una a otra. La razón de esto es la existencia de un campo

electrostático. Cualquier partícula cargada, está rodeada por líneas de fuerza

invisibles, llamadas líneas de fuerza electrostática. Estas líneas de fuerza tienen

algunas características interesantes:

Están polarizadas desde positivo hasta negativo.

Irradian desde una partícula en

línea recta y no forman lazos

cerrados.

Tienen la habilidad de pasar a

través de cualquier material

conocido.

Tienen la habilidad de distorsionar

las órbitas de electrones

ra 1.16.47, representa dos cargas diferentes

La Figu rodeadas por su campo

electrostático. Debido a que un campo electrostático está polarizado de positivo a

Fig. 1.16.47 Cargas Diferentes

138

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación negativo, las flechas se muestran irradiando de la carga positiva y dirigiéndose a la

carga negativa. Visto de otra manera el campo de la carga positiva está empujando,

mientras que el campo de la carga negativa está jalando. El efecto del campo es

empujar y jalar las cargas para que se junten.

La Figura 1.16.48, muestra dos cargas iguales, rodeadas por su campo

electrostático. El efecto del campo es empujar las cargas apartándolas.

misma

carga negativa, la carga positiva atrae los

positiva. La carga negativa repele los

Capacitor simple

le, consiste de dos placas de metal separadas por un material

islante llamado Dieléctrico (Figura 1.16.50). Una placa está conectada a la terminal

Si dos cargas diferentes son puestas en

lados opuestos de un átomo cuyos

electrones de las órbitas exteriores no

pueden salirse de sus órbitas, las órbitas

de los electrones se distorsionan.

La Figura 1.16.49 vista A, muestra la

órbita normal, la vista B, muestra la

órbita en presencia de partículas

cargadas. Debido a que el electrón es una

electrones, jalándolos más cerca de la carga

electrones, empujándolos para alejarlos de la carga negativa. Esta habilidad de un

campo electrostático de atraer ó repeler cargas lo que permite que un capacitor

almacene energía.

Fig. 1.16.48 Cargas Iguales

Fig. 1.16.49 Efecto del Campo

Un Capacitor simp

a

139

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación positiva de una batería. La otra placa está conectada a la terminal negativa de la

batería. Un aislante es un material cuyos electrones no escapan fácilmente de sus

órbitas.

Debido al voltaje de la batería, la placa A está cargada positivamente y la placa B

ada negativamente. Así, se ha creado un campo electrostático entre las

as

). Las órbitas de los electrones están distorsionadas en el

or el capacitor. Esto ocurre porque el material dieléctrico es un aislador, y

bolo para el capacitor. El símbolo está compuesto

ue representa el dieléctrico. La placa

está carg

placas positiva y negativa.

Los electrones en la placa negativa (placa B), son atraídos hacia las cargas positiv

en la placa positiva (placa A

campo electrostático. Esta distorsión ocurre porque los electrones en el dieléctrico

son atraídos hacia la placa superior, mientras están siendo repelidos desde la placa

inferior.

Cuando el interruptor S1 se abre, se desconecta la batería del circuito, y la carga es

retenida p

los electrones en la placa inferior (carga negativa), no tienen un camino para llegar a

la placa superior (carga positiva).

Las órbitas distorsionadas

de los átomos del dieléctrico,

más la fuerza electrostática

de atracción entre las dos

placas, sostienen las cargas

positivas y negativas en su

posición original. Así, la

energía proveniente de la

batería está ahora

almacenada en el campo

electrostático del capacitor.

La Figura 1.16.51, muestra el sím

de dos placas separadas por un espacio q

Fig. 1.16.50 Capacitor Simple

curvada del símbolo representa la placa que debe conectarse a la poalridad negativa.

140

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Unidad de capacitancia

la Capacitancia es el Farad ( F ). Un capacitor tiene un

arad de capacitancia, cuando almacena un Coulomb de carga al aplicarle un Volt en

C (Farads) = --------------------

nde. Para fines

rácticos se usa un submúltiplo, que es:

ad física del capacitor. Esta no depende de

aracterísticas del circuito como corriente, voltaje ó resistencia. Un capacitor dado,

ue afectan el valor de la capacitancia

de tres factores.

El área de las placas

ca del material entre las placas

El ár de la capacitancia en la misma forma que el

tama contener el tanque. Un

La unidad de medición de

F

sus terminales. Esto puede ser expresado por la fórmula:

Q (Coulombs)

Fig. 1.16.51 Simbolo del Capacitor

E (Volts)

El Farad es una unidad muy gra

p

Microfarad (µF) = 0.000,001 Farad

La Capacitancia es una propied

c

tiene siempre el mismo valor de capacitancia (Farads), en cualquier circuito que sea

instalado.

Factores q

El valor de la capacitancia de un capacitor depende

La distancia entre las placas

La Constante Dieléctri

ea de las placas afecta el valor

ño de un tanque afecta la cantidad de líquido que puede

capacitor con área de placas grande, puede almacenar más cargas que un capacitor

con área de placas pequeña. Dicho de manera simple, entre mayor sea el área de

las placas, mayor es la capacitancia.

141

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación El segundo factor que afecta la capacitancia es la distancia entre las placas. Las

líneas de fuerza electrostáticas son más fuertes cuando las partículas cargadas que

teriales aislantes

islador

con la del

ual a uno.

r para su uso o substitución, deben tenerse en

onsideración el valor de la capacitancia deseado así como el voltaje que va a ser

aplicado a las terminales del capacitor. Si el voltaje aplicado al capacitor es tan

las crearon están más cercanas. Cuando las partículas cargadas se alejan, las líneas

de fuerza se debilitan, y la habilidad de almacenar cargas decrece.

El tercer factor que afecta la Capacitancia es la Constante Dieléctrica del material

aislante colocado entre las placas del capacitor. Los diversos ma

usados como dieléctrico en los capacitores, difieren en su habilidad para responder a

las líneas de fuerza. Un material dieléctrico ó aislador, es calificado por su habilidad

para responder a las líneas de fuerza electrostática en términos de una figura

llamada Constante Dieléctrica.

Un material dieléctrico con una alta

Constante Dieléctrica es mejor a

que un material dieléctrico con baja

constante Dieléctrica. Las Constantes

Dieléctricas de algunos materiales

comunes, se enlistan en la tabla 1.16.1.

Como el vacío es una referencia

estandar, se le ha asignado una

Constante Dieléctrica de uno.

Las Constantes Dieléctricas de otros

materiales están comparadas

vacío. Aunque la Constante Dieléctrica

del aire ha sido determinada como

aproximadamente la misma del vacío, la

Constante del aire puede ser considerada ig

Rangos de los capacitores

Tabla 1.16.1 Constantes Dieléctricas

Al seleccionar un capacito

c

142

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación grande que supera su rango de voltaje, el dieléctrico fallará, y se producirá un arco

entre las placas del capacitor. Cuando esto ocurre, el capacitor se convierte en un

corto-circuito y el flujo de corriente a través de él daña otros componentes eléctricos.

Un capacitor no es un conductor. Es usado como una fuente de poder que suministra

corriente al circuito a un tiempo diferente del que lo recibió originalmente. Cada

capacitor tiene un rango de voltaje (voltaje de trabajo), que nunca debe excederse.

Pérdidas en los capacitores

Las pérdidas de potencia en los capacitores, pueden ser atribuidas a Histéresis

. La Histéresis Dieléctrica es un efecto en el material

ieléctrico similar a la histéresis encontrada en materiales magnéticos. Es el

del dieléctrico es anormalmente alta, habrá

.

Dieléctrica y Fugas Dieléctricas

d

resultado de los cambios de orientación de las órbitas de los electrones en el

dieléctrico ocasionadas por los rápidos cambios de la polaridad en el voltaje. La

magnitud de las pérdidas por Histéresis Dieléctrica depende del tipo de dieléctrico

utilizado. El vacío como dieléctrico, tiene las menores pérdidas.

Las Fugas Dieléctricas ocurren en los capacitores como resultado de fugas de

corriente a través del dieléctrico. Normalmente se asume que el dieléctrico evitará la

fuga de corriente a través del capacitor.

Aunque la resistencia del dieléctrico es muy alta, una mínima cantidad de corriente

puede fluir. Ordinariamente esta corriente es tan pequeña que para fines prácticos se

ignora. Sin embargo, si la fuga a través

una rápida pérdida de carga se sobrecalentará el capacitor.

La pérdida de potencia en el capacitor está determinada por las pérdidas en el

dieléctrico. Si la pérdida no es significativa y el capacitor regresa la carga completa al

circuito, se considera un capacitor perfecto, con pérdidas cero

143

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Carga y descarga de un capacitor

arga

ara entender mejor la acción de un capacitor en conjunto con otros componentes,

alizarse primero la acción de carga y descarga en un circuito capacitivo puro.

ara facilitar la explicación, se asume que el capacitor y la fuente de voltaje en la

cuito está abierto y no se aplica

lisis de paso-por-paso.

eve a la posición (2) (vista B), un

eamente en todas las partes el circuito.

C

P

debe an

P

Figura 1.16.52, son perfectos (sin resistencia interna) aunque esto es imposible en la

práctica.

La vista A, muestra un capacitor descargado, conectado a un interruptor de cuatro

posiciones. Con el interruptor en la posición

(1), el cir

voltaje al capacitor. Inicialmente; cada placa

del capacitor es un cuerpo neutro: Hasta que

una diferencia de potencial se aplique a

través del capacitor, no existe campo

electrostático entre las placas. Para cargar

el capacitor, el interruptor debe moverse a la

posición (2), lo que coloca al capacitor entre

los extremos de la batería. Bajo las

condiciones asumidas como perfectas, el

capacitor alcanzará su carga completa

instantáneamente. Sin embargo, en las

siguientes discusiones se considerará que la

acción de carga toma algún tiempo, para un aná

En el instante en que el interruptor se mu

desplazamiento de electrones ocurre simultán

Este desplazamiento de electrones está dirigido, desde la terminal negativa de la

Fig. 1.16.52 Carga y Descarga de un Capacitor

batería y hacia la terminal positiva de la batería. Una ola momentánea de corriente

fluirá cuando el capacitor se carga.

144

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Si fuera posible analizar el movimiento de electrones en esta oleada de corriente de

carga, la acción descrita podría verse como en la figura 1.16.53.

ente.

a superior y otros abandonan la placa

Cada electrón

n observador

En el instante en que el interruptor se cierra,

la terminal positiva de la batería extrae un

electrón del conductor inferior. La terminal

negativa de la batería empuja un electrón en

el conductor superior. En el mismo instante,

un electrón es forzado dentro de la placa

superior del capacitor y otro es jalado de la

placa inferior. Así, en cada parte del circuito

un desplazamiento de electrones en

dirección hacia la derecha ocurre simultáneam

Conforme se acumulan electrones en la plac

inferior, se crea una diferencia de potencial a través del capacitor.

Fig. 1.16.53 Corriente de Carga

forzado en la placa superior hace esta placa más negativa, mientras que cada

electrón removido de la placa inferior hace esta placa más positiva. La polaridad del

voltaje que crece en el capacitor es tal, que se opone al voltaje de la fuente. La

fuente de voltaje (FEM) empuja la corriente alrededor del circuito de la Figura

1.16.53, en dirección hacia la derecha. La FEM desarrollada a través del capacitor

sin embargo, tiene la tendencia de forzar la corriente en dirección a la izquierda,

oponiéndose a la fuente de FEM. A medida que el capacitor continúa su carga, el

voltaje a través del capacitor aumenta, hasta que es igual al de la fuente de voltaje.

Una vez que el voltaje del capacitor es igual al voltaje de la fuente, los dos voltajes

están en balance uno con otro y la corriente deja de fluir en el circuito.

Durante el proceso de carga del capacitor, en realidad no fluye corriente a través de

él. El material entre las placas es un aislador. Sin embargo, para u

colocado en la fuente ó a lo largo de un de los conductores del circuito, la acción

aparenta ser un verdadero flujo de corriente, aunque el material aislante colocado

entre las placas, evita que la corriente tenga un camino completo. Esta corriente que

aparentemente fluye a través del capacitor se llama desplazamiento de corriente.

145

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Cuando un capacitor está completamente cargado y el voltaje de la fuente es

igualado por la Fuerza Contra-Electromotriz, en el capacitor, el campo electrostático

placa

carga. Esta corriente de carga genera una

o fuente de FEM.

entre las placas es el máximo (Figura 1.16.50). Como la fuerza electrostática del

campo es máxima, la energía almacenada en el campo dieléctrico es máxima.

Si el interruptor se abre ahora (Figura 1.16.54, vista A), los electrones en la placa

superior están aislados. Los electrones en la placa superior son atraídos a la

inferior cargada. Debido a que el dieléctrico es un aislador, los electrones no pueden

cruzar el dieléctrico hacia la placa inferior. Las cargas en ambas placas están

atrapadas por el campo electrostático, y el capacitor permanecerá cargado. Sin

embargo, el material dieléctrico aislante de un capacitor práctico no es perfecto, por

lo que una pequeña fuga de corriente fluirá a través del dieléctrico. Esta corriente

eventualmente disipará la carga. Sin embargo, un capacitor de alta calidad

mantendrá su carga por un mes ó más.

Haciendo un resumen, cuando un capacitor se conecta a través de una fuente de

voltaje, fluye una oleada de corriente de

FCEM a través del capacitor, la cual se

opone al voltaje aplicado. Cuando el

capacitor está completamente cargado,

la FCEM es igual al voltaje aplicado, y

la corriente de carga cesa. Con la carga

completa, el campo electrostático entre

las placas tiene la intensidad máxima, y

la energía almacenada en el capacitor

es la máxima. Si el capacitor se

desconecta de la fuente, la carga será

retenida por algún tiempo. La duración

del tiempo que la carga es retenida

depende de la magnitud de la fuga

de corriente. Ya que el capacitor

almacena energía, un capacitor cargado puede actuar com

Fig. 1.16.54 Descarga de un Capacitor

146

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Descarga

Para descargar un capacitor, las cargas en las dos placas deben ser neutralizadas.

sto se hace proporcionando un camino conductor entre las dos placas (Figura

ndo el capacitor se descarga,

lo

en serie ó en paralelo para obtener valores

sultantes, que pueden ser, ya sea la suma de los valores individuales (en

ectar capacitores en serie, equivale a mover las placas

lejándolas. Un capacitor NO es un

E

1.16.54, vista B).

Con el interruptor en la posición (4), el exceso de electrones en la placa negativa

pueden fluir hacia la positiva y neutralizar su carga. Cua

las órbitas distorsionadas de los electrones en el dieléctrico regresan a sus

posiciones normales, y la energía almacenada es regresada al circuito. Un capacitor

no consume potencia. La energía que el capacitor recibe de la fuente es recuperada

cuando el capacitor se descarga.

Capacitores en serie y en parale

Los capacitores pueden conectarse

re

paralelo), ó un valor menor que el más pequeño (en serie).

Capacitores en Serie

El efecto final de con

a

conductor. El dieléctrico está bajo la

influencia de un campo electrostático, y la

polaridad que crea un campo electrostático

puede existir de manera efectiva únicamente

en las placas exteriores de ambos

capacitores. La influencia del campo

electrostático se reduce. (Figura 1.16.55). El

punto de unión entre C1 y C2 es

esencialmente neutro. La capacitancia total Fig. 1.16.55 Capacitores en Serie

147

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación del circuito se obtiene entre la placa más a la izquierda de C1 y la placa más a la

derecha de C2.

Debido a que éstas placas están tan alejadas, el valor total de la capacitancia se

te la similitud entre las fórmulas para Rt y Ct :

1 ---------------

-

1

Ct = -------------------------------------

-

i el circuito contiene más de tres capacitores, utilice la fórmula anterior. Si el circuito

C1 x C2

ota: Todos los valores de Ct, C1, C2, C3, etc., deben estar dados todos en las

mismas unidades (Farads ó Microfarads). Es evidente por la fórmula, que la

reduce. Calcular la capacitancia total ( Ct ) de capacitores conectados en serie, es

similar a calcular la resistencia total ( Rt ) de resistencias conectadas en paralelo.

No

Rt = ---------------------- 1 1 1 ------ + ------- + ----- R1 R2 Rn

1 1 1 ------ + ------- + ----- C1 C2 Cn

S

contiene sólo dos capacitores, utilice la siguiente fórmula:

Ct = --------------- C1 + C2

N

148

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación capacitancia total de capacitores en serie, es menor que la menor de las

capacitancias individuales.

Capacitores en Paralelo

Cuando los capacitores se conectan en paralelo, una placa de cada capacitor es

onectada directamente a una terminal de la fuente, mientras que la otra placa del

nectar

a capacitancia total, es igual a la suma de

individuales. La capacitancia total puede ser calculada con la

C2 + C3 + - - - - - Cn

las capacitancias deben ser dadas en las mismas

nidades.

c

capacitor es conectada a la otra terminal de la fuente.

La Figura 1.16.56, muestra todas las placas negativas de los capacitores conectadas

juntas y todas las placas positivas

conectadas juntas. Ct, por lo tanto

aparenta ser un capacitor con un área

de placas igual a la suma de todas las

áreas individuales de las placas.

La capacitancia es una función directa

del área de las placas. Al co

capacitores en paralelo, se incrementa

efectivamente el área de las placas,

y por lo tanto, se incrementa la

capacitancia total.

Para capacitores conectados en paralelo, l

las capacitancias

Fig. 1.16.56 Capacitores en Paralelo

fórmula:

Ct = C1 +

Donde los valores de todas

u

149

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Capacitores fijos

construye de tal manera que posee un valor fijo de capacitancia

no puede ser ajustado. Un capacitor fijo se clasifica de acuerdo al material usado

el está hecho de tiras de metal conductor muy delgadas, que

stán separadas por papel encerado (el

n muy resistentes y

de temperaturas. La Figura 1.16.57,

apacitor de papel inmerso en aceite. Como el

Un capacitor fijo, se

y

como dieléctrico, tal como papel, aceite, mica ó electrolítico. Dos capacitores

encontrados comúnmente son el capacitor electrolítico y el capacitor de papel.

Capacitor de papel

Un Capacitor de pap

e

dieléctrico). Los capacitores de papel tienen

rangos desde 300 picofarads hasta 4

microfarads. El voltaje de trabajo de los

capacitores de papel, rara vez excede los 600

Volts. Los capacitores de papel están sellados

con cera, para prevenir la corrosión, fugas y

efectos dañinos de la humedad.

Se utilizan diferentes materiales como cubierta

exterior de los capacitores de papel,

la más simple es un tubo de cartón. Algunos

capacitores están encapsulados en plástico duro. Estos tipos so

pueden ser usados en un rango más amplio

muestra la construcción de un capacitor de papel.

Los capacitores de papel que se usan como capacitores de trabajo en los motores

monofásicos, tienen cubierta metálica.

Fig. 1.16.57 Capacitor de Papel

En algunas aplicaciones de potencias más altas, se usan Capacitores de Aceite. Un

capacitor de aceite no es más que un c

papel impregnado de aceite tiene más alta constante dieléctrica, se usa para producir

capacitores con valores más altos de capacitancia

150

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Capacitor electrolitico

El capacitor electrolítico, se usa donde se requieren valores grandes de capacitancia.

re, el capacitor contiene un electrólito.

difrencia del Capacitor de papel que se puede conectar con cualquier polaridad, el

lectrólito. Los valores de

papel. La placa positiva

l poroso, impregnada con el electrólito.

del capacitor. Una segunda hoja de

almente la placa positiva a la terminal negativa de la

Como lo implica el nomb

A

capacitor electrolítico debe siempre conectarse de acuerdo a la polaridad marcada

en sus terminales.

Un capacitor electrolítco consiste

esencialmente de dos placas de metal,

separadas por un e

capacitancia y el rango de voltaje,

generalmente están impresos en el exterior

de su envase.

Internamente, el capacitor electrolítico

está construido de manera similar al

capacitor de

consiste en una hoja de aluminio, cubierta

con una película extremadamente fina de

óxido. Esta delgada película de óxido, la

cual se forma por un proceso electroquímico, actúa como el dieléctrico del capacitor.

En contacto con el óxido hay una tira de pape

El electrólito actúa como la placa negativa

aluminio se coloca contra el electólito para proporcionar contacto eléctrico con el

electrodo negativo. Cuando las tres capas están en posición, se enrollan, formando

un cilindro (Figura 1.16.58).

El capacitor electrolítico de CD, tiene dos desventajas comparado con el capacitor de

papel. El electrolítico es polarizado, y tiene baja resistencia de fuga. Esto significa

que si se conecta accident

Fig. 1.16.58 Capacitor Electrolítico

fuente, la película dieléctrica de óxido se disolverá, y el capacitor se hará conductor.

Es decir se pondrá en corto-circuito.

151

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Los capacitores electrolíticos, tienen la polaridad indicada en las terminales ó en el

envase. Nunca deben conectarse en circuitos de CA. Siempre debe respetarse la

polaridad. El capacitor puede explotar si no se observan estas precauciones.

uando los valores de voltaje y corriente cambian durante un ciclo juntos, o sea que

inician, alcanzan su valor máximo y cambian de dirección al mismo

empo, el voltaje y la corriente están en fase.

y la corriente en un circuito, es el

vista A, muestra las ondas senoidales de voltaje y corriente en un circuito de

Reactancia

C

sus valores

ti

Cuando esos mismos valores no están en fase porque uno de los valores está

adelantado ó retrasado con respecto al otro, se dice que el voltaje y la corriente están

defasados. El defasamiento entre el voltaje

resultado directo del efecto que la capacitancia y la inductancia tienen sobre el

circuito.

Un circuito resistivo puro (si existiera), tendría las ondas de voltaje y corriente

aumentando, disminuyendo y cambiando de dirección al mismo tiempo. La Figura

1.16.59,

CA puramente resistivo. El voltaje y la corriente no tienen la misma amplitud, pero

están en fase. En el caso de un circuito que tenga inductancia, la oposición de la

Fuerza Contra-Electromotriz (FCEM), será suficiente para evitar que la corriente

permanezca en fase con el voltaje aplicado. En un circuito de CA conteniendo

inductancia pura, le tomará a la corriente un tiempo empezar a crecer, lo que hace

hasta que el voltaje aplicado es casi el máximo. La vista B, muestra las formas de

onda para una carga inductiva pura en etapas de cuartos de ciclo. Al aplicar un

voltaje de CA, en el primer cuarto de ciclo (de 0° a 90°), el valor del voltaje se

incrementa continuamente. Como el circuito tiene inductancia, y la inductancia se

opone a los cambios del flujo de corriente, no fluye corriente durante el primer cuarto

de ciclo. En el siguiente cuarto de ciclo (90° a 180°) el voltaje decrece hasta cero. La

corriente empieza a circular en el circuito, y alcanza su valor máximo en el mismo

instante que el voltaje llega a cero.

152

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación El voltaje aplicado empieza ahora a crecer a un máximo en la otra dirección, y es

seguido por la corriente resultante. Cuando el voltaje alcanza otra vez su valor

en oposición a los que tenían durante el primer medio ciclo. El voltaje aplicado está

adelantado a la corriente resultante por un cuarto de ciclo ó 90 grados. Al completar

te que circula en un inductor cambia de dirección

onstantemente, como es el caso de la Corriente Alterna, la inercia de la FCEM es

bién, entre más rápida sea la inversión de la corriente, mayor

máximo al final del tercer cuarto de ciclo (270°), todos los valores están exactamente

el ciclo completo de 360°, el voltaje decrece otra vez a cero y la corriente llega a su

valor máximo. La Figura 1.16.60, muestra como la corriente en un circuito inductivo

puro, está retrasada 90 grados con respecto al voltaje.

Reactancia inductiva

Fig. 1.16.59 Ondas en Fase y Defasadas

Cuando la corrien

c

mayor que con CD.

Entre más grande sea el valor de la inductancia, mayor será la oposición de este

efecto de inercia. Tam

será la oposición de esta inercia. Esta fuerza de oposición que presenta el inductor al

flujo de la corriente alterna no puede ser llamada resistencia, ya que no es el

resultado de fricción dentro del conductor.

153

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

El nombre que se le da es

Reactancia Inductiva, porque es la

acción del inductor a la corriente

or de la Reactancia Inductiva

:

nductiva en Ohms

= 3.1416

= Frecuencia en Hertz

= Inductancia en Henrys

apacitores y la corriente alterna

Las cuatro partes de la figura 1.16.61, muestran la variación del voltaje y la

itivo para cada cuarto de un ciclo. La línea sólida

presenta el voltaje a través del capacitor,y la línea punteada representa la

re

alterna.

La reactancia inductiva se mide en

Ohms ( Ω ), y su símbolo es XL.

El val

de un inductor se obtiene con la

fórmula:

Fig. 1.16.60 Angulo de fase en un circuito inductivo

XL = 2πfL Donde

XL = Reactancia I

π

f

L

C

corriente de CA en un circuito capac

re

corriente. La línea del centro es el cero ó punto de referencia para el voltaje y la

corriente. La línea inferior marca el desarrollo del ciclo en términos de grados

eléctricos. Se asume que el voltaje de CA ha estado actuando sobre el capacitor por

algún tiempo antes del representado por el punto de inicio de la onda senoidal de la

154

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación figura.

Al inicio del primer cuarto de ciclo (0° a 90°), el voltaje ha pasado por cero y se está

incrementando. Como el punto cero es la parte más baja de la onda senoidal, el

está cambiando a gran velocidad. La carga en el capacitor varía directamente

ay

itor, la reducción de voltaje significa que ha acumulado un exceso de

imo. Al pasar los 180°, el

voltaje

con el voltaje. De ahí , que la carga en el capacitor está cambiando a una gran

velocidad al principio del primer cuarto del ciclo. En otras palabras, la mayor cantidad

de electrones se están moviendo hacia afuera de una placa y hacia dentro de la otra.

Así, la corriente en el capacitor está en su valor máximo. (Figura 1.16.61, vista A)

A medida que el voltaje se acerca al máximo, a 90 grados, su velocidad se hace

cada vez menor. Por lo tanto, a corriente decrece hacia cero. A 90 grados, el voltaje

a través del capacitor es máximo, y el capacitor está completamente cargado. No h

más movimiento de electrones de placa a placa. Por esto, la corriente a 90 grados es

cero.

Al final del primer cuarto de ciclo, el voltaje alterno deja de incrementarse en

dirección positiva y empieza a decrecer. Es aún un voltaje positivo, pero para el

capac

electrones. El flujo de corriente debe invertir su dirección. La Figura 1.16.61, vista B,

muestra la corriente cuando está debajo de la línea de cero (dirección negativa de la

corriente) durante el segundo cuarto de ciclo (90° a 180°).

A 180°, el voltaje ha caído a cero. Esto significa que por un breve instante, los

electrones están distribuidos de manera igual entre las dos placas. La corriente es

máxima porque la velocidad del cambio del voltaje es máx

voltaje ha invertido su polaridad y empieza a crecer hasta su valor máximo negativo,

el cual alcanza al final del tercer cuarto de ciclo (180° a 270°). Durante este tercer

cuarto de ciclo, la velocidad del voltaje cambia gradualmente, decreciendo, mientras

la carga llega a su máximo, a los 270°. En este punto, el capacitor está

completamente cargado. Debido a que el capacitor está completamente cargado, no

hay más intercambio de electrones. De ahí que el flujo de corriente es cero en este

punto. La condición es exactamente la misma que al final del primer cuarto de ciclo,

pero la polaridad está invertida.

155

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Antes de los 270°, el voltaje otra vez empieza a decrecer, y el capacitor debe ceder

electrones desde la placa negativa. Debe descargarse, empezando a una velocidad

La Figura 1.16.61 vista D, muestra que la relación de fase entre la corriente y el

oltaje en un circuito capacitivo, es exactamente opuesta a la de un circuito inductivo.

ia produce una oposición al flujo de la corriente alterna

amada Reactancia Inductiva, la Capacitancia produce también una oposición a la

mínima de flujo, incrementándose a un valor máximo. Esta acción de descarga

continúa durante el último cuarto del ciclo (270° a 360°), hasta que el voltaje aplicado

llega a cero. A 360°, se ha regresado al inicio del ciclo y todo vuelve a empezar.

Fig. 1.1661 Angulo de fase en un circuito capacitivo

v

La corriente a través de un capacitor, está adelantada respecto al voltaje 90°.

Reactancia capacitiva

Así como la inductanc

ll

corriente alterna, llamada Reactancia Capacitiva. El valor de la reactancia capacitiva

también se mide en Ohms , y el valor de la reactancia capacitiva de un capacitor se

calcula con la fórmula siguiente:

156

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

1 XC = ----------

C

ctancia Capacitiva en Ohms

= 3.1416

ncia en Farads

Inductiva y la Reactancia Capacitiva, actúan oponiéndose al flujo de la

orriente Alterna en los circuitos. Sin embargo, otro factor, la Resistencia también se

valor de la impedancia simplemente

es cierto que la corriente no estará en fase

con el voltaje, ni estará defasado exactamente 90°.

2π f Donde:

Xc = Rea

π

f = Frecuencia en Hertz

C = Capacita

Impedancia

La Reactancia

C

opone al flujo de corriente. Debido a que los circuitos prácticos de corriente alterna

contienen Reactancia y Resistencia, las dos se combinan para oponerse al flujo de

corriente. Esta oposición combinada de la resistencia y la reactancia se llama

impedancia, y se representa por la letra Z.

Aunque los valores de reactancia y resistencia se dan en Ohms, a primera vista

parece que es posible determinar el

sumándolas. Sin embargo, esto no puede hacerse tan fácilmente. En un circuito de

corriente alterna que contiene solamente resistencia, el voltaje y la corriente están

en fase, y alcanzan sus valores máximos en el mismo instante. También, en un

circuito de corriente alterna que contiene sólo reactancia, la corriente estará

adelantada ó retrasada del voltaje 90°.

Cuando la reactancia y la resistencia se combinan, el valor de la impedancia será

mayor que cualquiera de ellas. También

157

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Habrá una condición que estará entre en fase y 90° fuera de fase. Entre mayor sea

la reactancia comparada con la resistencia, más cerca estará el ángulo de 90°. Entre

mayor sea la resistencia comparada con la reactancia, más cerca estará la diferencia

=

de fase de los 0°.

La fórmula para calcular la impedancia se expresa de la siguiente manera:

Z ( ) 22 RXCXL +−

Donde:

Z = Impedancia en Ohms

ctancia Inductiva en Ohms.

C = Reactancia Capacitiva en Ohms

XL = Rea

X

R = Resistencia en Ohms.

158

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación 1.17.- Megohmetro (Megger)

n ohmetro ordinario no puede ser usado para medir resistencias de muchos

cuentran en el aislamiento de los conductores, para

fectuar una prueba adecuada del aislamiento, es necesario utilizar un potencial más

l Megger, (Figura 1.17.1 ), es un instrumento

dos elementos

rimarios:

inistra el voltaje necesario para

El instrumento es del tipo de bobinas opuestas,

com

y b, es

ia entre las

U

millones de ohms, como se en

e

alto que el proporcionado por una batería en un ohmetro. Para esas pruebas se usa

el Megohmetro o Megger

Construcción del Megger

E

portátil que consiste de

p

Un generador de Corrriente Directa (G),

movido a mano ó por un motor. Este

sum

hacer las mediciones.

Un instrumento, en el cual se indica el

valor de la resistencia que se va medir.

o se muestra en la vista (A). Las bobinas a

tán montadas en el miembro móvil c, con

una relación fija entre ellas, y giran libremente

como una sola unidad dentro del campo

magnético. La bobina b tiende a mover la aguja

hacia la izquierda y la bobina a tiende a mover

la aguja hacia la derecha.

La bobina a, está en serie con R3 y con la

resistencia desconocida Rx. La combinación de

R3 Y Rx, forma una trayector Fig. 1.17.1 Megger

159

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación escobillas positiva (+) y negativa (-) del generador de CD.

La bobina b está conectada en serie con R2 , y esta combinación también está

conectada a través del generador. No existen resortes que actúen sobre el miembro

r

de los Meggers son de 500 y 1000 Volts.

ohmetro, el megger únicamente debe utilizarse en equipos

esenergizados.

tado sólido.

e para medir resistencias altas.

Nunca toque las puntas cuando el Megger está siendo operado.

egger.

uitos.

móvil, por esto, laa aguja se mueve libremente y puede reposar en cualquier punto

de la escala. Cuando se compruebe la operación del Megger, separe las dos puntas

de prueba una de otra, opere la manivela, debe haber una lectura de muy alta

resistencia ó infinito.. A continuación una las dos puntas de prueba y gire la manivela,

ahora la lectura debe ser cero resistencia. No toque las puntas cuando el megger

está siendo operado.

Rangos de los Megge

Los rangos más comunes

Pruebas con Megger

Al igual que al usar el

d

Adicionalmente el megger nunca debe utilizarse en equipos que tienen componentes

electrónicos de es

Precauciones al usar Megger

Use el Megger únicament

Desenergice y descargue el equipo antes de conectar el M

Desconecte el componente que está siendo probado de otros circ

Úsese solamente en circuitos que funcionan con 100 Volts ó más.

160

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

1.18.- Multimetros l multímetro es el instrumento de uso más común por el personal de mantenimiento

proviene de mediciones múltiples, que es exactamente lo que

hmmetro.

ración de los instrumentos de medición de CA y CD

edición, hay instrumentos dedicados, que se

e

rededor

geográfico

E

eléctrico. Su nombre

hace.

El multímetro combina: Vólmetro y ampérmetro de CD ; Vóltmetro y ampérmetro de

CA y o

Principio de ope

Existen diferentes tipos de instrumentos de

m

encuentran fijos en los tableros y únicamente

hacen mediciones en un tipo de unidades y

también hay instrumentos portátiles, que

generalmente tienen la posibilidad de efectuar

mediciones en diferentes escalas y unidades.

El principio de operación de la mayoría de los

instrumentos está basado en el principio d

interacción de los campos magnéticos.

Un conductor eléctrico por el cual fluye

corriente genera un campo magnético al

de él. Si se coloca una brújula cerca del

conductor, la aguja de la brújula reaccionará al

campo magnético. (Figura 1.18.1).

Si la batería está desconectada, la aguja de la

brújula señalará al polo norte

Fig.1.18.1 Principio de operación de los instrumentos

(posición marcada por la aguja dibujada con

línea punteada). Al cerrar el circuito y circular

una corriente, el campo magnético alrededor del

conductor hace que la aguja de la brújula se

161

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación mueva de su posición original por efecto del campo magnético alrededor del

conductor (posición marcada por la aguja dibujada con línea continua). En la vista A

la resistencia de 6 Ohms hace que circule 1 Amper, mientras que en la vista B y C, la

resistencia de 12 Ohms hace que circule una corriente de 0.5 Amper, por lo que el

movimiento de la aguja será menor. Además, al invertir el sentido de la corriente en

la vista C, la dirección del movimiento de la aguja se invierte.

Lo que se tiene en el dispositivo descrito es un imán permanente ( la aguja de la

magnético fijo y es el conductor, arrollado en

e dos

ura 109).

rriente en la bobina se incrementa, el

obina.

ina, y

ementar la precisión y eficiencia el

instrumento. Primero, se coloca un núcleo de hierro dentro de la bobina para

brújula) moviéndose dentro de la influencia de un campo magnético (el campo

generado alrededor del conductor).

En la práctica, se utiliza un campo

forma de bobina el que tiene movimiento como se muestra en la Figura 1.18.2.

Para usar este dispositivo de imán permanente y bobina móvil, deben resolvers

problemas. Primero, se debe encontrar la forma de regresar la bobina móvil a su

posición original cuando no circula corriente por la bobina. Segundo, se requiere

encontrar un método para indicar la cantidad de movimiento de la bobina.

El primer problema se resuelve agregando espirales de resorte capilar (Fig

Estos resortes capilares también son usados para hacer las

conexiones eléctricas de la bobina. Los resortes también

tienden a resistir el movimiento de la bobina cuando

circula corriente por ella. Cuando la atracción entre los

campos magnéticos (del imán permanente y de la

bobina) igualan exactamente la fuerza de los resortes, la

bobina cesa su movimiento a través del imán

permanente.

Cuando la co Fig. 1.18.2 Aplicación práctica

campo magnético alrededor de ella se incrementa.

Cuanto más fuerte sea el campo, mayor será el desplazamiento de la b

El segundo problema se soluciona agregando una aguja agregada a la bob

extendiéndola sobre una escala (Figura 1.18.3).

Otras dos características son usadas para incr

162

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación concentrar el campo magnético. Segundo, se curvan las caras de los polos del imán

para asegurar que la fuerza de torsión de la bobina sea uniforme.

Este dispositivo móvil de imán permanente y bobina es usado en la mayoría de los

instrumentos analógicos y se le llama comúnmente Dispositivo D´arsonval. El

orriente en circuitos de Corriente Directa.

dir voltaje se denomina Vóltmetro. El vóltmetro

ásicamente consiste de un dispositivo móvil con una resistencia en serie

conjunto completo se muestra en la Figura 1.18.4.

Fig. 1.18.3 Agregado del resorte, escala y aguja

Fig. 1.18.4 Dispositivo D´arsonval

Este instrumento puede utilizarse para medir valores de Voltaje ó intensidad de

c

Vóltmetros de corriente directa

El instrumento utilizado para me

b

Para medir Voltaje, el instrumento se conecta en paralelo con la fuente de voltaje o

en paralelo con la carga cuya diferencia de potencial se quiere medir.

Para incrementar el rango de sensitividad del Vóltmetro se conecta en serie con el

instrumento una resistencia llamada resistencia multiplicadora.

163

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Al efectuar mediciones con Vóltmetros portátiles tome las siguientes precauciones

para evitar lesiones al personal y daños al instrumento o al equipo:

propiada

ir voltaje de C.A.

Amp m

des de corriente se llama Ampérmetro. Éste

onsiste básicamente de un dispositivo móvil con una resistencia conectada en

requiere medir corrientes de valor elevado, se mide la caída de voltaje a

muy pequeño

ión del dispositivo móvil o dispositivo D´arsonval

ara medir Corrientes o Voltajes de Corriente Directa; para medir voltajes de

óltmetros de corriente alterna

Siempre conecte los vóltmetros en paralelo

Siempre empiece con la escala más alta

En vóltmetros de C.D. observe la polaridad a

Nunca use un vóltmetro de C.D. para med

ér etros de Corriente Directa

El instrumento para medir intensida

c

paralelo.

Para medir Intensidad de Corriente, se conecta el instrumento en serie con la carga.

Cuando se

través de una resistencia llamada resistencia Shunt, que es de un valor muy bajo,

para no afectar el circuito y se determina el valor por la Ley de Ohm.

En algunos sistemas el valor de la corriente se obtiene a partir de dispositivos

especiales, como el Dispositivo de Efecto Hall, en forma de voltaje

(milivolts), el cual es amplificado electrónicamente y convertido en voltaje de C.D., y

este voltaje es suministrado a un vóltmetro de C.D. con escala calibrada en Amperes.

Instrumentos de corriente alterna

Hasta aquí se ha discutido la utilizac

p

corriente alterna, se utiliza el mismo dispositivo, pero el voltaje de C.A. se rectifica

antes de aplicarlo al instrumento. Debido a que el valor medido es el valor eficaz, se

utiliza otra escala para hacer la medición.

V

164

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación El vóltmetro de Corriente Alterna es un voltmetro de C.D. , al que antes de aplicarle

l voltaje de C.A., éste se convierte en C.D., por medio de un Rectificador. Su

na por lo general son vóltmetros de corriente

lterna que se usan en combinación con un Transformador de Corriente. El

tros de gancho

corriente de C.A. existe

n instrumento que funciona basado en el principio

lógico ó digital.

nterior de la pinza.

r enrollado

e

conexión al igual que el vóltmetro de C.D. es en paralelo con la fuente de voltaje o

con la carga cuya caída de tensión se quiere medir.

Ampérmetros de corriente alterna

Los ampérmetros de corriente alter

a

transformador de corriente es un transformador de diseño especial, cuyo primario por

lo general consta de una sola espira y en cuyo secundario se induce una corriente de

valor bajo, entre 1 y 5 amperes, que se hacen circular a través de una resistencia de

bajo valor generalmente entre 0.5 y 1.0 ohms. El Voltmetro de C.A. registra la caida

de tensión en la resistencia y proporciona una lectura en una escala calibrada en

amperes.

Ampérme

Para medir Intensidades de

u

de inducción magnética Figura (1.18.5). En este

instrumento, el conductor pasando a través de las

pinza actúa como el primario de un transformador y

la pinza como el secundario del mismo, el campo

magnético de C.A. que rodea al

conductor induce en la pinza un voltaje proporcional

a la corriente, mismo que es medido ya sea por un instrumento ana

Se requiere que únicamente un conductor pase por el i

Cuando se comprueba un circuito en el que el valor de la corriente está por debajo

de la lectura más baja del ampérmetro de gancho, el conductor puede se

Fig. 1.18.5 Ampermetro De gancho

165

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación en la pinza del instrumento. Duplicando los conductores que pasan por la pinza se

duplica la fuerza del campo magnético. Para obtener el valor de la corriente se divide

la lectura entre dos. En general puede usarse cualquier número de vueltas

necesario, y el valor se obtiene dividiendo la lectura entre el número de vueltas.

Algunos ampérmetros de gancho están provistos de un botón que permite “congelar”

la lectura, lo cual es muy conveniente cuando se hacen mediciones en lugares

incómodos. De manera general, los multímetros son instrumentos, en los cuales por medio de

uno ó mas

interruptores selectores, se conectan a un dispositivo móvil, las

resistencias multiplicadoras en serie para convertirlo en vóltmetro de escalas

múltiples, o resistencias derivadoras en paralelo, para variar las funciones y los

rangos de capacidad de un instrumento.

166

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

1.19.- Frecuencimetros

iente Alterna generan a una frecuencia dada, o en un rango

e frecuencias,. Un Frecuencímetro proporciona un medio para medir esa frecuencia.

ás

imples. La Figura 1.19.1, es un diagrama

obina y ejerce

que tiene una frecuencia entre 55 y

Todas las fuentes de Corr

d

Este se usa en los tableros de control para monitorear la frecuencia. Dos tipos

comunes de frecuencímetro son el de lengüetas vibratorias y el de disco móvil.

Frecuencímetro de lengüeta vibratoria

Este frecuencímetro es uno de los m

s

simplificado de uno de ellos.

La corriente cuya frecuencia se quiere

medir, fluye a través de la b

atracción máxima sobre a armadura de

hierro suave dos veces durante cada ciclo.

La armadura está sujeta a la barra, la que

está montada sobre un soporte flexible. Las

lengüetas que tienen una frecuencia de

vibración natural de 110, 112, 114 y así

hasta 130 Hertz, están montadas en la

barra. La lengüeta que tiene una frecuencia

de 110 Hertz, está macada con 55. La de

112 Hertz está marcada con 56. La de 120

Hertz está marcada con 60, y así las

demás.

Cuando la bobina se energiza con una

corriente

65 Hertz, todas las lengüetas vibran

Fig. 1.19.1 Frecuencimetro de lengüetas

167

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación ligeramente. Pero la que tiene una frecuencia natural más cercana a la de la

corriente que se quiere medir vibra más.

El valor de la frecuencia se lee sobre la escala en la lengüeta de mayor longitud,

como lo muestra la vista ( C).

Frecuencímetros de disco móvil

Los frecuencímetros de disco móvil se utilizan tanto en los tableros como en

instrumentos portátiles. La Figura 1.19.2 , muestra uno de ellos.

Una de las bobinas tiende a hacer girar el disco en sentido de las manecillas del el

reloj, y la otra en sentido opuesto. La bobina “A” está conectada en serie con una

resistencia de alto valor. La bobina “B” está

conectada en serie con una inductancia de

alto valor y los dos circuitos están alimentados

en paralel. Para un voltaje dado, el valor de la

corriente en la bobina “A” permanece

constante, sin embargo, el valor de la

corriente en la bobina “B” varía con la

frecuencia. A más alta frecuencia, la

reactancia inductiva es mayor, y la corriente

en la bobina “B” es menor. Lo opuesto ocurre

a frecuencias bajas.

La dirección de giro del disco está

determinada por la bobina más fuerte.

Un disco perfectamente circular tendería a girar continuamente. Esto no es deseable.

Por esta razón, el disco está construido de tal manera que solamente gira cierta

cantidad hacia la derecha y cierta cantidad hacia la izquierda desde su posición

central, la que comúnmente está marcada como 60 Hertz. Para evitar que el disco

gire más de la cantidad deseada, la mitad izquierda del disco está motada de tal

manera que cuando se mueve, siempre estará la misma área del disco entre el polo

de la bobina “A”.

Fig. 1.19.2 Frecuencímetro de disco

168

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación En general los Frecuencímetros usados en los equipos de perforación están

constituidos por dos elementos: un circuito electrónico que calcula la frecuencia a

partir del voltaje de C.A. del sistema y lo suministra a un vóltmetro de C.D., cuya

escala está calibrada en Hertz. La escala más común es de 55-60-65 Hertz con un

voltaje de alimentación de 120 Volts C.A.

1.20.- Osciloscopio

El osciloscopio es un instrumento de medición que a diferencia de los instrumentos

mencionados anteriormente, no da valores, sino una representación gráfica en una

pantalla, de la forma de onda del voltaje medido. El valor de voltaje se obtiene

ubicando la posición de los puntos de la onda sobre una escala vertical graduada en

volts por división en la pantalla del instrumento. También se puede determinar el

periodo de una onda midiendo su longitud en una escala horizontal, la cual esta

graduada en milisegundos por división ó microsegundos por división.

La Figura 1.20.2 es un diagrama en bloques de los principales componentes de un

osciloscopio, donde se puede ver que el voltaje a medir es registrado por la punta de

prueba (sonda), pasa por la sección vertical, de donde se toma una muestra para

sincronizar el generador de rampa. La señal amplificada en la sección vertical es

aplicada a las placas de deflexión vertical de un tubo de rayos catódicos (T.R.C.). La

señal proveniente del generador de rampa amplificada se aplica a las placas de

deflexión horizontal del (T.R.C.). El efecto de los campos electrostáticos producidos

en estas placas actúa sobre un haz de electrones que viaja del cátodo del T.R.C.

hacia la pantalla, desviándolo de acuerdo a sus variaciones, y el impacto de este haz

electrónico sobre la capa interior de fósforo de la pantalla produce una imagen

luminosa de la onda.

La pantalla está marcada con una cuadrícula dividida en cuatro porciones por dos

líneas centrales, llamada gratícula. Las divisiones y sub-divisiones de esta gratícula

sirven de referencia para determinar los volts ó el tiempo, al interpretarse como la

medición sobre un regla. Algunos osciloscopios tienen la particularidad de poder

169

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación hacer dos mediciones simultáneamente, a través de dos canales independientes. La

Figura 1.20.1, muestra la parte frontal de un osciloscopio típico.

Fig. 1.20.1 Vista frontal de un osciloscopio

Fig. 1.20.2 Diagrama en bloques de un osciloscopio

170

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Independientemente de la cantidad de interruptores y selectores de control que tenga

un osciloscopio, para efectuar mediciones en circuitos eléctricos en equipos de

perforación básicamente se requieren mover los siguientes ajustes:

TIME/DIV (Tiempo por división).- Este es un solo selector y su ajuste es común

para los dos canales.

Para mediciones en circuitos de 60 Hertz, colocar

en 2 mS/div.

VOLTS/DIV (Volts por división).- Hay una perilla de ajuste individual para cada

canal.

Para iniciar la medición colocar la perilla del canal

seleccionado en la

posición más alta y de acuerdo con la amplitud de

la imagen obtenida

ajustar para obtener el mejor tamaño de imagen.

TRIGGER (Disparo).- Seleccionar MODE (Modo) NORMAL y SOURCE (Origen)

LINE (Linea)

Una vez efectuados los ajustes anteriores, se conecta la punta de prueba al conector

del canal seleccionado CH1 ó CH2, y su interruptor asociado se coloca en la posición

AC ó DC de acuerdo al tipo de voltaje a medir.

La punta de prueba tiene dos conexiones, una flexible que se conecta al negativo

(común), y una rígida que se conecta al positivo (vivo) del circuito que se va a medir.

171

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

1.21.- Dispositivos de proteccion de circuitos

Un dispositivo de protección es utilizado para mantener valores no deseados de

corriente, voltaje ó potencia fuera de un circuito. Algunos de los componentes que se

protegen con interruptores termo magnéticos y fusibles son los siguientes:

Cableado

Barras conductoras

Cables alimentadores

Tableros de distribución

Circuitos derivados

Cargas resistivas, diferentes a motores

Condiciones que requieren protección

Muchas cosas no deseadas pueden ocurrir en los circuitos eléctricos durante su

funcionamiento. Cambios en los valores y condiciones de los circuitos pueden

originar condiciones peligrosas, tanto para los circuitos, como para el personal que

labora cerca de ellos.

Las condiciones potencialmente peligrosas para las cuales los circuitos requieren

protección son:

Cortos-circuitos

Corriente Excesiva

Temperatura excesiva

Corto-circuitos

Uno de los problemas más serios que puede ocurrir en un circuito es un corto-circuito

directo. Este término describe una condición en la cual todo el voltaje del sistema se

pone en contacto a tierra ó con el lado de retorno del circuito sin pasar por la carga.

172

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Esto establece una trayectoria para la corriente, conteniendo sólo la resistencia

mínima que presentan los conductores que transportan la corriente.

De acuerdo con la Ley de Ohm, si la resistencia de un circuito es extremadamente

pequeña, la corriente será extremadamente grande. Por esto, cuando ocurre un

corto-circuito, circulará una corriente muy grande en los conductores. Supongamos ,

por ejemplo, que las terminales de una batería se ponen en contacto una con la otra.

Si las terminales no están aisladas en el punto de contacto, habrá un corto circuito.

Un corto de esta clase puede originar que la batería explote.

Los cables de la batería en este ejemplo podrían ser conductores gruesos, capaces

de soportar corrientes elevadas. La mayoría de los conductores utilizados en

circuitos eléctricos son más pequeños y su capacidad de conducir corriente está muy

limitada.

El calibre de los conductores usados en un circuito dado, está determinado por la

temperatura ambiente, el costo y el valor de la corriente que se espera que el

conductor transporte bajo condiciones normales de operación. De ahí que cualquier

flujo que exceda el normal, originará la rápida generación de calor en el conductor.

Corriente Excesiva

La corriente del circuito puede incrementarse sin que exista un corto. Si un resistor,

capacitor ó inductor, cambian de valor, también cambiará el valor de la impedancia

total. Si esto sucede, la corriente se incrementará, ya que los conductores y

componentes del circuito no están diseñados para soportar estos incrementos de

corriente, se producirá un sobre-calentamiento, de manera similar al corto-circuito.

Por lo tanto, el exceso de corriente sin corto-circuito, causará los mismos problemas

que un corto.

Temperatura Excesiva La temperatura excesiva destruye el aislamiento y las superficies de contacto,

reduciendo la vida útil de los componentes. Además del efecto de la corriente en

relación con la temperatura, otros dos factores afectan la generación de calor.

173

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Falta de limpieza, ya que los depósitos de cualquier material evitan la

disipación de calor generado en los conductores.

La temperatura ambiente. Los dispositivos eléctricos son seleccionados de

acuerdo al ambiente en que se localizan. Un componente diseñado para

operar a 40° C, no puede ser colocado en un ambiente de 50° C sin que tenga

efectos que lo deterioren.

Protección de circuitos

Todas las condiciones anteriores son potencialmente peligrosas y requieren el uso

de dispositivos de protección de circuitos. Los dispositivos de protección se usan

para interrumpir el flujo de corriente abriendo el circuito. Para lograr esto, el

dispositivo debe conectarse siempre en serie con el circuito que va a proteger.

Cuando existe un problema y el dispositivo de protección abre, esto aislará el circuito

que falló de las demás partes no afectadas del sistema, a tiempo para proteger el

resto de los circuitos. El dispositivo de protección no debe abrir durante la operación

normal.

Dos dispositivos de protección usados comúnmente son los los fusibles y los

interruptores de circuito.

Fusibles

Un fusible es un dispositivo de protección sencillo. Su nombre deriva del latín “fusus”

que significa “lo que se funde”. Los fusibles han sido empleados desde las primeras

aplicaciones de la electricidad. Los primeros tipos de fusibles eran simplemente un

alambre desnudo entre dos conexiones. El alambre era más delgado que el

conductor que estaba protegiendo, de ahí que se fundiría antes que el conductor

protegido.

Los fusibles se fabrican en muchas formas y tamaños, las principales son las de

cartucho y de tapón (Figura 1.21.1). Ambos tipos usan ya sea un alambre ó un listón

como elemento fusible (la parte que se funde). La condición de algunos fusibles

174

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación puede determinarse en forma visual. Otros fusibles solamente pueden comprobarse

con ayuda de un instrumento.

En los fusibles de cartucho, el eslabón

fusible está encerrado en un tubo de

material aislante con casquillos de metal

en cada extremo (para hacer contacto

con el porta-fusibles). Algunos de los

materiales más utilizados para los tubos

son: fibra, vidrio, baquelita, en algunos

se llena el tubo con polvo aislante.

La Figura 1.21.2, muestra fusibles en en

os protegidos por

tubo de vidrio. La vista (A) muestra el

eslabón fusible y los casquillos

metálicos. La vista (B), muestra un

fusible en tubo de vidrio fundido.

Los cartuchos fusibles están disponibles

en una variedad de tamaños. Los hay en

rangos de voltajes de hasta 10,000 volts

y en rangos de corriente desde 0.002

Amperes hasta 10,000 Amperes. Los

cartuchos fusibles pueden ser usados

para proteger contra temperatura

excesiva y abrir a temperaturas desde

165° hasta 410° F.

Todos los circuit

fusibles deben tener un fusible para cada

conductor que transporte corriente.

Fig. 1.21.1 Tipos de Fusibles

Fig. 1.21.2 Fusibles de cartucho

175

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Rangos de los Fusibles

El tamaño físico y el tipo de fusible pueden ser determinados al observarlos. De

cualquier modo, para seleccionar el fusible apropiado, deben conocerse otras

condiciones. Las características de los fusibles se dan en rangos de corriente, voltaje

y retardo de tiempo.

Rango de corriente.- Es un valor expresado en Amperes. Representa la corriente que

el fusible puede transportar sin fundirse.

Rango de Voltaje.- El rango de voltaje no es una indicación del voltaje que soporta el

fusible al conducir corriente. El rango de voltaje indica la habilidad del fusible de

extinguir rápidamente el arco después de que el elemento se funde y bloquear el

voltaje al abrirse el fusible. En otras palabras, una vez fundido el fusible, ningún

voltaje por debajo del de rango hará que el voltaje “brinque” a través del fusible

fundido. El rango se da en valor RMS. Siempre seleccione un rango de voltaje igual o

mayor que el voltaje del circuito a proteger.

Rango de retardo de tiempo.- Muchos tipos de circuitos y componentes eléctricos

requieren protección particularizada. Algunos componentes son muy sensibles a la

corriente y requieren protección de acción rápida. En otros casos es innecesario e

impráctico proporcionar una tolerancia de sobre corriente muy cerrada cuando el

circuito normalmente experimenta incrementos momentáneos de corriente sin un

retardo de tiempo. Un retardo de tiempo evita fusiones indeseadas de los fusibles y

protege el circuito después de

que el tiempo límite ha

transcurrido.

Los tres rangos de retardo son:

retardo, estandar y rápido.

La Figura 1.21.3, muestra la

le

diferencia entre fusibles con

retardo, estandar y rápidos.

Muestra que si por un fusib Fig. 1.21.3 Respuesta de fusibles

176

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación de 1 Amper de rango, circulan 2 Amperes (200% del rango), un fusible rápido abrirá

en alrededor de 0.7 segundos; un fusible estandar abrirá en alrededor de 1.5

segundos y un fusible con retardo abrirá en alrededor de 10 segundos.

1.22.- Interruptores de circuito

n interruptor de circuito es un dispositivo de protección que, al igual que el fusible,

interruptor de circuito es re-utilizable. El interruptor no

tilizados como dispositivos de

omponentes de los interruptores de circuito

os interruptores de circuito tienen cinco componentes principales (Figuras 1.22.1 y

aislado y se usa para

U

interrumpe la corriente en el circuito si se presenta un cortocircuito, corriente

excesiva o calor excesivo.

A diferencia del fusible, un

tiene que ser reemplazado después de que se ha abierto interrumpiendo el circuito.

En vez de reemplazarse, el interruptor se restablece.

Los interruptores de circuito también pueden ser u

control. Abriendo y cerrando manualmente los contactos de un interruptor de circuito,

la potencia puede ser selectivamente conectada y desconectada.

C

L

1.22.2 ), esos componentes son: el marco, el mecanismo de operación, los extintores

de arco, las terminales de conexión los elementos de disparo.

El Marco.- Es una Caja Moldeada, proporciona un alojamiento

montar los componentes del interruptor. El Marco determina el tamaño físico del

interruptor, y el voltaje y corriente máximos permisibles.

El Mecanismo de Operación.- Proporciona un medio para abrir y cerrar los contactos

del interruptor, el mecanismo de palanca en la Figura 1.22.1, es de acción rápida, lo

que significa que los contactos abren ó cierran rápidamente, independientemente de

lo lento que se mueva la manija. Adicionalmente, para indicar si el interruptor está

abierto ó cerrado, la manija operadora indica cuando el interruptor se ha abierto

automáticamente (disparado), moviéndose a una posición intermedia. Para

177

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación restablecer el interruptor, primero muévase la manija hacia la posición “abierto” y

después hacia la posición “cerrado”

Fig. 1.22.1 Interruptor Termomagnético

Fig. 1.22.1 Interruptor Termomagnético

178

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Extintores de Arco.- Los extintores de arco confinan, dividen y extinguen el arco

formado entre los contactos cada vez que el interruptor interrumpe la corriente. Cada

extintor de arco es realmente una serie de contactos que abren gradualmente,

dividiendo el arco y haciendo fácil

confinarlo y extinguirlo.

Esto se muestra en la Figura 1.22.3.

Los extintores de arco se utilizan

generalmente en interruptores que

controlan grandes cantidades de potencia,

como los de generadores principales.

Interruptores mas pequeños, como los

encontrados en los tableros de alumbrado,

pueden no tener extintores de arco. Fig. 1.22.3 Extintor de Arco

Terminales de Conexiones.- Se usan

para conectar el interruptor a la fuente de

energía y a la carga. Están

eléctricamente conectados a los

contactos del interruptor y proporcionan

el medio de conectar el interruptor al

circuito.

Elementos de Disparo.- Son la parte del

interruptor que sensa la condición de

sobrecarga y causan que el interruptor se

abra (dispare), interrumpiendo el circuito.

Se utilizan unidades térmicas,

magnéticas y termo-magnéticas. Algunos

interruptores tienen unidades de estado

sólido.

Elemento de disparo térmico.- El

elemento térmico usa un elemento

bimetálico que es calentado por la corriente de la carga. La temperatura hace que

Fig. 1.22.4 Elemento de disparo Térmico

179

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación elelemento bimetálico se deflexione, la Figura 1.22.4, muestra como puede utilizarse

esto para disparar el interruptor.

El tiempo que toma el elemento bimetálico para flexionarse y disparar el interruptor

depende del calor aplicado. Una sobrecarga grande calentará el elemento

rápidamente. Una sobrecarga pequeña requerirá más tiempo.

Elemento de disparo Magnético.- Un elemento magnético usa un electromagneto en

serie con el circuito de carga (Figura 1.22.5). Con carga normal, el electromagneto no

Fig. 1.22.6 Elemento de disparo Termomagnético

Fig. 1.22.5 Elemento de disparo Magnético

tiene suficiente fuerza magnética en la barra de disparo para moverla, y los contactos

permanecen cerrados (Vista A). La fuerza del campo magnético se incrementa

cuando la corriente en la bobina se incrementa. Tan pronto como la corriente llega a

ser lo suficientemente fuerte, la barra de disparo es jalada por el electromagneto. Los

contactos se abren y la corriente se interrumpe (Vista B).

Elemento de Disparo TermoMagnético.- Este elemento, a de manera similar a un

fusible con retardo, protegerá al circuito contra una pequeña sobrecarga por un

180

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación período largo de tiempo. Entre mayor sea la sobrecarga, más rápido disparará el

interruptor. La porción térmica, protegerá el circuito contra incrementos en la

temperatura ambiente. La Figura 1.22.6, muestra una unidad termomagnética.

1.23.- Dispositivos de control

La función de controlar un circuito en su expresión más simple, es la aplicación y

remoción de potencia.

Si se presentan problemas en un circuito que puedan tener como consecuencia daño

a los equipos o riesgos al personal, debe haber la posibilidad de remover la potencia

en ese circuito. Los dispositivos de protección discutidos en un capítulo anterior

removerán la potencia si por ejemplo, la temperatura se incrementa lo suficiente. Aún

con esta protección, se requiere un medio de control manual para que el operador

pueda arrancar o parar el equipo a su elección.

Cuando se trabaja en un circuito, a menudo es necesario desenergizarlo para instalar

equipo de prueba o para reemplazar componentes. Cuando se desenergiza un

equipo para intervenirlo, asegúrese de poner avisos en el interruptor que alimenta

estos componentes. Cuando se haya concluido el trabajo, restablezca la

alimentación al circuito. Compruebe la operación correcta, quite los avisos y registre

el trabajo.

Los Dispositivos de Control tienen una gran variedad de formas y tamaños, (Figuras

1.23.1 y 1.23.2). Hay tres grupos básicos de dispositivos de control: Manuales,

Magnéticos y Electrónicos.

Hay muchas formas de posicionar dispositivos de control eléctricos.

El Interruptor de palanca y el interruptor de botón son el prototipo de una gran

cantidad de controles manuales.

Otros controles son aquellos operados por una fuerza física exterior, tal como un

interruptor operado por presión de aire, o un interruptor de nivel operado por un

flotador. Independientemente de la variedad de interruptores, todos tienen una cosa

en común, todos ellos tienen contactos.

181

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Contactos El cobre y las aleaciones de plata son los materiales más utilizados para construir los

contactos. Un contacto, es una superficie circular rectangular, diseñada para

Fig. 1.23.1 Dispositivos de Control Fig. 1.23.2 Dispositivos de Control

interrumpir el flujo de la corriente. La Figura 1.23.3 muestra contactos normalmente

cerrados, (vista A), y normalmente cerrados (vista B). Los contactos se encuentran

en pares. Un contacto está permanentemente en posición fija. El otro contacto está

sujeto a un brazo o pistón móvil. Cuando el interruptor se cierra, ambos contactos se

182

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación unen y completan el circuito. Cuando el interruptor se abre, los contactos se separan

y el circuito se interrumpe. Los contactos y sus terminales de conexión están

aislados de la caja del interruptor y de su manija operadora . Los contactos siempre

están en serie con los componentes que

controlan.

Los contactos modernos están compuestos

de materiales de aleación de plata. Durante

la operación normal del circuito, el arco que

se origina al abrir el contacto produce un

ligero ennegrecimiento en las superficies. Se

ha descubierto que este es óxido de plata, y

que mejora la operación de los contactos y

reduce la tendencia de los contactos a

soldarse entre sí.

El tamaño de los contactos de un dispositivo

de desconexión sencilla puede reducirse

haciéndolo de desconexión doble. La Figura

1.23.4, muestra un interruptor de

desconexión sencilla y doble.

Un contacto de apertura doble puede

transportar más corriente en un espacio más

reducido debido a que interrumpe el circuito

en dos lugares al mismo tiempo. Puede reducirse aún más haciendo los contactos de

aleación de plata, la cual es un excelente

conductor con mejor resistencia mecánica.

Los contactos de plata soportan muchas más

operaciones que los contactos de cobre. El

rango de corriente de los interruptores se

refiere a la máxima corriente para la cual fue

diseñado el interruptor. Este rango nunca

debe excederse.

Fig. 1.23.3 Contactos

Fig. 1.23.4 Interruptor

183

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación La corriente excesiva suelda los contactos impidiendo que se abra el circuito.

El rango de voltaje de un interruptor se refiere al máximo voltaje permisible en el

circuito en el que opera el interruptor. El rango de voltaje puede ser dado para CA,

CD ó ambas. Si se excede el rango de voltaje de un interruptor, el voltaje puede

saltar los contactos abiertos del interruptor, energizando el circuito.

Se aplican las siguientes reglas a los símbolos de los interruptores y sus contactos.

La posición que muestra símbolo del interruptor en el diagrama, es la posición

normal y sus contactos pueden estar normalmente abiertos (NO) ó

normalmente cerrados (NC).

Los relevadores y contactores siguen las mismas reglas de los interruptores.

Estos dispositivos tienen electromagnetos (bobinas), que controlan la posición

de los contactos. Cuando la bobina no está energizada, los contactos

permanecen en la posición mostrada en el diagrama, esa es su posición

normal, ya sea abiertos ó cerrados. Cuando la bobina se energiza, los

contactos cambian su posición, los normalmente abiertos cierran y los

normalmente cerrados abren.

Los polos se refieren al número de terminales por las cuales entra la corriente

al interruptor. El interruptor de un polo,

tiene una sola entrada de corriente, el

interruptor de tres polos, tiene tres

entradas de corriente.

Tiros ó movimientos, se refiere al número

adicional de circuitos que pueden

controlarse reposicionando físicamente el

polo ó polos. El interruptor de dos tiros,

ofrece una selección para dos posibles

circuitos.

184

El número de polos puede determinarse

contando el número de puntos por donde entra la

corriente al interruptor (en el símbolo

esquemático ó en el interruptor mismo). Fig. 1.23.5 Simbolos de Interruptores

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Contando el número de puntos a los cuales se conecta un polo, se determinan los

tiros ó movimientos.

Por ejemplo, la Figura 1.23.5, muestra algunos de los símbolos para un interruptor de

palanca, en (A), un interruptor un polo dos tiros, en (B), un interruptor dos polos un

tiro, en (C) un interruptor dos polos dos tiros, en (D), un interruptor cuatro polos dos

tiros.

Tipos de interruptores Interruptores de botón

Un interruptor manual muy común es el interruptor de botón (Figura 1.23.6). Como

todos los interruptores, está sujeto a las reglas mencionadas anteriormente.

En la vista (A), se muestra el contacto

normalmente cerrado y en la vista (B) se

muestra el contacto normalmente abierto.

Ambos contactos son de desconexión doble.

Cuando se aplica presión al botón, los

contactos cambian de estado, y al retirar a

presión aplicada al botón, un resorte los

regresa a la posición original. Fig. 1.23.6 Interruptor de Botón

Interruptores Selectores

Los interruptores selectores son girados por el operador a una posición deseada para

energizar un circuito específico. La Figura 1.23.7, muestra el diagrama de un selector

de dos y tres posiciones, la tabla mostrada, se usa para determinar la posición

exacta del interruptor combinándola con las letras marcadas en los contactos. En la

Figura 1.23.7, Vista (A), el interruptor esta en la posición 1. En la tabla de posiciones,

el 1 tiene una “x” en la columna “a”. Esto indica que el circuito marcado “a”, puede

energizar la bobina número 1.

185

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Fig. 1.23.7 Interruptor Selector

Interruptores Instantáneos

En un interruptor instantáneo, los contactos operan a una velocidad independiente de

la velocidad del mecanismo de activación. En un interruptor de palanca, por ejemplo,

no importa que tan lentamente mueva la palanca el operador, la apertura o cierre de

los contactos se hace de manera muy rápida. Esto se logra por un mecanismo de

balancín y resorte. Incrementando la

velocidad de los contactos, se reduce

la duración del arco.

Microinterruptores (Microswitches)

Los microinterruptores son

interruptores instantáneos de

precisión, en los cuales el punto de

Fig. 1.23.8 Microinterruptor

186

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación operación está ajustado de manera muy precisa (Figura 1.23.8)

El punto de operación es aquel en el cual el pistón hace que el interruptor opere. El

microswitch en la Figura es de un polo dos posiciones, de acción instantánea. Las

terminales están macadas “C” para el común, “NO” para normalmente abierto y “NC”

para normalmente cerrado.

Interruptores de Presión

Los interruptores de presión son dispositivos de control que reaccionan a cambios de

presión en agua, aceite, gases etc. La Figura 1.23.9, muestra un corte de un

interruptor de presión. Un contacto normalmente cerrado del interruptor es usado

para mantener la presión correcta en un sistema de agua potable. (Vista A). Cuando

la presión desde la bomba se incrementa, los contactos del interruptor abren y

desconectan el motor de la bomba del circuito.

Fig. 1.23.9 Interruptor de Presión

Cuando se consume agua y la presión se reduce, el contacto del interruptor cierra, y

el motor de la bomba arranca para llenar nuevamente el tanque.

187

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Interruptores de Temperatura

Un dispositivo de control bi-metálico responde a cambios en la temperatura, está

formado por dos barras de metales diferentes unidas en una de sus caras, Figura

1.23.10. Mientras las barras

permanecen frías, se mantienen juntas,

manteniendo el circuito cerrado.

Cuando la temperatura se eleva, cada

una de las dos barras se expande a

diferente longitud, esta diferencia hace

que la barra se curve, abriendo el

contacto.

Fig. 1.23.10 Interruptor Bimetálico

Este tipo de dispositivo bi-metálico es afectado por el calor.

El calor puede provenir del ambiente que rodea el interruptor ó del flujo de corriente a

través de la barra. Cuando se usa la corriente para generar el calor que altera la

barra bi-metálica, ésta puede ser usada como dispositivo de protección.

La Figura 1.23.11, ilustra un dispositivo de control de tubo capilar. El interruptor de

temperatura está alejado del bulbo sensor, separado por un largo tubo capilar. El

interruptor de temperatura puede ser colocado en una ubicación conveniente,

mientras que el bulbo sensor es colocado para una medición de temperatura mas

efectiva. Un líquido ó gas volátil dentro del bulbo y el tubo capilar reacciona

proporcionalmente a los cambios de temperatura. Si a temperatura que rodea al

bulbo se incrementa, el gas volátil se expande ocasionando un incremento de la

presión. La presión dentro del bulbo es transmitida por el tubo capilar actuando sobre

el interruptor remoto. Cuando la temperatura del gas se reduce, también lo hace la

presión interna del gas volátil.

188

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Fig. 1.23.11 Interruptor de Temperatura

1.24.- Conductores electricos

Dependiendo de su habilidad para conducir una corriente eléctrica, los materiales se

clasifican en tres categorías: conductores, semiconductores y aisladores. Los

conductores son elementos que transfieren electrones muy fácilmente. Los

aisladores tienen una resistencia muy alta al flujo de electrones. Aquellos materiales

que se encuentran dentro de estos extremos se denominan semiconductores.

La teoría electrónica establece que toda la materia está compuesta por átomos, y los

átomos están compuestos de partículas más pequeñas, llamadas protones,

electrones y neutrones. Los electrones orbitan alrededor del núcleo, el cual contiene

neutrones y protones. La corriente eléctrica está relacionada con los electrones de

las órbitas exteriores, estos electrones se desprenden más fácilmente (electrones

libres).

189

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Características de los materiales conductores

La conductividad eléctrica depende de la estructura atómica del material del cual el

conductor está hecho. En materiales sólidos como el cobre contiene muchos

electrones libres que pueden

moverse de átomo a átomo. Este

movimiento de electrones se

denomina corriente eléctrica.

Algunos metales son mejores

conductores de la corriente que

otros, El oro, la plata, el cobre y el

aluminio son buenos conductores,

la plata es el mejor, seguido por el

cobre, oro y aluminio.(Tabla

1.24.1). El cobre se usa con más

frecuencia por razones de costo. Tabla 1.24.1 Resistencia Específica

El aluminio se usa donde el peso debe ser considerado, como en líneas transmisión

El oro se usa donde se requiere buena conducción y evitar oxidación o corrosión.

Características de los materiales aisladores

Los materiales en los cuales los electrones de sus órbitas exteriores están más

firmemente ligados al núcleo, no permiten que éstos se desprendan fácilmente, lo

cual impide que se desplacen en forma de corriente, estos materiales se llaman

aisladores. Algunos ejemplos de estos materiales son: hule, plástico, esmalte, vidrio,

madera seca y mica. Debe hacerse notar que no existe el conductor ni el aislador

perfecto.

190

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Barras, alambres y cables

Los conductores eléctricos que se utilizan en equipos de perforación son de

diferentes formas, tipos y tamaños, dependiendo de la aplicación.

Las barras son conductores sólidos de forma prismática generalmente de área de

sección rectangular, los materiales con los que se construyen generalmente son

cobre o aluminio; cuando se usa cobre, de preferencia se recubren con una película

de plata para protegerlas contra la corrosión, así como para mejorar su conductividad

en las áreas de contacto. Se utilizan generalmente como conductores principales

(buses) en el interior de tableros, donde resultan más prácticas que la utilización de

cables.

Un alambre es un hilo sólido de metal , generalmente de diámetro pequeño, un

alambre conductor es un alambre adecuado para transportar corriente eléctrica;

puede estar recubierto por un

aislamiento, denominándose

conductor aislado.

Un cable es un conjunto de

alambres trenzados, en contacto

uno con otro y sin aislamiento entre

ellos.

También se denomina cable un

conjunto de cables aislados entre sí,

formando un conductor múltiple. La

Figura 1.24.1. muestra diferentes

tipos de alambres y cables. Fig. 1.24.1 Alambres y Cables

Tipos de forros y sus características

Para ser útil y segura, la corriente eléctrica debe ser forzada a fluir solamente hacia

donde es necesaria. Debe ser dirigida desde la fuente de potencia hasta una carga

útil.

191

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Para esto, los no debe permitirse que los conductores hagan contacto entre sí, o con

sus soportes o el personal trabajando cerca de ellos. Para cumplir esta condición, los

conductores están cubiertos o enrollados con diferentes materiales. Estos materiales

tienen una alta resistencia y generalmente son conocidos como aisladores o material

aislante.

Dos propiedades fundamentales de

los materiales aislantes, tales como

hule, vidrio, asbesto y plástico son

la resistencia de aislamiento y la

rigidez dieléctrica.

La Resistencia de Aislamiento es la

oposición que presentan los

materiales aislantes a la fuga de

corriente a través de ellos. La

resistencia de aislamiento puede ser

medida con Megger y el valor

medido da información útil para

calificar la condición general del

aislamiento. No daña los materiales.

Fig. 1.24.2 Tipos de aislamientos

La Rigidez Dieléctrica es la habilidad del material de soportar una diferencia de

potencial. Generalmente se expresa como el voltaje en el cual el aislamiento falla por

fatiga electrostática. Los valores máximos de rigidez dieléctrica pueden ser medidos

solamente elevando el voltaje aplicado a una muestra del aislamiento hasta que éste

falla, dañando el aislamiento. Este es un ejemplo de una prueba destructiva.

La Figura 1.24.2, muestra dos tipos de conductores aislados. Uno es un alambre y el

otro es un cable de dos conductores cubiertos con aislador de hule. En cada caso el

hule sirve para el mismo propósito: confinar la corriente en el conductor.

El aislamiento de los conductores puede ser de alguno de los siguientes materiales:

Cloruro de polivinilo (designado T). Es el más común. La temperatura máxima que

que debe manejar es 75° C, el rango de voltaje máximo es de 600 Volts.

192

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Hule etileno propileno (designado E). Temperatura máxima 90° C, normalmente para

600 Volts.

Polietileno eslabonado. (designado X). Temperatura máxima 90° C, usado desde

2000 a 5000 Volts.

Hule silicon (designado S). Temperatura máxima 100° C, Puede ser usado en

aplicaciones hasta de 5000 Volts.

Uno de los requerimientos de los forros de cables usados en los tableros de potencia

y control de los equipos de perforación es que deben estar hechos de un material

que no propague las llamas en caso de incendio, tal como el Exane de la marca ITT.

Dimensiones de los conductores

Para comparar la resistencia y tamaño de un conductor con otro, se han establecido

unidades estándar. Una unidad de medición conveniente para el diámetro de un

conductor es el mil (0.001” ó una milésima de pulgada) El Mil Circular es la unidad

estándar para medir el área de sección de un conductor. El diámetro de un

conductor redondo puede ser una fracción de pulgada, de ahí que sea más

conveniente expresar esta fracción en mils, evitando el uso de decimales. Por

ejemplo, el diámetro de un alambre se expresa como 25 mils en vez de 0.025”. Un

circular mil es el área de un círculo cuyo diámetro es 1 mil, como se muestra en la

Figura 1.24.3. El área en mils de un conductor redondo se obtiene elevando al

cuadrado su diámetro medido en mils. Así, un conductor que tiene un diámetro de 25

mils tiene un área de 252 o 625 circular mils.

Es muy frecuente encontrar áreas grandes de varios miles de circular mils, para

simplificar su lectura, se utiliza un múltiplo que es el Mil Circular Mil (MCM).

Los conductores se fabrican en tamaños de acuerdo a una tabla conocida como

Calibre AWG (American Wire Gauge). Estas tablas se publican para diferentes tipos

de alambres y cables de cobre ó aluminio. La Tabla es una tabla de calibres de

conductores desde número 22 hasta 2,000,000 MCM. Los números de calibre son

más grandes para los diámetros más pequeños. Así el cable número 22 es el de

diámetro más pequeño, y el número 0000 es el de diámetro más grande.

193

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Fig. 1.24.3 Diferencia entre Circular Mil y Mil cuadrado

Resistividad o resistencia especifica La Resistividad ó Resistencia específica, es la resistencia en Ohms por unidad de

Volumen (Ohms por centímetro cúbico) de una sustancia. La resistividad es el

recíproco de la Conductividad. Una sustancia que tiene alta resistividad, tiene baja

conductividad y viceversa. La resistividad se expresa con la letra Griega

Rho ( ρ ) Así, la resistividad de una sustancia, es la resistencia de una unidad de

volumen de dicha sustancia. Los valores de resistividad se encuentran en tablas

como la Tabla en la Figura 138, en la cual se indica la temperatura tomada como

base para medir la resistencia.

La resistencia de un conductor que tenga área de sección uniforme, varía en forma

directamente proporcional al producto de su longitud multiplicada por su

resistividad é inversamente proporcional a su área de sección. De tal manera que si

se conoce la resistividad del conductor, su longitud y su área de sección, se puede

calcular su resistencia. Expresada como una ecuación la resistencia ( R ) de un

conductor en Ohms es:

ρ L R = --------- A Donde:

194

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

R = Resistencia en Ohms

ρ = Resistividad del material del conductor (Figura 1.24.1)

L = Longitud del conductor

A = Área de sección del conductor

Tabla 1.24.2 Calibres de Conductores

195

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

El Rango de Corriente de un conductor indica la capacidad de corriente que el cable

puede conducir con seguridad en forma continua, si este límite se excede por tiempo

prolongado el calor generado puede dañar el aislamiento. El rango de corriente se

utiliza para seleccionar el conductor adecuado para una carga dada.

Los siguientes factores determinan el rango de corriente de un conductor:

El Calibre del conductor

El material del cual el conductor está hecho

La ubicación del conductor

El tipo de aislamiento usado

La temperatura ambiente

La Tabla 1.24.3, muestra una tabla de rangos de corriente para cables de distribución

tipos T, E, X, S y GVT a una temperatura ambiente de 45° C.

196

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Tabla 1.24.3 Rangos de Corriente de Conductores

197

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Cables de potencia Los cables de potencia utilizados en los equipos de perforación generalmente son del

tipo flexible, con forro que soporta una temperatura de 125° C y un voltaje de 1000

Volts. Los calibres utilizados van de 444 MCM hasta 777 MCM. Por lo general los

motores de Corriente Directa se conectan con un cable por terminal.

En el caso de los Alternadores de 2625 KVA, para aumentar la capacidad de

conducción se utilizan dos cables para la conexión de cada fase. (Tabla 1.24.4)

La flexibilidad de los cables de potencia se debe a que están formados de un número

grande de alambres de calibre pequeño, generalmente de calibre # 24, cada uno de

éstos alambres está recubierto de una película de estaño, para mejorar la

conducción y disminuir el riesgo de corrosión.

Los cables de potencia se conectan a los diferentes dispositivos por medio de

zapatas terminales o conectores de desconexión rápida, los cuales pueden ser

colocados en los extremos del cable y sujetos por compresión o por medio de

soldadura de estaño, siendo más recomendable lo último, siempre y cuando se

asegure una buena soldadura entre el cable y la terminal de conexión.

TEXAS

WOLESALES

DRC-125 125° C

CONDUMEX

VULCANEL LD-

90

ITT

SUPRENANT

EXANE 125° C

ROYAL CALIBRE

AWG

Ó MCM VOLTS AMPS. VOLTS AMPS. VOLTS AMPS. VOLTS AMPS.

444 600/2000 774 2000 665 2000 79 2000 642

535 600/2000 898 2000 769 2000 96 2000 725

646 600/2000 979 2000 2000 1009 2000 815

777 600/2000 1102 2000 974 2000 1135 2000 910

929 600/2000 - 2000 - 2000 - 2000 1025

1111 600/2000 1375 2000 - 2000 1416 2000 1143

Tabla 1.24.4 Capacidades de conducción de corriente en cables (un solo conductor)

198

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Cables de control

Los Cables de control son están formados por múltiples conductores en paralelo, con

forro individual y agrupados bajo una o más cubiertas. Los utilizados en equipos de

perforación son de 3 hasta 37 conductores, de calibres # 16 al # 12. Generalmente

se usan para transportar señales de voltaje a los diferentes dispositivos de control,

como son: bobinas de relevadores ó contactores, señales de referencias de

aceleración, instrumentos de medición y dispositivos electrónicos.

Para conectarse los cables de control pueden hacerlo por medio de clavijas y

receptáculos, terminales de conexión o tablillas de conexión.

Para facilitar la identificación de cada uno de los conductores, estos están marcados

con colores diferentes, o bien con números o marcas de identificación en el forro de

cada uno de los cables individuales.

199

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación 1.25.- Alternadores

Los Generadores Eléctricos de Corriente Alterna son máquinas eléctricas que

convierten la energía mecánica, generalmente suministrada por un motor de

combustión interna Diesel, en energía eléctrica de Corriente Alterna, para diversos

usos en los equipos.

Los Generadores de Corriente Alterna utilizados en los equipos de perforación

generalmente son Trifásicos, con voltajes de salida de 600 Volts en los equipos

CA/CD y 480 Volts en otros equipos.

Básicamente todos los generadores de C.A., están constituidos por dos generadores:

Uno es el generador principal y otro generador más pequeño, que es el excitador.

Principio de operación del generador de C.A.

El principio de operación de los Generadores Eléctricos de Corriente Alterna, está

basado en el hecho de que siempre que hay corte relativo entre un campo magnético

y un conductor, se produce en el conductor un voltaje, por un fenómeno llamado

inducción magnética. En el caso del generador de corriente alterna, el conductor en

el que se induce el voltaje, esta arrollado de

una manera muy particular en el estator del

generador (Figura 1.25.1), formando tres

grupos de bobinas, en las cuales se producirá

el voltaje trifásico. El campo magnético que al

moverse cortando los conductores de las

bobinas del estator, genera en éstas un

voltaje, está formado por los polos de un

electro-imán (Figura 1.25.2), el cual está

montado sobre la flecha del generador y al

girar efectúa el corte del campo por los

conductores.

Fig. 1.25.1 Estator de Generador

200

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

a corriente necesaria para energizar las bobinas del campo rotatorio, la suministra

tro pequeño generador que se mueve al mismo tiempo que el generador principal,

ste pequeño generador se llama Excitador y el voltaje que produce es un voltaje

ltaje se convierte a corriente directa por medio

un rectificador montado sobre la flecha, conocido como Rectificador Rotatorio.

su vez, la salida de voltaje de este excitador hacia el campo principal está

ontrolada por la corriente que manda el sistema de regulación de voltaje al Campo

el Excitador.

or su característica de no requerir escobillas para completar su circuito de

a y

Fig. 1.25.2 Rotor de Generador

L

o

e

trifásico de corriente alterna. Este vo

de

A

c

d

P

excitación, este tipo de generadores se conoce como Generador sin Escobillas

Las Figuras 1.25.3 y 1.25.4, muestran un desplegado de las partes que componen

un generador sin escobillas típico, donde se puede observar la localización de las

partes mencionadas, como son: estator, campo principal, armadura de excitación,

rectificador rotatorio, campo de excitación, carcaza, discos de acoplamiento, tap

balero, por mencionar las principales.

201

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Fig. 1.25.3 Desplegado de un Generador

Fig. 1.25.4 Vista en corte de un Generador

202

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Dependiendo del diseño del fabricante en particular, la flecha del generador puede

star soportada por uno ó dos baleros.

os generadores marcas: E.M.D., Caterpillar, Delco y Kato, tienen un solo balero en

tapa posterior.

os generadores General Electric Modelo “Custom”, tienen dos baleros.

aracteristicas del generador de C.A.

aracteristicas de los generadores de C.A marca EMD

os en los equipos de perforación, son los

ca Delco y General Electric.

quipos CA/CD, comparten las siguientes

o. De Fases = 3

ción = 480 Volts

o. De Fases = 3

arca E.M.D., Modelo AB-20 (Figura 1.25.5),

enen las siguientes características específicas:

e

L

la

L

C C

Los Generadores de C.A. más utilizad

marca E.M.D., En menor proporción los marca Caterpillar y en mucho menor

proporción los mar

Los Generadores de C.A. utilizados en

Fig. 1.25.5 Generador EMD

E

características:

Voltaje de Operación = 600 Volts

N

Frecuencia = 60 Hertz

Los generadores utilizados como plantas de

Luz comparten las siguientes características:

Voltaje de Opera

N

Frecuencia = 60 Hertz

Los Generadores de C.A. M

ti

203

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Voltaje de operación = 600 Volts

otencia = 2625 KVA

Hertz

actor de Potencia = 0.8

res de C.A marca Caterpillar

terpillar, tienen las siguientes características

olts

elocidad = 1800 RPM

as actividades de mantenimiento que se ejecutan en los generadores de C.A.,

rtas de Mantenimiento” establecidas en los

lendarizado de mantenimiento.

enerador consiste en conservar las condiciones de

aracterísticas de los componentes del generador,

ndiciones de una unidad nueva.

P

Corriente =2525 Amperes

Frecuencia = 60

Velocidad = 900 RPM

F

Sobrecarga = 10% durante 2 horas

Excitación = 115 Volts, 79 Amperes

Caracteristicas de los generado

Los Generadores de C.A. Marca Ca

específicas:

Voltaje de operación = 480 V

Potencia = 225 KW / 281 KVA

Frecuencia = 60 Hertz

V

Factor de Potencia = 0.8

Mantenimiento del generador de C.A.

L

deberán ajustarse a las “Ca

procedimientos y de acuerdo al programa ca

El mantenimiento preventivo del g

operación del mismo teniendo las c

lo más cerca posible a las co

204

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Embobinados.- Deben mantenerse libres de cualquier acumulación de polvo ó

n de aire

earse”, primero con un

apo húmedo en una solución jabonosa y después limpiando con trapo húmedo de

debe evitarse que

del rotor.

ón y que las tolvas de inspección estén en su lugar y bien sujetas por sus

los.

ión ó del

po principal del generador, es necesario desconectar los extremos de sus

r.

materias extrañas y perfectamente secos, para lo cual pueden ser limpiados con

líquidos solventes, adecuados para esta actividad, los cuales pueden aplicarse con

presión de aire, por medio de un sifón. Debe procurarse no usar una presió

muy elevada que pueda ocasionar que los contaminantes se introduzcan en los

espacios que existen en los embobinados y no puedan ser retirados después.

Donde el espacio lo permita, los embobinados pueden “trap

tr

agua limpia, hasta retirar cualquier residuo del detergente usado.

Debe procurarse que los solventes y/o detergentes que se usan, cumplan con los

requerimientos de las normas existentes contra la contaminación.

También debe cumplirse la recomendación de disponer de los materiales de

deshecho, si los hay, en los lugares destinados para tal efecto, reportándolo de ser

necesario.

Conexiones.- Se debe verificar que las conexiones de cables y componentes en el

rectificador rotatorio (plato rectificador) estén apretadas. También

las “colillas” de los rectificadores, así como los cables de los puentes estén sueltos y

puedan ser sometidos a esfuerzos por la fuerza centrífuga del giro

Carcaza.- Se debe verificar que exista libre circulación de aire a través de las rejillas

de ventilaci

tornil

Resistencia de aislamiento- La resistencia de aislamiento mínima recomendable para

los embobinados de un generador de C.A., debe estimarse como de 1.6 Megohms.

Si se requiere medir la resistencia de aislamiento de la armadura de excitac

cam

bobinas del rectificador rotatorio (plato rectificador), debido a que el relativamente

alto voltaje del megger, podría dañar los rectificadores (diodos) que forman el

rectificado

205

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Baleros.- Se debe revisar que la cantidad de grasas recomendada esté presente en

la caja de balero ó baleros, y se deben hacer observaciones durante la operación

para detectar condiciones anómalas, como son excesiva vibración ó ruido y alta

temperatura.

206

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

1.26.- Alambrado y distribucion electrica

l sistema de distribución es una extensión del generador.

odas las cargas eléctricas están conectadas en paralelo con las terminales del

enerador a través de puntos de conexión (nodos) en los tableros de distribución y

entros de carga. Por medio de un diseño apropiado, cables gruesos (alimentadores)

uministran potencia a las barras dentro de cada uno de los tableros (Figura 1.26.1).

l uso de un solo alimentador, elimina docenas de cables individuales en paralelo

os para la conexión entre el generador

ada carga local

l sistema de distribución está diseñado también para proteger el ambiente que lo

dea de posibles daños ocasionados por componentes eléctricos. Los interruptores

e circuito y fusibles están instalados en tableros para separar aparatos eléctricos

perando anormalmente de el resto del sistema. Cada dispositivo de protección de

ircuito, desde el generador hasta la carga es seleccionado con una capacidad

ecreciente de conducción de corriente.

sitivos de protección contra sobre corriente y

ortocircuito están debidamente seleccionados y coordinados, puede proporcionarse

un disparo selectivo.

E

T

g

c

s

E

que de otra manera habrían sido necesari

c

.

Fig. 1.26.1 Tablero de Distribución

E

ro

d

o

c

d

Cuando todo el conjunto de dispo

c

207

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación El disparo selectivo permite que un circuito anómalo sea separado del sistema muy

cerca del punto de falla.

Los tableros reciben potencia directamente de los generadores. A su vez, los

alimentadores se extienden desde los interruptores del tablero a los tableros de

distribución, centros de control de motores, centros de carga y paneles de

alumbrado. Los circuitos derivados, parten de los interruptores de los centros de

efiere solamente a las conexiones físicas entre materiales

onductor que ocupe el

lugar de la tierra.

a ó algún cuerpo conductor que ocupe el

lugar de la tierra.

ntes de distribucion

El siste

cumpli e las que se encuentran en una población pequeña.

Par

sus diferentes componentes.

distribución y suministran potencia a las cargas individuales.

Tierra

El término “Tierra”, se r

conductores y la tierra. Si estas conexiones transportan corriente o no es irrelevante.

Para ayudar a entender este término, están las definiciones del Código Nacional

Eléctrico NEC.

Tierra.- Una conexión conductora, ya sea intencional ó accidental entre un

circuito ó equipo eléctrico y la tierra ó algún cuerpo c

Aterrizado.- Conectado a la tierr

Conductor aterrizado.- Un conductor de circuito que está intencionalmente

aterrizado (conectado a la tierra).

1.27.- Compone

ma eléctrico de un equipo de perforación es muy extenso, está diseñado para

r más funciones qu

a entender mejor el sistema de distribución, se requiere examinar con más detalle

208

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Tableros de control de generadores

Controlan la potencia suministrada por los generadores. Dispositivos automáticos

conectados a las barras, monitorean y protegen los alimentadores y los circuitos

erivados.

limentadores

os alimentadores son los cables que se extienden desde el tablero de distribución a

ontrol de motores

trol de motores consolida todo el equipo de control para los motores

e CA. Proporciona control y protección contra sobrecarga de los motores y sus

ables

on conductores de servicio pesado utilizados para transportar corriente entre la

ión

bles son utilizados para la distribución de potencia, dentro de sus rangos de

oltaje y corriente.

d

A

L

las cargas: motores, centros de carga, etc.

Centro de c

El centro de con

d

circuitos asociados.

C

S

fuente y la carga.

Cables de distribuc

Estos ca

v

209

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Cables de control

Son cables de múltiples conductores en paralelo, utilizados para:

Controlar circuitos, en los cuales una señal eléctrica, energiza un dispositivo

de control magnético que a su vez conecta o desconecta motor.

Circuitos de indicaciones visuales, auditivas o de medición.

, electrónica y otros similares.

Cables de señales.

Ca p r la interferencia.

Ej. la consola del perforador con el

LC en el cuarto de control y potencia.

Comunicación

Cables de señal

formados por pares de conductores y usados para transmisión

da ar de conductores está rodeado de un blindaje para preveni

El cable “Belden” que se utiliza para comunicar

P

210

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación 1.28.- Motores trifasicos de corriente alterna

a mayoría de los sistemas generadores de potencia producen CA. Por esta razón,

mayoría de los motores utilizados en las industrias, operan con CA. Hay otras

entajas al usar la CA. Los motores de CA son menos costosos y más fáciles de

antener que los motores de CD.

do para operaciones a velocidad

onstante. Esto es debido a que su velocidad está determinada por la frecuencia de

te manual. Este capítulo se dedicará a explicar

L

la

v

m

El motor de CA es particularmente adecua

c

la fuente de potencia y por el número de polos del motor.

Los motores de corriente alterna se construyen de diferentes formas y capacidades

para diferentes trabajos. (Figuras 1.28.1 y 1.28.2). Es imposible describir todas las

formas de motores de CA en es

únicamente el motor de inducción.

Fig. 1.28.1 Motor Trifásico Fig.1.28.2 Diferentes Conexiones de motores trifásicos

211

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Principio de operación de los motores de corriente alterna

l principio del campo magnético giratorio es la clave en la operación del motor de

del campo magnético

n sus estatores (devanados estacionarios) el cual hace que el rotor gire. Los

ada devanado

20 grados eléctricos una de la otra.

éticas. El

E

CA. La operación de los motores de CA se sustenta en el giro

e

estatores en sí no giran. Los estatores están asegurados firmemente al interior del

cuerpo del motor. El campo magnético giratorio creado en el embobinado del estator

proporciona el par de torsión (torque), requerido para mover el rotor.

La idea es simple. Se puede crear un campo magnético en el estator que dé la

apariencia de girar eléctricamente alrededor de la periferia interior del estator. Esto

se hace traslapando varios diferentes devanados en el estator. C

desarrolla un campo magnético en tiempo diferente. Poco antes de que el campo en

un devanado disminuya, el devanado traslapado con él desarrolla un campo de la

misma polaridad. Cuando el campo en este segundo devanado disminuye, otro

devanado traslapado desarrolla un campo magnético de la misma polaridad, y la

secuencia continúa repitiéndose. La sucesión de campos magnéticos

desarrollándose en el estator en un proceso ordenado, aparenta un movimiento

giratorio del campo dentro del estator.

Estos campos magnéticos individuales, se deben a la propiedad del la corriente

fluyendo en el estator. Este flujo de corriente viene de tres fases individuales de

corriente, las cuales están defasadas 1

El campo magnético giratorio en el estator es solamente una parte de la operación.

Se requiere que otro campo magnético sea creado en el rotor, para que se desarrolle

el par de torsión, usando el principio de la atracción y repulsión magn

campo magnético desarrollado en el rotor se genera por inducción. Tan pronto como

los devanados del rotor y el estator desarrollan sus propios campos, se obtiene el

par de torsión y el rotor girará.

212

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Operación del campo giratorio

l campo magnético giratorio se crea por las corrientes defasadas en los devanados

estra la forma en la que se produce un campo

tatorio en los devanados estacionarios cuando se alimentan con una fuente de

En el instante 1, la corriente en la fase B es máxima positiva (se asumen 10 Amperes

positivos en el ejemplo). La corriente se considera positiva cuando fluye hacia el

o tiempo (instante 1), la corriente fluye

E

del estator, la Figura 1.28.3, mu

ro

corriente trifásica. Para facilitar la explicación, la rotación del campo de desarrolla

“deteniéndose” en seis posiciones ó instantes seleccionados. Estos instantes están

marcados y separados en intervalos de 60 grados sobre las ondas senoidales que

representan las corrientes en las fases A, B y C.

Fig. 1.28.3 Formación del campo Giratorio

exterior de la terminal del motor. Al mism

entrando en las terminales A y C con la mitad del valor (5 Amperes negativos en este

213

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación caso). Estas corrientes se combinan en el neutro (conexión común) para suministrar

10 Amperes saliendo de la fase B.

El campo resultante en el instante 1 se establece hacia abajo y a la derecha, como lo

muestra la flecha. La mayor parte de este campo es producida por la fase B (máxima

te en la fase C ha invertido su flujo de 5

o se produce por la

stante 4, la corriente en la fase B llega a

cas que circulan en los devanados del

intensidad en este instante) y es ayudado por las fases adyacentes A y C (media

intensidad ). Las partes que contribuyen al campo están marcadas con las letras N y

S. El campo es un campo bi-polar y se extiende a través del espacio en el que

normalmente estaría el rotor del motor.

En el instante 2, la corriente en la fase B se reduce a la mitad del valor (5 Amperes

positivos en este ejemplo). La corrien

Amperes negativos á 5 Amperes positivos y la corriente en la fase A se ha

incrementado de 5 Amperes negativos a 10 Amperes negativos.

El campo resultante en el instante 2 está ahora establecido hacia arriba y a la

derecha como lo muestra la flecha. La mayor parte de este camp

fase A (máxima intensidad) y con la contribución de las fases B y C (media

intensidad)

En el instante 3, la corriente en la fase C es de 10 Amperes negativos y el campo se

extiende verticalmente hacia arriba. En el in

10 Amperes negativos y el campo se extiende hacia arriba y a la izquierda. En el

instante 5, la corriente en la fase A. es de 10 Amperes positivos y el campo se

extiende hacia abajo y a la izquierda. En el instante 6, la corriente en la fase C es de

10 Amperes negativos y el campo se extiende verticalmente hacia abajo. En el

instante 7 (no mostrado), la corriente corresponde al instante 1 y el campo se

extiende otra vez hacia abajo y a la derecha.

Así, el campo bi-polar ha efectuado una rotación completa de a través de un ciclo de

360 grados eléctricos de las corrientes trifási

estator.

214

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Velocidad sincrónica

motor determina cuantas veces gira el campo magnético en

l estator para una frecuencia dada. El término “polo”, debe entenderse con los

nte de potencia

La veloc u vez, determina la velocidad del rotor del motor. Así

como n otor y la frecuencia generada están

otatorio (ó

ión

de las máquinas trifásicas está determinada por la secuencia

e fase.

La secuencia normal en la mayoría de los sistemas es A-B-C.

El número de polos del

e

términos usados al estudiar el magnetismo. La siguiente definición de un polo de

motor da un valor de aplicación práctica: Un polo de un motor es el circuito completo

de un devanado de estator que al ser energizado por una corriente, produce una

concentración de campo magnético ó polaridad.

La velocidad del campo giratorio en el estator se denomina Velocidad Sincrónica, y

ésta depende de dos factores:

El número de polos

La Frecuencia de la fue

idad sincrónica, a s

e un generador la velocidad del primo-m

relacionadas, en un motor trifásico, la Frecuencia y la velocidad del rotor están

relacionadas. El número de polos en el motor, determina que tan rápido se mueve el

campo en la periferia interior del estator a una frecuencia dada. Entre más polos

tenga, le tomará más tiempo

energizar los juegos de polos y el

campo girará más lento.

La Tabla 1.28.1, muestra la

velocidad del campo r

velocidad sincrónica)

para una fuente generando a 60

Hertz.

Dirección de rotac

Tabla 1.28.1 Velocidades Sincrónicas

La dirección de rotación

d

215

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Cuando un generador gira, se induce un flujo de corriente en su inducido. Cada fase

en el inducido se hace eléctricamente activa. El orden en el cual se activan las fases,

corriente. Si el motor

2 para terminales de

La Figura 1.28.4, muestra

otor de inducción trifásico.

determina el orden en el cual el estator del motor recibe su

recibe la corriente con la secuencia A-B-C-A-B-C, girará en una dirección dada. Si

dos puntas cualquiera se intercambian, entonces las dos fases afectadas cambian su

secuencia de llegada. Si las fase B y C se intercambian, entonces la fase C seguirá a

la fase A. Esto invierte la dirección del campo rotatorio en el estator. La corriente

llega al motor con la secuencia C-B-A-C-B-A. Cuando el campo rotatorio cambia de

dirección, el rotor del motor cambia de dirección.

Los estandares industriales determinan la configuración del control, identificando los

conductores que deben ser intercambiados: Fase A y fase C para generadores; P1 y

P3 para alimentadores; L1 y L2 para circuitos derivados ó T1 y T

motores.

Características de los motores de corriente alterna

una vista en corte de un

m

Hay poca diferencia entre el

motor de CA y el generador

de CA. El rotor está

soportado por baleros en los

extremos. El estator está

fijado en el interior de la

carcaza. La armazón encierra

todos los componentes del

motor.

216

Fig. 1.28.4 Vista en corte de un motor de CA

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Clasificación de los motores de corriente alterna

rmazón eraciones el factor determinante

ara la aplicación del motor. Cada armazón de motor tiene ciertas características y

de armazones.

ertas, pero tienen

itar la entrada

ruyen

trada de agua desde una manguera desde

Deva

l estator del motor es el devanado estacionario sujeto al interior de la carcaza del

l estator tienen muy baja resistencia. El inducido trifásico de

n alternador está construido de manera muy similar al estator de un motor trifásico

ALa Armazón (Frame) del motor es, entre otras consid

p

aplicaciones en la industria. Hay siete tipos básicos

Armazón abierta, las tapas de los extremos están abiertas y proporcionan la

máxima ventilación al motor. Es la armazón de más bajo costo.

Armazón semi-abierta. Las tapas de los extremos están abi

rejillas para impedir la entrada de objetos al interior del motor.

Armazón con guardas. Tiene rejillas y guardas en todas las aberturas,

previniendo la entrada de objetos mayores a ½ pulgada de diámetro.

Armazón a prueba de goteo. Las tapas están cubiertas para ev

de líquido en un ángulo no mayor de 15 grados desde la vertical.

Armazón a prueba de salpicaduras, las aberturas del motor se const

para evitar la entrada de líquidos o partículas sólidas en un ángulo no mayor

de 100 grados desde a vertical.

Armazón a prueba de agua, previene la entrada de humedad ó filtraciones

de agua que interfieran la operación del motor.

Armazón cerrada, previene la en

cualquier dirección, por un período de cuando menos 15 minutos.

nados del Estator

E

motor. Los devanados de

u

de CA. Cada uno de ellos tiene los devanados construidos de un sólo conductor

aislado en toda su longitud, para evitar corto-circuitos entre espiras. El devanado

también está aislado de la armazón. El devanado del estator de un motor es idéntico

217

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación al inducido de un alternador que tenga la misma cantidad de polos. Cada devanado

está traslapado y está mecánica y eléctricamente defasado 120 grados.

La Figura 1.28.5, muestra una vista frontal del devanado estacionario. Cada uno de

los tres devanados de fase están divididos en muchas bobinas distribuidas

uniformemente en el estator. Esta distribución, permite un uso más efectivo de los

l rotor tiene la apariencia de un

do en sus

xtremos por baleros (Figura

l rotor. En cada extremo del núcleo cilíndrico del

uito. Cada extremo de las barras, está conectada a

campos magnéticos que se desarrollan en los devanados del estator cuando la

corriente está presente. Esto también produce un par de torsión más uniforme

(fuerzas magnéticas de atracción y empuje) para el rotor.

Devanados del rotor

E

cilindro sólido, soporta

e

1.28.6). Haciendo un examen

más detallado, se podrían ver

barras delgadas incrustadas en

el cilindro laminado, en un

ángulo casi paralelo a la flecha de

rotor hay unos anillos de corto-circ

los anillos de corto-circuito.

218

Fig. 1.28.5 Partes de un Motor de CA

Fig. 1.28.6 Rotor de “Jaula de ardilla”

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Estos devanados del rotor son similares en construcción a los devanados

amortiguadores encontrados en los generadores.

Corrientes en el Rotor

Estas barras cortocircuitadas, se comportan como el secundario de un

transformador. El campo magnético establecido en el estator induce una FEM en las

barras del rotor. Las barras del rotor y los anillos de corto-circuito completan un

circuito, por lo que se establece un flujo de corriente en las barras del rotor.

Recuérdese que cuando se establece una corriente, se establece un campo

magnético. Como este campo magnético es producto de una inducción, y la

inducción se opone a la fuerza que la creó, el polo magnético en el rotor es de

polaridad opuesta al polo del estator que lo generó. Si se aplica el principio del

magnetismo, la polaridad del rotor es atraída por la polaridad del estator. El campo

rotatorio del estator produce una polaridad giratoria, que jala y empuja el campo

creado inicialmente en el rotor. El jalón y empuje producen un par de torsión y el rotor

del motor gira.

Barras Cortocircuitadas del rotor

El término utilizado con frecuencia para describir las barras sólidas que forman los

devanados del rotor de un motor de inducción es “Barras Cortocircuitadas”. Un

corto-circuito es una situación de muy baja resistencia, que tiene muy poca

restricción al flujo de corriente. Las barras del motor se diseñan con muy baja

resistencia para obtener ciertas características de operación del motor. Las barras

del rotor por sí solas no son la causa de la condición de corto-circuito. La gran

corriente de arranque del motor se debe al movimiento relativo entre el campo

rotatorio moviéndose a gran velocidad y las barras del rotor, casi inmóviles. Debido a

219

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación la acción similar al transformador, la gran diferencia del movimiento relativo induce

una FEM muy grande y una corriente muy grande en el rotor.

La gran corriente de arranque se reduce dramáticamente al incrementarse la

velocidad del rotor. Entre más cercanas estén las RPM del rotor a la velocidad de

rotación del campo magnético giratorio, hay menos movimiento relativo. Menos

movimiento relativo significa menos FEM inducida en las barras y menos corriente en

los devanados del estator y del rotor. Poco después de que la potencia se aplica al

motor, la corriente se reduce a un valor tan pequeño como el 10 por ciento. Una vez

que el motor está operando a su velocidad normal, la Corriente a Plena Carga se

mantiene (Figura 1.28.7). Los motores de gran capacidad, pueden tener incrementos

de 6 a 12 veces el valor de la corriente a plena carga durante el arranque. La

sobrecarga mecánica reduce la velocidad del rotor é incrementa la corriente. Este

incremento de corriente, no importa que tan pequeño sea, es el que produce calor,

suficiente para destruir el motor.

Fig. 1.28.7 Placa de datos de motor típica

220

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Deslizamiento

Si el rotor pudiera girar a la velocidad sincrónica, entonces no habría movimiento

relativo entre el campo magnético del estator y el de las barras del rotor. Esto

pondría fin al proceso de inducción y el rotor perdería su campo magnético.

Esto no es posible en el motor de inducción. Si la velocidad del rotor igualara la

velocidad sincrónica, el rotor se detendría. Sin embargo, tan pronto como el rotor

reduce su velocidad, aunque sea ligeramente, se induce nuevamente FEM y fluye

corriente en las barras. La velocidad del rotor se mantendría en un punto por debajo

de la velocidad sincrónica. El Deslizamiento es la diferencia entre la velocidad

sincrónica y la velocidad real del motor expresada como un porcentaje.

(velocidad sincrónica – velocidad del rotor) x 100 Deslizamiento = ------------------------------------------------------------------ Velocidad sincrónica (1,800 RPM – 1,785 RPM) x 100 Deslizamiento = ---------------------------------------------- 1,800 Deslizamiento = 0.8 %

Un motor de inducción siempre tiene una diferencia en velocidad entre los campos

del estator y el rotor. Sin esta diferencia, no habría movimiento relativo entre los

campos magnéticos del estator y el rotor, ni inducción ó campo magnético en el rotor.

La velocidad del rotor por lo tanto, está determinada por el número de polos, la

frecuencia y el porcentaje de deslizamiento.

221

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Resistencia del rotor

Los rotores de los motores de inducción están diseñados para tener un valor

específico de resistencia. La resistencia del rotor, determina la facilidad relativa con

la que se establece el campo magnético del rotor.

La corriente de arranque del motor, el deslizamiento y el par de torsión son

modificados por la resistencia del rotor. Al desarrollar un motor con alta resistencia

del rotor, se obtiene un deslizamiento mayor, debido a que el campo magnético del

rotor no puede crecer rápidamente.

Una revisión paso-por-paso de la secuencia de eventos que se presentan entre el

estator y el rotor en un motor de inducción con una resistencia de rotor relativamente

alta es la siguiente:

La corriente alterna en el campo rotatorio del estator, induce FEM en las

barras del rotor

La alta resistencia en el rotor evita el crecimiento rápido del campo

magnético del rotor.

La incapacidad del rotor de crear rápidamente un campo magnético impide

que el rotor incremente su velocidad rápidamente.

Debido a que el rotor no incrementa su velocidad rápidamente, hay un gran

movimiento relativo entre el campo rotatorio del estator y el campo de

movimiento lento del rotor.

El gran movimiento relativo producido por un rotor moviéndose más

lentamente, incrementa la FEM en las barras del rotor.

El Incremento de la FEM, genera un incremento de corriente en las barras

cortocircuitadas.

El incremento de corriente en las barras, incrementa el campo magnético del

rotor.

El incremento en el campo magnético, incrementa la atracción del rotor al

campo rotatorio del estator.

El rotor desarrolla un par de torsión mayor para mover cargas más grandes.

222

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Sin embargo, el par de torsión extra no viene sin algunas complicaciones. El

incremento en par de torsión significa un incremento de demanda en el sistema de

distribución. Hay también un incremento en el deslizamiento a plena carga.

Los rotores con resistencias más altas no son aceptables para todas las

aplicaciones. Esta es la razón por la que existen muchos diseños de rotores.

La resistencia de los rotores es identificada por la NEMA (Asociación Nacional de

Fabricantes Eléctricos), identificándola como factor del Diseño.

La resistencia de los devanados del estor es muy baja. Entre menor resistencia

tenga un componente, mayor será la corriente desde el generador. Los

requerimientos de corriente de un motor pueden ser, entre otros, atribuidos

simplemente al tamaño del mismo. El diámetro de los devanados del estator es

mayor si la capacidad del motor es mayor. Un motor, con su baja resistencia de

devanados del estator, inicialmente reacciona como un corto-circuito. No será sino

hasta que la expansión y contracción de los campos magnéticos corten las muchas

espiras adyacentes a cada conductor en los devanados del estator que la corriente

se reducirá. Esta oleada momentánea de corriente, combinada con la acción similar

al transformador, descrita en las barras cortocircuitadas, contribuye a la corriente

total necesaria al arranque del motor.

En un sistema de distribución que empieza a operar, probablemente las únicas

cargas sean de alumbrado. Los instrumentos que miden la corriente registran

valores pequeños. Esto es debido a que la resistencia de las lámparas es muy alta.

La resistencia alta, mantiene la corriente baja.

Tan pronto como se conecta un motor a la línea, la corriente suministrada llega a ser

excesiva. El ampérmetro registrará más de seis veces la corriente de operación

normal del motor. Esto es lo que pasa: la resistencia interna del motor es

despreciable. Debido a que todos los componentes están conectados en paralelo en

el sistema de distribución, se aplican las Reglas de los circuitos en paralelo. La

resistencia total de un circuito paralelo es siempre menor que la menor de sus

componentes. (Es por esto que las corrientes de arranque se deben considerar

cuando se diseñan los sistemas de distribución). La resistencia del alambre del motor

223

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación es en ese momento el único factor determinante para la salida de corriente del

generador. La corriente proporcionada por el generador en ese instante es llamada

Corriente de Arranque.

Si el rotor está impedido mecánicamente para moverse, la corriente se llama

entonces “Corriente a Rotor Bloqueado” (LRC).

El motor de inducción presenta varios problemas al ambiente del sistema de

generación. La gran corriente que toma el motor puede afectar el sistema de

generación, al grado de que el voltaje generado puede tener una gran caída.

(También hay una resistencia interna en el generador. Entre mayor sea la corriente a

través de los conductores del generador, mayor será la caída de voltaje en el sistema

eléctrico, (E = I x R). Cuando este voltaje generado cae por debajo de cierto valor,

relevadores, contactores, y otras bobinas, se desenergizan, y sus equipos asociados

dejan de funcionar.

Para entender las características de operación de un motor es necesario entender

los efectos del motor en el sistema eléctrico y los requisitos para proteger al motor en

condiciones de sobrecarga. Los dos efectos más importantes sobre el motor son:

La Reactancia Inductiva

La Alta FEM del rotor

Reactancia Inductiva

La discusión sobre transformadores explicó las propiedades de la inducción en una

bobina de alambre. Exceptuando la mínima resistencia del alambre, aparentemente

no hay nada que evite que la fuente proporcione la máxima corriente. Sin embargo,

la inductancia se opone a los cambios de corriente. Un voltaje opuesto ó Fuerza

Contra-Electromotriz se desarrolla y opone al voltaje de la fuente de potencia. En los

sistemas de CD, la FCEM restringe el flujo de corriente. En los sistemas de CA, la

FCEM impide los cambios del flujo de corriente. El sistema de CA, con sus varias

amplitudes y direcciones de corriente, crea un generador en cada inductor. Esta

potencia transportadora se genera en los inductores, y debe ser superada por el

224

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación generador. Cuando la reactancia inductiva (potencia transportadora), la carga del

motor y las pérdidas asociadas son superadas, el generador suministra solamente la

corriente adicional necesaria para mantener el rotor del motor girando. El único

problema existe con la reactancia inductiva. Esta FCEM generada y su corriente

resultante están ahí para ser superadas. La reactancia inductiva, por lo tanto no se

consume.

Siempre que la inductancia está involucrada en el sistema eléctrico, se tiene como

resultado un factor de potencia retrasado. El factor de potencia es extremadamente

bajo cuando el motor arranca. Entre más bajo sea el factor de potencia, mayor será

la corriente necesaria para operar el motor. Se puede esperar un factor de potencia

de 0.5 cuando el motor arranca. A la velocidad de operación normal, un factor de 0.8

es aceptable.

Nunca seleccione un motor con una capacidad mayor que la necesaria para su

operación. Al contrario de la creencia popular, cuando un motor no es operado a su

capacidad plena, la eficiencia del sistema eléctrico decrece. El factor de potencia

decrece , alejándose dela unidad, y se requiere más potencia para operar el motor de

la que se requeriría normalmente para un motor operando a una capacidad de diseño

real.

Nunca opere un motor por arriba de su capacidad. No durará mucho tiempo

operando. Los motores y generadores pueden operar a varias veces sus valores

normales de corriente por períodos cortos de tiempo. Pero se genera calor en

exceso. Si no se permite que el calor se disipe rápidamente, el aislamiento resultará

dañado.

Alta FEM del rotor

La reactancia inductiva es una consideración importante para el sistema eléctrico

cuando se seleccionan motores. Pero la inducción en el motor es otra característica

que influye aún más. Esta es llamada FEM del rotor.

El motor actúa muy parecido a un transformador. El devanado del estator se

comporta como el devanado primario y el rotor se comporta como un secundario. Si

225

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación el devanado secundario de un transformador se pone en corto, el primario se

convierte en su fuente de generación. El devanado primario, como una extensión del

generador, suministra tanta corriente como sea posible, de acuerdo al teorema de

Máxima Transferencia de Potencia.

En el instante en el que el rotor no ha empezado a moverse y se aplica corriente al

estator, hay un deslizamiento máximo. Hay el máximo movimiento relativo entre el

estator y el rotor y un máximo voltaje inducido en las barras de baja resistencia del

rotor. Estas barras del rotor actúan como un corto-circuito conduciendo corrientes

muy grandes, debido a que su resistencia es despreciable como para restringir el

flujo de corriente.

Los devanados del estator tienen corrientes extremadamente grandes debido a la

gran FEM inducida en el rotor. Ambos, el rotor y el estator desarrollan los máximos

campos magnéticos por lo máximos flujos de corriente.

El campo magnético del rotor, por ser inducido, es de polaridad opuesta al campo

magnético del estator.

El rotor empieza a moverse. A medida que la velocidad del rotor se incrementa, el

movimiento relativo entre los dos devanados decrece. La reducción del movimiento

relativo decrece la FEM y la corriente resultante en las barras del rotor. La demanda

de corriente sobre la fuente decrece al mismo tiempo que la corriente en el estator.

Este fenómeno es observable usando un ampérmetro de inducción en el motor de

CA. Simplemente coloque el gancho del ampérmetro alrededor de un conductor del

motor. Arranque el motor y observe las lecturas del instrumento. La corriente

empezará con un valor muy alto, pero decrecerá rápidamente cuando el motor

incrementa su velocidad.

Cambios de carga

La Fuerza Contra-Electromotriz desarrollada en los devanados del estator podría

restringir el flujo de corriente a un valor moderado, si no existiera la FEM inducida en

el rotor. Muchos otros factores afectan la operación del motor, tales como: la

impedancia; cambios en el par de torsión y el ángulo en grados que separa los

226

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación campos magnéticos del rotor y el estator. La Tabla 1.28.2, es una referencia simple

de los factores que afectan un motor y el ambiente eléctrico en aplicaciones

trifásicas.

Tabla 1.28.2 Factores que afectan los motores de CA

A continuación se detallan algunas características de operación de los motores bajo

condiciones severas:

Cuando el motor opera sin carga, la velocidad del rotor está muy cercana

a la velocidad sincrónica. Hay muy poca FEM inducida en las barras del

rotor, sólo la suficiente para superar las pérdidas mecánicas. La corriente

consumida es baja.

Al incrementarse la carga, se incrementan el deslizamiento y el

movimiento relativo. La FEM inducida en el motor aumenta con una

mayor corriente resultante en los devanados del rotor y el estator. El

campo magnético incrementado aumenta el par de torsión y la habilidad

del motor de regresar a su velocidad normal. La corriente se incrementa

automáticamente al bajar la velocidad del rotor.

Durante una condición de sobre-carga. El rotor baja su velocidad

excesivamente. La FEM inducida en el rotor y el consecuente incremento

en las corrientes del rotor y el estator puede quemar el aislamiento de los

devanados y destruir el motor.

227

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Interpretacion de los datos de placa de los motores

Los motores se diseñan y desarrollan para aplicaciones específicas. La identificación

para el uso apropiado puede resultar difícil. Para asegurar la aplicación correcta del

componente correcto, todas las asociaciones regulatorias de los gobiernos requieren

que se imprima un mínimo de información específica en las placas de datos de los

motores.

Estos datos incluyen los siguientes:

Nombre del Fabricante

Frecuencia de operación, representada en Hertz ó ciclos por segundo. Esto

es siempre una indicación de aplicación para CA.

Voltaje de Operación. El motor está diseñado para operar a este voltaje ó

dentro de un rango de voltaje especificado. Dos voltajes separados por una

diagonal, como 220/440, indican que puede operar con dos valores,

dependiendo de las conexiones eléctricas de sus devanados.

Corriente A Plena Carga. (FLC) Esta es la corriente requerida para operar el

motor en su rango de carga y velocidad. Esta no es la corriente de arranque

del motor. Cuando se dan dos valores de corriente, esto indica que cada

corriente corresponde a un valor de voltaje. Cuando se usa el valor más alto

de voltaje, se requiere menos corriente para mover el motor.

Velocidad A Plena Carga. (RPM). Es la velocidad a la que gira el rotor del

motor a plena carga.

Incremento de Temperatura (°C Rise). Es el valor en grados centígrados que

se agrega a la temperatura ambiente para determinar el rango máximo de

temperatura a la que puede operar el motor a plena carga.

Rango de tiempo. Es el tiempo que el motor puede operar continuamente sin

detenerse, se da en horas ó se especifica servicio continuo.

Rango de potencia (HP).

228

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Código (Code). Es una letra que indica la más alta corriente que tomará el

motor si se impide que el rotor gire. El valor de la corriente se estima en

KVA por HP. Es una medida de la corriente a rotor bloqueado. Las Tablas

1.28.3 y 1.28.4, enlistan las letras del Código del Código Nacional Eléctrico

(NEC).

Diseño (Design). Es una letra que indica los KVA de arranque, los KVA en

operación y los KW en operación. Los Diseños más usados son los diseños

B, C ó D.

Diseño A. Es de uso limitado tiene extremadamente altos KVA (corriente) de

arranque, tanto como el 50 por ciento más que los diseños B, C ó D.

Diseño B. Tiene un rotor de diseño estandar. Este tipo de rotor tiene baja

resistencia. Tiene par de torsión normal, baja corriente de arranque y bajo

deslizamiento a plena carga.

Diseño C. Su rotor tiene alta

resistencia interna. Esto

mejora el factor de potencia

del rotor en el arranque. Al

operar a plena carga, la

resistencia extra crea un

deslizamiento mayor.

Diseño D. Tiene la más alta

resistencia en el rotor. El par

de torsión en el arranque es

máximo.

Tipo. Es información

aplicación específica del

fabricante. Esta también

identifica características de la

carcaza, (a prueba de agua,

a prueba de goteo, etc.)

Facto r de Servicio. Expresa

Tabla 1.28.3 Clasificación por Código

229

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

en decimales la capacidad de soportar sobrecargas temporales.

Multiplicando la corriente a plena carga por el factor de servicio, se establece

la máxima corriente aceptable por arriba de la corriente a plena carga por un

período corto de tiempo.

Armazón (Frame). Determina las dimensiones estandarizadas del

motor y sus componentes. Algunas de estas especificaciones incluyen:

longitud y diámetro de la flecha; diámetro de los agujeros de montaje y

distancias entre éstos; longitud y altura del motor, etc.

Eficiencia de los motores

La eficiencia es la relación entre la

Potencia de salida y la Potencia de

entrada. Solamente una parte de la

potencia que llega al motor es

realmente entregada a la carga en

forma de potencia mecánica. Alguna

potencia se pierde en la resistencia de

los devanados del estator y en el núcleo

del estator. Otras pérdidas se

transmiten a través del entrehierro,

finalmente, la potencia necesaria para

la ventilación y las pérdidas por fricción

reducen la salida de potencia aún más.

Las pérdidas en el cobre son

proporcionales al cuadrado de la

corriente ( I2R ). Esta es la única

pérdida variable. Las pérdidas

rotacional y del núcleo no cambian

cuando el motor trabaja con carga.

Tabla 1.28.4 KW y KVA de Motores

230

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Mantenimiento de los motores de corriente alterna Al efectuar el mantenimiento de los Motores Eléctricos de Corriente Alterna, se

deberá ajustarse a lo especificado en las Cartas de Mantenimiento correspondientes,

las cuales deben incluir, limpieza de los devanados del motor utilizando aire a

presión con un solvente apropiado, revisión y en su caso reemplazo de baleros y

reapriete de terminales de conexión.

Precauciones al efectuar mantenimiento a motores y generadores

Al ejecutar actividades de mantenimiento en un motor o generador eléctricos, debe

evitarse la posibilidad de que inadvertidamente se pongan en operación ó en

movimiento, con el riesgo de causar lesiones al personal que los está interviniendo,

para lograrlo no se deben escatimar medios que permitan al personal trabajar con

mayor seguridad, para lo cual se recomiendan las siguientes prácticas.

Utilice la ropa y equipo de protección adecuados.

Informe al personal involucrado de la actividad que se va a efectuar.

Donde sea necesario coloque avisos indicando la unidad que se está

interviniendo.

Asegúrese, inclusive midiendo, que no hay voltaje presente.

Utilice los interruptores de seguridad de la unidad y avise al personal que no

los desactive sin autorización.

Cuando sea necesario inactive los circuitos quitando los fusibles de control.

Cuando sea posible desconecte los cables de potencia que alimentan el

motor.

Evite el contacto o la inhalación de solventes y sus vapores.

Si es posible, para evitar riesgos, conecte con un cable a tierra las partes

expuestas.

231

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

1.29.- Motores monofasicos

Los motores monofásicos son los motores comunes que se construyen en mayor

cantidad, se encuentran en hogares, talleres e industria. Ya que hay una variedad

muy amplia de ellos, es imposible describirlos todos, aquí se describirán los que se

encuentran con más frecuencia. La Figura

1.29.1, muestra los diagramas esquemáticos

básicos para motores monofásicos.

El diagrama básico, (Vista A), muestra un

circulo con dos terminales marcadas T1 y T2.

Al igual que en el motor trifásico, se muestran

las terminales de conexión identificadas con

la letra T. En la mayoría de sus aplicaciones

los motores monofásicos se alimentan desde

los tableros de alumbrado, por esta razón, los

motores monofásicos comúnmente se

conectan a las líneas L1 y L2, como se

muestra en la Figura 1.29.2.

La Figura 1.29.1, muestra cuatro diagramas.

El diagrama A, muestra el motor como se ve

en los diagramas esquemáticos, únicamente

identifica funcionalmente el motor. Los

diagramas B y C muestran de manera más

amplia el alambrado interno. Estos

diagramas son útiles para entender la

naturaleza y funcionamiento del motor.

Fig. 1.29.1 Diagramas básicos de motores monofásicos

La Figura 1.29.3, muestra un diagrama

unifilar muy básico del motor monofásico,

este diagrama se usará para analizar el

funcionamiento. Fig. 1.29.2 Marcas en terminales

232

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación La construcción del motor monofásico de inducción es muy parecida a la del motor

trifásico. Algunos motores monofásicos también se llaman

de jaula de ardilla, como se vió en el motor trifásico, la jaula de ardilla consiste de

barras y anillos de cortocircuito que forman los devanados del rotor. La jaula de

ardilla se considera también como el devanado secundario del motor (Figura 1.29.4)

Fig. 1.29.3 Diagrama unifilar

Fig. 1.29.4 Rotor de jaula de adilla

233

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Motores de Inducción

A pesar del hecho de que el motor trifásico tiene más fases que el monofásico, el

motor monofásico es una máquina mucho más compleja. Se requieren varios

componentes adicionales para la operación del motor monofásico.

Los motores monofásicos tienen solamente dos líneas de alimentación conectadas y

pueden operar en cualesquiera de las fases A-B, B-C, C-A, A-N, B-N ó C-N.

Los dos cables de alimentación pueden suministrar solamente un voltaje monofásico

(Figura 1.29.5).

La Corriente monofásica que llega al devanado de un motor monofásico no produce

un campo magnético rotatorio

en el estator del motor tal como

lo hace una corriente trifásica.

El campo magnético

desarrollado por una corriente

monofásica se crea en el

devanado del estator y

desaparece, se requiere un

ciclo completo para que la corrie

Esto impide la creación de un campo magnético rotatorio tan fácilmente obtenido con

un suministro trifásico.

nte nuevamente produzca un campo magnético.

Fig 1.29.5 Voltaje y corriente monofásicos

El problema con el motor monofásico es que no puede crear un campo magnético

rotatorio por sí mismo. Sin un campo magnético rotatorio no se desarrolla par de

torsión y el rotor no girará. Con un solo devanado en el estator, el motor monofásico

solamente produce un campo magnético oscilante.

La Figura 1.25.6, muestra un devanado principal separado en dos bobinas. Cada

bobina está arrollada en diferente dirección. La importancia de la dirección diferente,

es para resaltar la aplicación de la regla de la mano izquierda para bobinas. Al

arrollar el alambre en diferentes direcciones, la polaridad de la cara de la bobina más

cercana al rotor puede ser cambiada.

234

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Cuando la corriente fluye en el devanado principal, el campo magnético se establece

a través de los devanados. Pronto, a corriente deja de fluir y cambia de dirección

(Figura 1.29.7). Con este cambio en la dirección de la corriente, viene un cambio en

la polaridad de las bobinas.

El campo magnético del rotor se desarrolla a través de la inducción, de la misma

manera que se describió en rotor del motor de inducción trifásico. Las barras del rotor

y los anillos de corto circuito tienen una FEM inducida creada en ellos y se desarrolla

un flujo de corriente. Este flujo de corriente establece un campo magnético de una

polaridad opuesta a la polaridad de las bobinas del estator.

Fig. 1.29.6 Devanados de motor monofásico

Fig. 1.29.7 Cambio de sentido de la corriente

235

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Siempre que la corriente cambie de dirección y se establezca un nuevo campo

magnético en el estator, el campo magnético inducido en el rotor cambia a una

polaridad opuesta a la bobina de estator que tiene enfrente. Lo único que el rotor

puede hacer es oscilar. Sin ninguna fuerza que haga girar el rotor, no se produce par

de torsión.

Si una persona examinara este motor, escucharía un zumbido distinto. Este se

conoce como zumbido de CA. A menudo se le escucha proviniendo de los

transformadores o motores monofásicos que no están girando. Si se hace girar el

rotor a mano en cualquier dirección, el rotor se empezaría a mover. La velocidad se

incrementaría hasta alanzar la de operación normal.

Tan pronto como el campo magnético del rotor se desplace ligeramente respecto al

campo del estator, se desarrollará un par de torsión. El deslizamiento mantendrá el

campo del rotor ligeramente por detrás del campo del estator. Esta diferencia en

velocidad (movimiento relativo), es necesaria para inducir FEM en el rotor y mantener

el campo magnético del rotor. Si se desconecta el motor, el rotor parará y será

necesario proporcionar movimiento inicial para arrancar el rotor. Esta no es una

condición aceptable para un motor.

Sin disponer de una corriente alterna trifásica, debe establecerse un desplazamiento

de fase artificial. Si el rotor pudiera por si mismo desarrollar otra corriente,

ligeramente fuera de fase con la original, se produciría un campo revolvente. Este es

el problema encontrado en los motores monofásicos de inducción. De hecho los

nombres de los motores monofásicos representan el medio por el cual se obtiene el

campo revolvente a partir de una fuente monofásica.

Hay una multitud de combinaciones para motores monofásicos. Aquí se discutirán los

cinco diseños básicos:

Fase partida (arranque por resistencia)

Con capacitor de arranque

Con capacitor permanente

Dos capacitores

Polo sombreado

236

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Arranque de motores monofásicos

En adición a los devanados de trabajo o principales, todos los motores de inducción

están equipados con devanados auxiliares ó de arranque en el estator. Los

devanados auxiliares ó de arranque, están traslapados con los devanados

principales ó de trabajo. Esto proporciona el campo revolvente necesario para iniciar

el giro del rotor. Estos términos se usan en juegos, El primer juego es el de trabajo y

arranque. El segundo juego es el principal y auxiliar. Cada grupo tiene una terminal

de conexión común.

Juego de devanados de trabajo y de arranque.- El término “devanado de trabajo”, se

usa para designar el devanado que recibe corriente todo el tiempo cuando el motor

está en operación. Está colocado exteriormente en el núcleo del estator, más

próximo a la carcaza. El término “de trabajo” se usa solamente cuando el otro

devanado es el devanado de arranque.

Un devanado de arranque está en paralelo con el devanado de trabajo. El devanado

de arranque recibe corriente solamente durante el período inicial de arranque.

Después de eso se desconecta de la

fuente. El devanado de arranque es el

juego de bobinas localizado más cerca

del rotor (Figura 1.29.7).

Fig. 1.29.8 Ubicación de devanados

Juego de devanados Principal y auxiliar.-

El término “Devanado principal”, se usa

para designar un devanado que recibe

corriente todo el tiempo cuando el motor

está en operación. El devanado principal

está localizado próximo a la carcaza. El

término “principal”, se utiliza solamente

cuando el otro devanado es un devanado

auxiliar.

237

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Un devanado auxiliar, recibe corriente todo el tiempo que el motor esté operando.

Está siempre en paralelo con el devanado principal. Las bobinas auxiliares se

localizan próximas al rotor. Debido a la creación de devanados con mejores

propiedades aislantes y carcazas con mejores cualidades de disipación de calor, el

devanado auxiliar puede permanecer en el circuito al mismo tiempo que el devanado

principal. Esto incrementa la capacidad de operación con carga del motor.

Conexión Común.- El devanado auxiliar ó de arranque, está conectado al devanado

principal ó de trabajo por medio de una conexión llamada “común”. El devanado

auxiliar ó de arranque está en paralelo con el devanado principal ó de trabajo (Figura

1.29.9). Ambos devanados en el motor, usan la misma fuente monofásica. La

conexión común ente el juego de devanados es necesario para completar el circuito

paralelo.

Fig. 1.29.9 Conexiones de los devanados

Motores de fase partida (arranque por resistencia)

La Figura 1.29.10, es un diagrama unifilar básico del motor de fase partida, este

muestra los devanados de trabajo y arranque, así como el interruptor centrífugo

(I.C.).

238

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Los devanados de trabajo y arranque, están conectados en paralelo. Si se aplica

corriente a ambos devanados y se establece un campo magnético simultáneamente,

el rotor podría no hacer otra cosa más que oscilar. A menos que dos ó más

corrientes ligeramente fuera de fase entren en diferentes devanados, no se obtendrá

par de torsión. Cada vez que la corriente cambia de dirección, las polaridades de los

campos magnéticos del estator cambian también. La FEM inducida en el rotor y su

resultante campo magnético cambian también. No se produce par de torsión.

Algo debe hacerse para que un campo magnético en un devanado se presente en un

tiempo ligeramente diferente al del otro

devanado, para producir un efecto de

empuje y jalón en el rotor. Esto creará el

movimiento.

La Figura 1.29.11, ilustra el devanado de

trabajo (Vista A) y el devanado de

arranque (Vista B) como bobinas

separadas. En la vista C, las dos bobinas

están conectadas en la terminal común.

Así es como los dos devanados

colocados en el circuito en paralelo.

La Figura 1.29.12, muestra como los

devanados de arranque y de trabajo

están en paralelo con la misma fuente de

Fig. 1.29.10 Motor de fase partida

Fig. 1.29.11 Conexión de devanados

239

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación voltaje disponible. La corriente entrante en un nodo, debe dividirse entre los dos

devanados (Figura 1.29.13). El magnetismo es una propiedad de la corriente. Al

forzar la corriente a llegar primero a un devanado antes de llegar al otro, podría crear

la diferencia de fase necesaria para crear el par de torsión.

El motor de fase partida toma ventaja de una resistencia incrementada en el

devanado de arranque. Esto se logra con sólo hacer los devanados de arranque con

alambre de menor diámetro. En oposición a la creencia popular, la mayor resistencia

en el devanado de arranque, permite desarrollar

un campo magnético en el devanado de

arranque, antes que en el de trabajo.

Una mayor corriente entra al devanado de

trabajo porque su alambre tiene menos

resistencia. La mayor corriente en el devanado

de trabajo genera una mayor FCEM que la

desarrollada en el devanado de arranque. Esto

fuerza la corriente a retrasarse del voltaje

alrededor de 50 grados. La corriente más

pequeña entrando en el devanado de arranque,

genera menos FCEM. La FEM de la fuente

pronto supera la FCEM del devanado de

arranque. En el devanado de arranque, la

corriente está retrasada alrededor de 20 grados

respecto al voltaje. Esto pone al campo magnético en el devanado de arranque

adelante del campo del devanado de trabajo por alrededor de 30 grados (Figura

1.29.14).

240

Fig. 1.29.12 Devanados de Arranque y Trabajo

Fig. 1.29.13 Corriente en los devanados

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

En la Figura 1.29.14, la corriente en el devanado de arranque precede la corriente

que llega al devanado de trabajo . El campo magnético se desarrolla en el devanado

de arranque primero. Un momento después, la corriente en el devanado de arranque

empieza a disminuir, y su campo magnético decrece. Cuando esto sucede, la

corriente y el campo magnético en el polaridad magnética permanecen iguales. Las

polaridades magnéticas del rotor fueron desarrolladas primero por el devanado de

arranque. Ahora, el campo magnético en incremento del devanado de trabajo, el cual

está desplazado físicamente, atrae el rotor. Este es el desplazamiento de fase

necesario para el par de torsión. La dirección de rotación será siempre desde el

devanado de arranque hacia el devanado de trabajo adyacente de la misma

polaridad.

Fig. 1.29.14 Campo rotatorio en motor monofásico

241

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

A aproximadamente 75% de la velocidad nominal del rotor, un interruptor centrífugo

desconecta el devanado de arranque de la fuente de alimentación. Una vez que el

movimiento se ha establecido, el motor continuará girando eficientemente

únicamente con el devanado de trabajo. (Figura 1.29.15).

Fig. 1.29.15 Motor en operación

Interruptor Centrífugo

Muchos de los motores monofásicos no están diseñados para funcionar

continuamente con ambos devanados, a aproximadamente el 75% de la velocidad

nominal, el interruptor centrifugo abre sus contactos. Solamente toma unos instantes

para que el motor alcance esa velocidad. Un “click” audible puede escucharse

cuando el interruptor centrífugo abre ó cierra.

El interruptor centrífugo opera en el mismo principio que los contrapesos en los

gobernadores de los motores diesel. Contrapesos agregados a la periferia de

interruptor giran simultáneamente con la flecha del rotor, (Figuras 1.29.16 y 1.29.17).

Cuando la velocidad de la flecha del rotor se incrementa, la fuerza centrífuga mueve

los contrapesos hacia el exterior. Esta acción física abre un juego de contactos en

serie con los devanados de trabajo.

Una vez que el devanado de arranque es desconectado del circuito, el par de torsión

del rotor y el campo magnético oscilante del estator harán continuar girando al rotor.

Sin embargo, si el motor se para, el devanado de arranque se reconecta por medio

del interruptor centrífugo, normalmente cerrado y operado por resorte. El motor sólo

puede desarrollar par de arranque con ambos devanados en el circuito.

242

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Fig. 1.29.16 Interruptor Centrífugo Fig. 1.29.17 Operación del Interruptor

Inversión de Rotación

El rotor siempre girará desde el devanado de arranque hacia el devanado adyacente

de trabajo de la misma polaridad. Por lo tanto sería necesario cambiar la relación de

polaridad entre los devanados de arranque y de trabajo. Para cambiar la relación y la

dirección de rotación, la polaridad de solamente uno de los campos debe invertirse.

La corriente de entrada en el devanado de trabajo ó en el devanado de arranque

debe invertirse, pero no ambas. La Figura 1.29.18 muestra un diagrama esquemático

de inversión de la polaridad en el devanado de arranque.

Si las líneas principales de alimentación L1 y L2 se intercambian, entonces se

invierte la polaridad de todos los devanados, esto por lo tanto no invertirá la rotación,

ya que se invirtió la polaridad tanto del devanado de arranque como la del de trabajo.

243

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Aplicaciones del motor de fase partida

Los motores de fase partida generalmente se limitan a potencias de 1/3 de HP. Son

sencillos de fabricar y económicos. El par de arranque es reducido y pueden

utilizarse solamente para mover cargas

pequeñas.

Motores con Capacitor de Arranque

Los motores de arranque con capacitor son los

más ampliamente usados. Se les encuentra en

unidades de refrigeración, bombas,

ventiladores etc. Vienen en una variedad de

tamaños hasta 7.5 HP. La Joroba característica

en la parte superior, aloja el capacitor. (Figura

1.29.19)

El motor de arranque con capacitor está

derivado del motor de fase partida. El motor de

fase partida tiene un desplazamiento de entre

los devanados de arranque y trabajo de 30

grados únicamente con la resistencia del

alambre. Para incrementar este ángulo así

como el par de torsión, se debe agregar un

capacitor. El efecto del capacitor puede ser

usado para incrementar el ángulo de

lascorrientes, ó en otras palabras, para

incrementar el tiempo entre la llegada de la

corriente el devanado de arranque y la llegada

de corriente al devanado de trabajo. Con

capacitancia, la corriente está adelantada con

respecto al voltaje.

Fig. 1.29.18 Inversión de rotación

Fig. 1.29.19 Motor con Capacitor

244

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación El capacitor, a diferencia del resistor, no consume potencia, sino que la almacena, de

tal manera que puede regresarla al circuito. La combinación de devanado de trabajo

inductivo (corriente retrasada) y devanado de arranque capacitivo (corriente

adelantada), crea un mayor desplazamiento de corriente. Esto incrementa el par de

torsión.

Aplicación del capacitor

El capacitor está colocado en serie con el devanado de arranque. La Figura 1.29.20

muestra el diagrama de línea de su posición. El óptimo par de torsión puede

obtenerse si la corriente entrante a los devanados de arranque y de trabajo está

desplazada 90 grados.

Fig. 1.29.20 Conexión del capacitor

Sabiendo que un devanado de trabajo inductivo, produce un retraso de la corriente

de 50 grados, se puede seleccionar un capacitor apropiado. Un capacitor que

efectivamente pueda producir un adelanto de la corriente de 40 grados daría el

desplazamiento óptimo de 90 grados. (Figura 1.19.21)

245

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Fig. 1.29.21 Corrientes en los devanados

Una vez que el motor alcanza el 75% de su velocidad nominal, el capacitor de

arranque y el devanado de arranque son eliminados por el interruptor centrífugo.

Para este motor, no es necesario operar con ambos devanados continuamente.

Motores de Capacitor Permanente

El capacitor de los motores de arranque con capacitor mejoran el factor de potencia

del sistema eléctrico únicamente durante el arranque. Permitiendo al capacitor

permanecer en el circuito mejorará el factor de potencia eléctrico que fue modificado

inicialmente por el uso del motor. El capacitor permanente es colocado en serie con

uno de los devanados. Los dos devanados son ahora llamados devanado principal y

devanado auxiliar. Ellos se construyen exactamente igual. Ambos se dejan en el

circuito durante la operación del motor. No se requiere más el interruptor centrífugo.

Ciertas desventajas se hacen aparentes. El motor de capacitor permanente es muy

dependiente del voltaje. La magnitud de la corriente entregada a los devanados

depende de la capacitancia del capacitor y del voltaje del sistema. Cualquier

fluctuación de voltaje afecta la velocidad del motor. La velocidad del motor puede

246

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación reducirse a valores tan bajos como el 50% por fluctuaciones pequeñas. Los cambios

de velocidad entre sin carga hasta plena carga pueden ser extremas. Ningún otro

motor de inducción sufre tan severas fluctuaciones de velocidad.

Motores con dos capacitores

Cuando se requiere par de torsión adicional para arrancar y mantener operando un

motor, se pueden agregar capacitores adicionales. Un ejemplo excelente son los

compresores de refrigeración. Un gran par de torsión se requiere para arrancar el

motor cuando el compresor tiene que vencer la presión del gas refrigerante. También

el compresor puede presentar una carga más severa durante la operación si el

sistema de refrigeración lo requiere. En este caso, se requieren el alto par de

arranque del capacitor y un ángulo de fase incrementado con el motor en operación,

para manejar los requerimientos de torsión adicionales.

La Figura 1.29.22, muestra el motor de dos capacitores, comúnmente llamado

capacitor-arranque/capacitor-trabajo. Nótese el capacitor de arranque en serie con el

devanado auxiliar. El interruptor centrífugo es usado para controlar el capacitor de

arranque de la misma manera que como lo hace en el motor de arranque con

capacitor. Este capacitor es usado solamente para obtener el par de torsión

suficiente para arrancar el motor.

Fig. 1.29.22 Motor con dos capacitores

247

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación El capacitor de trabajo está conectado en paralelo con el capacitor de arranque. De

esta forma, las capacitancias de ambos capacitores se suman para incrementar el

ángulo total de desplazamiento cuando el motor arranca. También, el capacitor de

trabajo está conectado en serie con el devanado auxiliar. Con el capacitor de trabajo

conectado en serie con el devanado auxiliar, el motor siempre tiene el devanado

auxiliar operando, y el par incrementado está disponible.

A alrededor del 75% de la velocidad nominal, el interruptor centrífugo desconecta el

capacitor de arranque del devanado auxiliar. El capacitor de trabajo es ahora el único

capacitor en el circuito del motor.

Motores de polo sombreado

El motor de polo sombreado (Figura

1.29.23) no utiliza dos devanados

para desarrollar el par necesario

para girar el rotor. En vez de eso, la

pieza polar del estator está dividida

en dos secciones. Una sección tiene

un anillo de cobre colocado en la

ranura de la pieza polar, rodeando

parte de la misma.

Fig. 1.29.23 Motor de polo sombreado

Al entrar la corriente alterna en los devanados de campo que rodean el polo del

estator rápidamente se forma un campo magnético en la porción del polo que no

tiene el anillo de cobre. Este campo magnético en expansión desarrolla una FEM y

un campo magnético de polaridad opuesta en el rotor de jaula de ardilla . En otras

palabras, el polo del estator puede tener una polaridad norte, pero por virtud

de la propiedad de la inducción, la polaridad en el rotor de jaula de ardilla

directamente debajo de la polaridad norte, será de polaridad sur.

Mientras esto sucede, el anillo de cobre ha impedido el desarrollo de un campo

magnético en la sección de polo sombreado del polo del estator. Primero, el campo

magnético creciente se expande a través del anillo de cobre. El anillo de cobre está

248

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación en corto-circuito, como las barras del rotor de un motor de inducción por lo que se

induce una FEM en él. Este campo magnético inducido por el campo magnético en

expansión y contracción. Como el anillo de cobre esta en corto, circula una corriente,

esta corriente establece n campo magnético en el polo sombreado. Todo esto toma

tiempo, y evita que el campo magnético se desarrollo o desaparezca al mismo

tiempo que el del devanado de campo.

Para cuando el campo magnético finalmente se establece en la sección sombreada

del polo, la corriente en la bobina de campo ha cesado. La sección sombreada ha

desarrollado un fuerte polo norte. La porción no sombreada se debilita rápidamente

por la eliminación de corriente en la bobina de campo.

La sección sombreada retiene su campo magnético más tiempo, debido a que le

toma más tiempo colapsarse. El campo magnético desarrollado en el anillo colapsa

primero. Este movimiento relativo del campo colapsando ayuda a inducir y mantener

la FEM. La corriente resultante y el campo magnético son mantenidas

momentáneamente en la pieza polar rodeada por el anillos de cobre.

La propiedad de la inducción establece que la inducción se opone a cambios en la

corriente. Esta oposición a detener el flujo de corriente, mantiene por más tiempo el

campo magnético.

La polaridad sur desarrollada en el rotor, en el devanado que está directamente

debajo de la sección no sombreada del polo del estator es atraída ahora por el fuerte

campo magnético de la sección sombreada. Así es como se desarrolla el par de

torsión.

La Figura 1.29.24, muestra el campo magnético desarrollado en la porción no

sombreada del polo del estator, el campo desarrollado en la sección sombreada y

finalmente, el campo desarrollado en el anillo de cobre. Todas estas cosas pasan

muy rápidamente, pero en instantes diferentes de tiempo.

Los motores de polo sombreado son de bajo costo, pero no tienen capacidad de

desarrollar suficiente par para equipo grande. Los motores de polo sombreado

usualmente van de 1/500 hasta ¼ de H:P

249

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Fig. 1.29.24 Campo Magnético en el motor

1.30.- Generadores de corriente directa

Descripcion del generador de C.D.

El Generador de Corriente Directa (Figura 1.30.1), es una máquina eléctrica, que

convierte energía mecánica, generalmente proveniente de un motor de combustión

interna, en energía eléctrica de Corriente Directa.

El generador de C.D., está constituido por las siguientes partes:

Una parte estacionaria, llamada Estator (Figura 1.30.2), construida de hierro, en el

cual están colocadas las bobinas de campo, los porta-escobillas, los interpolos y las

conexiones hacia el exterior. En los extremos del estator están las tapas del

generador, que también alojan los baleros que soportan la armadura.

Una parte rotatoria, llamada Armadura, en la cual se produce el voltaje de corriente

directa.

Un Soplador, movido por un motor de C.A., que tiene la función de producir una

ventilación forzada en el interior del generador, para retirar el calor producido en el

generador durante su operación.

250

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Principio de operación del Generador de C.D.

Como en todos los generadores eléctricos, el principio de funcionamiento del

generador se C.D., se sustenta en el principio de la Inducción Magnética. La

Armadura del generador, que es donde se produce el voltaje, está constituida por

una cantidad de conductores colocados en forma de bobinas, sobre las ranuras de

un núcleo laminado y los extremos de estas bobinas están conectados a las delgas

de un Conmutador.

Fig. 1.20.1 Generador de CD Fig. 1.30.2 Estator de Generador

En el estator están montadas las bobinas de campo, las cuales al alimentarse con un

voltaje de Corriente Directa producen a su alrededor un campo magnético. Al girar la

armadura, las bobinas de ésta cortan el campo magnético producido por las bobinas

de campo y se produce en las bobinas de la armadura un voltaje, este voltaje es

rectificado en el conjunto de conmutador y escobillas, y es llevado hacia el exterior

por conductores conectados a los porta-escobillas

251

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Características de los generadores de C.D.

En la actualidad, los únicos generadores de Corriente Directa que operan como

fuente de energía eléctrica en equipos de perforación son los generadores marca

E.M.D., modelo D-79GB, cuyas características son las siguientes:

Dimensiones de las escobillas: 2 3/8” x 2 5/8” (grado DE7) y 2 7/16” x 2 5/8”

(grado AC100)

Límite de operación de las escobillas: Reemplácese cuando el brazo de presión esté

1/8” arriba de la celda.

Porta-escobillas: Número de porta-escobillas: cuatro.

Claro entre la parte inferior del porta-escobillas y el conmutador: Mínimo 1/8”,

Máximo 3/16”

Presión del resorte:

Tipo Ajustable: Mínimo 7 libras (3.2 Kg.)

Tipo Constante: Máximo 8-10 libras (3.6-4.5 Kg.)

Conmutador:

Ancho de las ranuras: 0.050”

Profundidad de las ranuras: Mínima 3/64”, Máxima

Capacidad: 645 KW

Peso:

Generador completo: 2631 Kg.

Armadura: 1810 Kg.

Mantenimiento del Generador de C.D.

Las actividades de mantenimiento que se ejecutan en los generadores de C.D.,

deberán ajustarse a las “Cartas de Mantenimiento” establecidas en los

procedimientos y de acuerdo al programa calendarizado de mantenimiento.

Independientemente de las labores de limpieza de los devanados de campos y

armadura, la parte más delicada de un generador ó motor de C.D., es el conjunto

252

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación formado por las escobillas, los porta-escobillas y el conmutador, por lo que a

continuación se detallan actividades específicas respecto a esos componentes:

Escobillas:

Debe asegurarse que el grado de dureza de las escobillas sea el recomendado por el

fabricante, ya que un grado más blando producirá una vida muy corta de la escobilla,

y un grado muy duro provocará un desgaste prematuro del conmutador, produciendo

“acanaladuras” indeseables en éste.

Debe efectuarse el cambio de escobillas cuando su longitud haya llegado al límite, ya

que si el cambio no se hace oportunamente, la presión del resorte sobre la escobilla

se reduce, produciendo un contacto deficiente, lo que puede originar calentamiento

y/o chisporroteo, los cual daña el conmutador.

Deben utilizarse juegos de escobillas del mismo grado, no deben mezclarse para

evitar desajustes en las corrientes a través de ellas que provoquen diferencias dx

temperatura.

Porta-escobillas:

Debe vigilarse la presión que ejercen los resortes sobre los dedos opresores y las

escobillas sea la recomendada, ya que una presión inadecuada puede originar

contacto deficiente, con el daño consiguiente al conmutador.

Debe asegurarse que el ajuste entre las escobilla y la cajas sea apropiado, ya que si

las escobillas se juegan en las cajas pueden originar que las escobilla vibren y se

rompan por fatiga.

Debe mantenerse el claro recomendado entre la parte inferior del porta-escobillas y

el conmutador, ya que un claro muy grande puede ocasionar vibraciones y un claro

muy pequeño puede facilitar que salten arcos entre el porta-escobillas y el

conmutador.

Debe mantenerse el apriete correcto en los tornillos de las terminales de los cables

flexibles de las escobillas así como de los puentes internos entre porta-escobillas.

253

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Conmutador:

La superficie del conmutador debe permanecer lo más cilíndrica posible, es decir, su

circunferencia debe estar concéntrica con el eje de giro de la flecha. El aspecto de la

superficie debe ser liso y terso. No deben existir delgas cuya altura sobresalga de las

demás.

La fricción de las escobillas sobre el conmutador en condiciones normales, produce

una combinación de grafito y óxido de cobre que se deposita sobre el conmutador

formando una película lubricante llamada “pátina”, su aspecto es de color

“achocolatado”, ligeramente brillante y garantiza que hay un buen contacto y

lubricación entre la escobilla y el conmutador. Por ningún motivo debe removerse con

frecuencia esta película, ya que se ocasiona un desgaste prematuro de las escobillas

y el conmutador.

La profundidad de las ranuras entre delgas debe ser la recomendada, ya que una

ranura muy profunda facilita el depósito de polvo de carbón, que es conductor y

produce calentamiento y una ranura poco profunda puede dejar expuesta la mica

aislante impidiendo un buen contacto de la escobilla y el conmutador.

Baleros:

Baleros.- Se debe revisar que la cantidad de grasa recomendada esté presente en la

caja de balero ó baleros, y se deben hacer observaciones durante la operación para

detectar condiciones anómalas, como son excesiva vibración ó ruido y alta

temperatura.

254

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

1.31.- Motores de corriente directa

Principio de operación de los motores de Corriente Directa

La operación de un motor de CD, depende de los principios de atracción y repulsión

del magnetismo. Cuando se suministra una corriente a los polos de un motor, los

campos del motor se convierten en electroimanes. Si la máquina es de dos polos, se

establece una polaridad norte y una sur en el centro de la máquina. La Figura 1.31.1,

muestra como los campos están arrollados para producir el efecto magnético

opuesto. Las líneas de fuerza

entre estos dos polos diferentes,

establecen un movimiento, desde

la polaridad norte hacia la

polaridad sur. Por sí mismas,

estas líneas de fuerza no pueden

hacer nada para forzar a la

armadura del motor para que gire.

Si se suministra corriente

proveniente del generador a los

devanados de la armadura,

pasando a través de las escobillas

y el conmutador, se produce un

campo magnético alrededor de los

devanados de armadura (Vista

B). El par de torsión de un motor

de CD, depende de el principio de

que, un conductor de armadura

que transporta corriente, tiene una

fuerza magnética alrededor de él.

La dirección de estas líneas de

Fig. 1.31.1 Principio del Motor de CD

255

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación fuerza se determina por la Regla de la Mano Izquierda para conductores. Se puede

determinar su dirección, si se conoce el sentido de la corriente fluyendo en el

conductor. La Figura 1.31.2, ilustra este punto.

La corriente que entra a los devanados de armadura del motor y las líneas de fuerza

magnéticas que se generan alrededor de los conductores de la armadura

interactúan con las líneas de fuerza de los polos de campo. El par de torsión que se

produce es proporcional a la corriente en los devanados de armadura. Entre más

grande sea la corriente en la armadura, mayor será el par de torsión. Adicionalmente,

la dirección del flujo de corriente a través de la armadura y la polaridad de los polos

de campo, determinan la dirección en la que la armadura girará. La Figura 1.31.1,

muestra las líneas de fuerza establecidas alrededor de las bobinas de la armadura.

La cruz, significa corriente desde la terminal negativa del generador, alejándose del

observador hacia la

armadura del motor. El

punto, representa la

corriente moviéndose

hacia el observador (y

hacia la terminal positiva

del generador) en la

armadura del motor.

La regla de la mano

izquierda, establece la

dirección de las líneas de fuerza alrededor de estos conductores.

Fig. 1.31.2 Par de torsión del Motor

Los dos polos de campo muestran sus líneas de fuerza magnéticas establecidas en

dirección de norte a sur (de izquierda a derecha). Las líneas de fuerza magnética de

los conductores de armadura son circulares, y están determinados por la dirección de

la corriente. La siguiente relación describe la combinación de las líneas de fuerza de

los conductores de la armadura con el campo magnético de los polos de campo:

256

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Las líneas de fuerza circulares en el conductor con la cruz y las líneas de

fuerza de los polos de campo, se cancelan una a otra en la parte de arriba del

conductor.

Las líneas de fuerza circulares, en la parte de abajo del conductor, trabajan

con ó se suman a las otras líneas de fuerza. De esta manera, la fuerza

sumada debajo del conductor lo empuja hacia arriba, a través de las líneas de

fuerza canceladas directamente arriba de él.

Las líneas de fuerza circulares, desarrolladas por el conductor del punto,

cancelan las líneas de fuerza magnéticas de los polos de campo directamente

debajo del conductor del punto.

Las líneas de fuerza circulares directamente arriba del conductor del punto, se

suman a las líneas de fuerza de los polos de campo. De esta manera, la

porción del punto se mueve hacia abajo.

Como ambos conductores, el de la cruz y el del punto están conectados juntos y

tienen un eje central, la armadura empieza a girar. Esta fuerza de giro, desarrollada

por las líneas de fuerza magnéticas, se conoce como Par de Torsión ó Torque. La

magnitud del par de torsión desarrollada depende de la corriente que circula a través

de la armadura.

Fuerza contra-electromotriz (FCEM)

Siempre que un conductor se mueve dentro de un campo magnético, se produce una

FEM. Cuando esto sucede en un motor, la FEM es llamada Fuerza Contra-

Electromotriz. Esto es debido a que la FEM en el motor, se opone a la FEM del

generador.

La fuerza contra-electromotriz es directamente proporcional a la velocidad de la

armadura y a la fuerza del campo. Así, si la velocidad se incrementa ó se reduce, la

FCEM se incrementa ó se reduce, respectivamente. Lo mismo sucede si la fuerza del

campo se incrementa ó se reduce.

La FCEM es una forma de resistencia. Cualquier resistencia se opone a la corriente y

la reduce. Entre mayor sea la FCEM, menor será la corriente entregada

257

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación a la armadura. Cuando el motor se arranca, durante ese instante infinitesimal,

cuando la armadura no ha empezado a girar, la FCEM de la armadura es cero. Hay

la máxima corriente disponible desde el generador hasta la armadura del motor,

porque la única resistencia en el circuito es la del alambre.

La FCEM se produce en la armadura del motor cuando éste empieza a girar. Entre

más rápido gire la armadura, se generará más FCEM. Esta FCEM, reduce la

corriente suministrada por el generador al motor. La Tabla 1.31.1, es una

comparación entre la

velocidad de la armadura; la

FCEM; la corriente de

armadura del motor y el par

de torsión resultante para

condiciones normales de

operación.

La FCEM restringe el flujo de

corriente. Cuando la corriente

de un motor se reduce,

también se reduce el par de

torsión del motor. Como a

FCEM es proporcional a la

velocidad del motor, y la

corriente es indirectamente

proporcional, un motor ajusta

automáticamente su

velocidad a los correspondientes cambios en la carga. Cuando las RPM del motor

decrecen por un incremento de carga, la FCEM se reduce y la corriente se

incrementa. El incremento de corriente produce mayor par de torsión, y el motor

incrementa sus RPM.

Tabla 1.31.1 Condiciones del motor de CD

Todos los motores se comportan de acuerdo con la Tabla 1.31.1. Se desvían

únicamente en las características de cada diseño individual de motor. Por ejemplo,

todos los motores incrementan su par de torsión cuando la armadura se mueve

258

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación lentamente. En el motor Serie, sin embargo, su diseño produce un par de torsión

inusualmente alto. Esta es la característica principal del motor serie.

Un motor no está diseñado para operar a los niveles excesivos de corriente que se

presentan durante el arranque. Si el motor fuera incapaz de incrementar su velocidad

porque la carga fuera muy grande, no habría FCEM disponible para reducir la

corriente. La excesiva corriente podría quemar rápidamente el motor. Debe

permitírsele a un motor alcanzar su velocidad de operación rápidamente.

Reacción de armadura

Hay líneas de fuerza magnética individuales

en los polos de campo y en la armadura. Los

campos magnéticos tienden a combinarse.

Adicionalmente, las líneas de fuerza

magnéticas son distorsionadas (ó

concentradas) por el núcleo de hierro. La

Figura 1.31.3, muestra el flujo de campo

(vista A) y el flujo en la armadura (vista B),

individualmente. La vista C, muestra la

distorsión causada por la interacción de los

dos campos y el movimiento del núcleo de la

armadura. Esta distorsión se llama Reacción

de Armadura.

La corriente de armadura en un generador

fluye en la misma dirección que la FEM

generada, pero la corriente en un motor es

forzada a fluir en dirección opuesta a la

FCEM. En un motor, el flujo del campo

principal se distorsiona siempre en dirección

opuesta a la rotación de la armadura (vista

C); mientras que en un generador, el campo

259

Fig. 1.31.3 Reacción de Armadura

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación magnético se distorsiona en la misma dirección de la rotación de la armadura.

El campo resultante en el motor (vista C), es reforzado en los extremos de entrada

de los polos, y debilitado en los extremos de salida de los polos. Esta acción causa

que el plano neutro se desplace a la posición A´B´.

La reacción de armadura se elimina en un motor con los mismos métodos usados en

los generadores; esto es, por el uso de polos con los extremos ranurados;

devanados compensadores y polos de conmutación ó interpolos. En cada caso el

efecto producido es el mismo que en el generador, pero en la dirección opuesta.

Motor conexión shunt

El motor de conexión Shunt, es usado donde se desea velocidad uniforme,

independientemente de la carga. Tiene un razonable par de torsión en el arranque,

pero no es adecuado para mover cargas pesadas. Por esto es usado donde la carga

en el arranque no es muy pesada ó donde la carga mecánica no es aplicada sino

hasta que el motor ha alcanzado su

velocidad máxima.

El motor Shunt es eléctricamente idéntico

al generador, y se muestra en la Figura

1.31.4. Es considerado una máquina de

velocidad constante porque su velocidad

no cambia más que el 10 al 15 por ciento

dentro de los límites de carga.

El circuito de los polos de campo del

motor shunt, está conectado a través de

la línea, por lo que está en paralelo con

la armadura. Ambos, la armadura y el

campo shunt están conectados en

paralelo con las barras del tablero.

Fig. 13.1.4 Motor de CD Shunt Si el suministro de voltaje es constante,

la corriente en los devanados de campo,

260

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación y consecuentemente el campo magnético de los polos permanece constante. La

resistencia en las bobinas de los polos cambia muy poco, por esto, la corriente en los

polos de campo permanece prácticamente constante. Por otra parte, la resistencia en

la armadura cambiará si la FCEM se incrementa ó reduce. Esto significa que la

corriente en la armadura varía inversamente proporcional a la FCEM.

Cuando no hay carga en un motor Shunt, el único par de torsión necesario, es el que

se requiere para vencer la fricción y la ventilación. La rotación de las bobinas de la

armadura dentro del flujo del campo, desarrolla una FCEM. Esta FCEM limita la

corriente de armadura a un valor relativamente muy pequeño, suficiente para

mantener el par de torsión necesario y girar el motor sin carga.

Cuando se aplica una carga externa al motor shunt, su velocidad tiende a bajar

ligeramente. La ligera reducción de velocidad causa un decrecimiento en la FCEM. Si

la resistencia de armadura es baja, el incremento resultante en la corriente de

armadura y el par de torsión, serán relativamente grandes. De ahí en adelante, el

par de torsión se incrementará hasta que iguala el par resistente de la carga. La

velocidad del motor permanecerá constante en su nuevo valor, mientras la carga

permanezca constante. Inversamente, si la carga en el motor shunt se reduce, la

velocidad del motor tiende a aumentar ligeramente. El incremento en la velocidad

causa un incremento en la FCEM y una reducción relativamente grande en la

corriente de armadura y en el par de torsión.

La cantidad de corriente fluyendo a través de la armadura de un motor shunt,

depende de la carga del motor. A mayor carga, mayor cantidad de corriente.

Inversamente a menor carga, menor cantidad de corriente. El cambio en la velocidad,

causa un cambio en la FCEM y la corriente de armadura en cada caso.

Condición de Pérdida de Campo

Para que un motor de CD gire, debe haber líneas de fuerza magnéticas en la

armadura y líneas de fuerza magnética en los polos de campo. Cuando los motores

shunt envejecen y la corrosión llega a ser un problema, se puede presentar una

condición de desbocamiento (alta velocidad). Cuando el campo shunt se abre, y hay

261

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación corriente disponible únicamente para la armadura, la velocidad del motor se

incrementa peligrosamente.

Podría parecer que sin el campo shunt el motor debería detenerse. Sin embargo, las

grandes zapatas polares de las máquinas de CD conservan una cantidad sustancial

de campo magnético residual. Este magnetismo residual es suficiente para asegurar

que los principios magnéticos que sustentan el movimiento de la armadura estén

presentes.

Este campo residual, no es sin embargo suficiente para desarrollar una FCEM

adecuada en la armadura. Sin la adecuada proporción de FCEM, el flujo de corriente

en la armadura se incrementa. A mayor corriente de armadura, hay mayor par de

torsión y el motor gira más rápidamente. Cuando se utilizan motores shunt, se usa un

dispositivo, para detectar si la corriente deja de circular en el campo, si esto sucede,

el dispositivo desconecta el motor de su fuente de alimentación para protegerlo.

Control de Velocidad

El campo magnético desde los polos de campo del motor es necesario para

desarrollar una adecuada FCEM en la armadura del motor. Mientras se mantenga la

FCEM, la corriente en la armadura es restringida y el motor opera a su velocidad

nominal.

Control Arriba de la Velocidad Normal.- Los motores de CD con campo shunt (ambos

shunt y compound) pueden controlar

la velocidad por arriba de cierto punto

de operación. Esto se llama Control de

velocidad arriba de la velocidad

normal. La Figura 1.31.5, muestra un

motor shunt con plena resistencia de

campo.

Fig. 1.31.5 Motor Shunt con resistencia de campo

Un reóstato en serie con el campo

shunt determinará la resistencia en el

campo shunt.

262

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Entre más grande sea la resistencia en el campo shunt, menor será la corriente que

circule por él. Una corriente reducida en el campo shunt, significa que el campo

magnético se ha reducido. Con una reducción en el campo magnético, hay una

reducción en la FCEM de la armadura.

Cuando la FCEM se reduce, la armadura del motor recibe más corriente. Al

aumentar la corriente en la armadura, aumenta el par de torsión desarrollado. Por lo

tanto la velocidad del motor se incrementa.

Control abajo de la velocidad normal.- Para reducir la velocidad del motor shunt ó de

cualquier motor, es necesario reducir la corriente en la armadura. Un reóstato en

serie con la armadura incrementará ó reducirá la resistencia en el circuito de la

armadura. Si la resistencia de armadura aumenta, la corriente de armadura decrece.

La reducción de la corriente de armadura reduce el par de torsión y la velocidad. El

control del circuito de armadura de esta forma, no afecta sustancialmente la FCEM

creada por los conductores de la armadura, al girar dentro del campo magnético de

los polos de campo.

Uso de Motores Shunt

La velocidad de un motor shunt permanece casi constante para una corriente de

campo dada. La característica de velocidad constante, hace los motores shunt

deseables para mover máquinas-herramientas ó cualquier otro dispositivo que

requiera una fuente motriz de velocidad constante.

Motores conexión serie

En donde hay una amplia variación en la carga ó donde el motor debe arrancar bajo

cargas pesadas, los motores serie tienen características deseables que no se

encuentran en los motores shunt. El motor de conexión serie se usa donde se

desean alto par de arranque y variación de velocidad.

263

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación La armadura y el campo serie están conectados en serie. Con altas corrientes de

campo y armadura, tiene un alto par de arranque y maneja las cargas pesadas tan

bien como lo hacen los motores diesel.

La Figura 1.31.6, ilustra el motor serie. Nótese que el campo serie está en serie con

los devanados de la armadura. Cuando el motor arranca por primera vez,

con los efectos insignificantes de la

FCEM, la corriente fluyendo a través de

la armadura es alta. Como la armadura y

el campo están en serie, la corriente en

el campo es la misma que en la

armadura. Esta gran corriente desarrolla

un campo magnético muy fuerte, lo que

da como resultado un par de torsión

extremadamente alto. Inversamente, si el

motor está operando a su velocidad

normal, la FCEM será alta, y la corriente

en los devanados de campo y armadura

se reduce proporcionalmente. Esto

significa que el motor serie puede

desarrollar un par de torsión muy alto y

responder a los incrementos de carga

(reducciones de las RPM de la armadura) más rápidamente.

Fig. 1.31.6 Motor de CD Serie

Velocidad del Motor Serie

El motor serie continuará incrementando su velocidad mientras haya más par de

torsión desarrollado que el que es necesario para mover la carga. Este par adicional,

es llamado par de aceleración.

Cuando se aplica una carga grande a un motor serie, reduce su velocidad y produce

más par de torsión. Si la carga se remueve, el motor incrementa su velocidad. Si la

carga se remueve repentinamente del motor serie, el par de aceleración es suficiente

264

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación para continuar incrementando la velocidad del motor. El continuo incremento de

velocidad puede destruir el motor.

Por lo anterior se recomienda que un motor serie nunca se opere desacoplado

mecánicamente de la carga.

Motores conexión compound

Los motores compound, como los

generadores compound, tienen un campo

serie y un campo shunt. En la mayoría de

los casos, el devanado serie se conecta de

tal manera que su campo ayuda al campo

magnético del devanado shunt. (Figura

1.31.7, vista A). La corriente entrando en

ambos devanados, serie y shunt, se está

moviendo en la misma dirección. Ambos

campos producen el mismo campo

magnético y se ayudan uno a otro. Los

motores de este tipo se llaman compound

acumulativo.

En el motor acumulativo, la velocidad

decrece más rápidamente cuando se aplica

una carga, de lo que lo hace un motor

shunt, pero menos rápidamente que en un motor serie. El motor compound

acumulativo, se usa donde se necesita una velocidad razonablemente uniforme con

buen par de arranque.

Fig. 1.31.7 Motor de CD Compound

El motor compound diferencial, es poco usado y solo en aplicaciones de baja

potencia. La Figura 1.31.7, vista B, muestra los campos magnéticos opuestos del

motor compound diferencial. Nótese que el campo magnético de los devanados serie

está conectado para oponerse al campo magnético de los devanados shunt. El motor

compound diferencial mantiene mejor una velocidad constante dentro de sus límites

265

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación de carga que un motor shunt. Pero tiene un par de arranque muy pobre y es incapaz

de manejar sobrecargas serias.

Motor de excitación separada

La Figura 1.31.8, muestra el motor de CD de

excitación separada. Este diagrama muestra un

circuito de armadura individual y un circuito de

campo individual. Una fuente de CD que no está

conectada a la armadura, suministra la potencia a

los polos del campo. Nótense los resistores

variables para el control de la velocidad. El reóstato

de armadura controla la velocidad abajo de la

velocidad base normal y el reóstato en el campo de

excitación separada, controla la velocidad arriba de

la velocidad base normal.

Inversión de la rotación en motores de cd

Fig. 1.31.8 Motor de CD de ada Excitación separ

La dirección en la que gira la armadura de un motor de CD, depende de dos

condiciones:

La dirección de las líneas de fuerza de los polos de campo

La dirección de la corriente a través de los devanados de armadura y las

resultantes líneas de fuerza de la armadura.

En la sección del principio de rotación de los motores de CD al principio de este

capítulo se discutió como las líneas de fuerza de los polos del campo y la corriente

circulando en los conductores de la armadura, interactúan para producir el par de

torsión. Para cambiar la dirección de rotación de la armadura es necesario cambiar

únicamente la relación entre los dos campos. En la práctica, no es importante cual

campo magnético se cambia, siempre y cuando la relación se cambie.

266

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación La Figura 1.3198, vista A, muestra una armadura girando hacia la derecha.

Cambiando la dirección de la corriente que circula por la armadura solamente,

(Figura 1.31.8, Vista B), las líneas de fuerza magnética de la armadura reaccionan de

manera diferente con las líneas de fuerza de los polos del campo. La armadura se

mueve ahora en dirección a la izquierda. Cualquier interpolo ó devanado

compensador también mantiene la misma dirección de la corriente que la de

armadura, para eliminar efectivamente la reacción de armadura causada por la

corriente de armadura.

La rotación del motor puede cambiarse también invirtiendo la dirección de la corriente

solamente en los polos del campo y manteniendo la corriente de armadura en su

condición original.

La rotación del motor no puede cambiarse invirtiendo la polaridad de las líneas de

alimentación de potencia. La Figura 1.31.9, vista C, muestra la rotación de la

armadura en dirección hacia la derecha. Cuando la polaridad de las líneas de

alimentación se invierten, el motor continúa girando en la misma dirección. Aunque la

polaridad de los polos del campo y el flujo de corriente en los conductores de

armadura se han invertido, la relación entre los campos de la vista A y de la vista C

no ha cambiado. Mientras se mantenga la relación entre las líneas de fuerza de los

polos del campo y las líneas de fuerza de la armadura permanezcan sin cambio, la

dirección de rotación no cambiará.

Fig. 1.31.9 Inversión de rotación en un motor de CD

267

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Frenado de los motores Frenado Electro-mecánico

Las grúas están equipadas con frenos ordinarios de fricción de tal modo que la carga

pueda detenerse exactamente donde y cuando se desee. Los frenos de fricción,

como los encontrados en los automóviles, son de asbesto y material metálico, que

son presionados contra un tambor metálico conectado a la armadura del motor ó el

tambor del malacate. La fricción entre las balatas y el tambor pone la velocidad de la

armadura rápidamente bajo control. Debido a que el lugar donde se frena

generalmente está lejos del operador, los frenos son por lo general aplicados

mecánicamente y relevados eléctricamente. Cuando no se aplica potencia eléctrica

al sistema de frenos, las balatas enfrenan presionando sobre el tambor, por la acción

de un resorte. Energizando un solenoide se proporciona un campo magnético que

vence la presión del resorte, y los frenos se relevan. Este arreglo sigue el principio de

seguro-en-falla, empleado en malacates y grúas. Si ocurriera una falla en el

suministro de potencia durante el levantamiento de una carga, la carga podría caer,

dañando la carga y cualquier cosa que estuviera cerca. En vez de eso, la falta de

potencia, desenergiza el solenoide, y se aplica la presión del resorte al tambor del

freno. Un freno de fricción es muy efectivo a velocidades moderadas y bajas.

Frenado Dinámico

Dependiendo de la aplicación del motor, pueden usarse frenos de fricción solos ó en

combinación con frenado dinámico.

Hay solamente diferencias menores entre los motores y los generadores. Un voltaje

aplicado a un motor producirá par de torsión. Similarmente, cuando un motor gira,

produce una FEM. El Frenado Dinámico toma la ventaja de estas similitudes. (Figura

1.31.10)

268

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Cualquier Motor se detendrá eventualmente cuando la potencia se desconecta. Para

decrecer la velocidad de la armadura más rápidamente, el motor se reconecta como

generador. Los polos del campo mantienen su excitación desde la línea de voltaje

normal.

Cuando se oprime el botón de Paro, se aplican los frenos de fricción. Con altas

velocidades de armadura, los frenos de fricción no son eficientes y podrían dañarse

después de unas pocas aplicaciones.

Fig. 1.31.10 Circuito para frenado

Caracteristicas de los motores de corriente directa.

En la actualidad, los Motores de Corriente Directa que operan como fuente de

energía motriz en equipos de perforación son básicamente dos tipos: los Motores

marca General Electric Modelo 5GE752AR y los Motores de Corriente Directa marca

E.M.D., modelo D-79GB, cuyas características son las siguientes:

269

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Características de los motores de corriente directa EMD

Modelo: D79MB

Conexión: Serie

Dimensiones de las escobillas: 2 3/8” x 2 5/8” (grado DE7) y 2 7/16” x 2 5/8”

(grado AC100)

Límite de operación de las escobillas: Reemplácese cuando el brazo de presión esté

1/8” arriba de la celda.

Porta-escobillas: Número de porta-escobillas: cuatro.

Claro entre la parte inferior del porta-escobillas y el conmutador: Mínimo 1/8”,

Máximo 3/16”

Presión del resorte:

Tipo Ajustable: Mínimo 7 libras (3.2 Kg.)

Tipo Constante: Máximo 8-10 libras (3.6-4.5 Kg.)

Conmutador:

Ancho de las ranuras: 0.050”

Profundidad de las ranuras: Mínima 3/64”, Máxima

Capacidad: 800 HP @ 1200 RPM

Peso:

Motor completo: 2631 Kg.

Armadura: 1810 Kg.

Capacidad del motor de soplador: 10 H.P.

Características de los motores de Corriente Directa General Electric

Modelo: 5GE752 AR

Conexión: Serie

Capacidad: 800 HP @ 950 RPM

Velocidad máxima permisible: 2280 RPM

Escobillas:

Presión: 10 a 12 Libras

270

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Tamaño: ¾” x 2 ¼” x 2” largo

Longitud mínima de operación: 1 3/32”

Claro del porta-escobillas al conmutador: 1/16” a 3/32”

Diámetro del conmutador:

Nuevo: 16 5/8”

Mínimo permisible: 15 3/8”

Dimensiones de las ranuras:

Ancho: 0.062”

Profundidad: 3/64

Claro radial de los baleros de armadura ((ensamblados):

Extremo del conmutador: 0.002” a 0.004”

Extremo del acoplamiento: 0.0025” a 0006”

Pesos (aproximados):

Motor completo con soplador: 3138 Kg.

Motor solo: 2840 Kg.

Mantenimiento de los motores de corriente diecta

Las actividades de mantenimiento que se ejecutan en los Motores de C.D., deberán

ajustarse a las “Cartas de Mantenimiento” establecidas en los procedimientos y de

acuerdo al programa calendarizado de mantenimiento.

Independientemente de las labores de limpieza de los devanados de campos y

armadura, la parte más delicada de un generador ó motor de C.D., es el conjunto

formado por las escobillas, los porta-escobillas y el conmutador, por lo que a

continuación se detallan actividades específicas respecto a esos componentes:

Escobillas:

Debe asegurarse que el grado de dureza de las escobillas sea el recomendado por

el fabricante, ya que un grado más blando producirá una vida muy corta de la

271

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación escobilla, y un grado muy duro provocará un desgaste prematuro del conmutador,

produciendo “acanaladuras” indeseables en éste.

Debe efectuarse el cambio de escobillas cuando su longitud haya llegado al límite, ya

que si el cambio no se hace oportunamente, la presión del resorte sobre la escobilla

se reduce, produciendo un contacto deficiente, lo que puede originar calentamiento

y/o chisporroteo, los cual daña el conmutador.

Deben utilizarse juegos de escobillas del mismo grado, no deben mezclarse para

evitar desajustes en las corrientes a través de ellas que provoquen diferencias de

temperatura.

Porta-escobillas:

Debe vigilarse la presión que ejercen los resortes sobre los dedos opresores y las

escobillas sea la recomendada, ya que una presión inadecuada puede originar

contacto deficiente, con el daño consiguiente al conmutador y una presión excesiva

puede originar un desgaste prematuro de las escobillas y un desgaste del

conmutador.

Debe asegurarse que el ajuste entre las escobilla y la cajas sea apropiado, ya que si

las escobillas se juegan en las cajas pueden originar que las escobillas vibren y se

rompan por fatiga.

Debe mantenerse el claro recomendado entre la parte inferior del porta-escobillas y

el conmutador, ya que un claro muy grande puede ocasionar vibraciones y un claro

muy pequeño puede facilitar que salten arcos entre el porta-escobillas y el

conmutador.

Debe mantenerse el apriete correcto en los tornillos de las terminales de los cables

flexibles de las escobillas así como de los puentes internos entre porta-escobillas.

Conmutador:

La superficie del conmutador debe permanecer lo más cilíndrica posible, es decir, su

circunferencia debe estar concéntrica con el eje de giro de la flecha. El aspecto de la

272

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación superficie debe ser liso y terso. No deben existir delgas cuya altura sobresalga de las

demás.

La fricción de las escobillas sobre el conmutador en condiciones normales, produce

una combinación de grafito y óxido de cobre que se deposita sobre el conmutador

formando una película lubricante llamada “pátina”, su aspecto es de color

“achocolatado”, ligeramente brillante y garantiza que hay un buen contacto y

lubricación entre la escobilla y el conmutador. Por ningún motivo debe removerse con

frecuencia esta película, ya que se ocasiona un desgaste prematuro de las escobillas

y el conmutador.

La profundidad de las ranuras entre delgas debe ser la recomendada, ya que una

ranura muy profunda facilita el depósito de polvo de carbón, que es conductor y

produce calentamiento y una ranura poco profunda puede dejar expuesta la mica

aislante impidiendo un buen contacto de la escobilla y el conmutador.

Baleros:

Baleros.- Se debe revisar que la cantidad de grasa recomendada esté presente tanto

en la caja de balero como en el inetrior de los baleros, y se deben hacer

observaciones durante la operación para detectar condiciones anómalas, como son

excesiva vibración ó ruido y alta temperatura.

1.32.- Circuitos electricos

Diagramas Esquemáticos

Los diagramas son usados para representar fielmente los sistemas eléctricos. Por

años, se han usado muchas técnicas para simplificar su interpretación. Hoy día, que

los sistemas eléctricos se han hecho más complicados, la comunidad eléctrica ha

273

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación adoptado normas específicas para permitir una comprensión más universal del los

circuitos que describen.

Circuito de Potencia

Los circuitos de Potencia, usualmente consisten de conductores muy gruesos,

usados para transportar las corrientes de alto valor, necesarias para operar los

componentes grandes. Los circuitos de potencia pueden ser monofásicos, trifásicos ó

de Corriente Directa. En la mayoría de los casos, el circuito de potencia, transportará

la más alta corriente y voltaje hacia los circuitos derivados.

Circuito de Control

Los circuitos de control, se derivan directamente de los circuitos de potencia. El

circuito de control provee energía a los interruptores, elevadores, temporizadores,

etc., necesarios para controlar la operación de los contactos que alimentan los

componentes principales en el circuito de potencia. El circuito de control “controla”

los contactos normalmente abiertos en el circuito de potencia que arrancan ó paran

los componentes principales.

El circuito de control casi siempre es monofásico ó de Corriente Directa, derivado del

circuito de potencia. El circuito de control siempre consistirá de cables de menor

calibre y rango de voltaje que los del circuito de potencia.

El circuito de control provee la lógica detrás de la operación de los componentes

principales en el circuito de potencia. Las líneas verticales gruesas L1 y L2 en la

Figura 1.32.1, están conectadas al sistema de distribución en una manera inmediata

y conveniente. El circuito de control consiste en una carga eléctrica, la lámpara piloto

y un dispositivo de control (el interruptor flotador). Cada vez que el interruptor flotador

suba y complete el circuito entre L1 y L2, la lámpara piloto encenderá.

274

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Fig. 1.32.1 Circuito de control simple

La lámpara piloto en la Figura 1.32.1, puede fácilmente ser reemplazada por un

relevador. Si el elevador, físicamente opera tres contactos normalmente cerrados, y

éstos contactos se colocaran en las líneas de alimentación de un motor trifásico,

entonces la operación del motor estaría indirectamente controlada por la operación

del interruptor flotador. (Figura 1.32.2).

Fig. 1.32.2 Circuito de control

275

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Mientras el interruptor flotador esté en la posición de abierto (abajo), el relevador E

no estará energizado. Los contactos del relevador E permanecerán cerrados y el

motor de bomba estará funcionando. Cuando el flotador suba lo suficiente para

completar el circuito de control, el relevador E se energizará. Cuando el relevador se

energice, todos sus contactos abrirán, interrumpiendo la alimentación del motor, el

cual parará. Este circuito trifásico, está controlado con un simple circuito monofásico.

Diagrama de línea

El diagrama de línea ó diagrama de escalera, está construido para mostrar la

operación básica del circuito de control eléctrico y explicar el proceso en un orden

lógico de la secuencia de eventos eléctricos. Este diagrama no muestra el alambrado

real presente en el sistema y puede aún eliminar conexiones no necesarias para

entender la operación del circuito.

El diagrama de línea muestra específicamente:

Las líneas de potencia provenientes de la fuente, representadas por líneas

más gruesas, generalmente en sentido vertical.

El circuito de control, conteniendo los dispositivos de control y las cargas,

representados por líneas delgadas, generalmente en sentido horizontal.

La relación existente entre los dispositivos de control y las cargas que éstos

controlan.

La Figura 1.323, muestra un diagrama de línea. La bobina operadora y la lámpara

piloto, representan las cargas eléctricas en el circuito de control. El arranque, paro,

contactos auxiliares y contacto de sobrecarga, representan los dispositivos de

control.

L1 y L2, son las líneas de suministro desde el sistema de distribución. L1 y L2,

proporcionan el voltaje necesario para operar los componentes de control del circuito.

La conexión real de L1 y L2 al sistema eléctrico, generalmente se deja fuera del

dibujo, es sin embargo claramente visible cuando el verdadero circuito es

inspeccionado.

276

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Fig. 1.32.3 Diagrama de línea

El diseño simple del diagrama de línea, es una representación gráfica de la

operación, no de la ubicación física de los componentes o las conexiones eléctricas

reales. Siempre que una carga no se energice, se debe consultar el diagrama de

línea. Identificando el componente que no está funcionando, se puede determinar

cual dispositivo de control, interruptor ó dispositivo de protección ha impedido

completar el circuito de control a ese componente.

277

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Lógica Básica de Circuitos

Los componentes eléctricos están sujetos a las reglas de los circuitos serie y

paralelo. Para tener una perspectiva de esto, y reexaminando el diagrama de línea,

cada resistor, motor, bobina ó lámpara indicadora, está diseñado para operar a un

voltaje específico. Si todas estas cargas requieren 24 volts y están conectadas en

paralelo, entonces la fuente puede proporcionar 24 volts a cada dispositivo. Si

cuando menos dos componentes son conectados en serie, la fuente de 24 volts no

proporcionará suficiente voltaje para operarlos apropiadamente. Por esta razón las

cargas generalmente se restringen a una por línea.

278

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

1.33.- Electrónica básica Teoría de los semiconductores

Ciertas sustancias permiten que los electrones pasen por ellas en una forma

bastante fácil. Tales sustancias se llaman Conductores. Otras sustancias, por el

contrario, se oponen al paso de la corriente y se llaman Aisladores.

Existe una tercera clase de sustancias con propiedades intermedias entre los

conductores y los aisladores. Estas sustancias se denominan Semiconductores. Los

semiconductores son muy importantes en la electrónica moderna.

Propiedades de los semiconductores

Todas las sustancias, ya sean conductores, aisladores o intermedias, ofrecen alguna

resistencia al flujo de corriente. Los conductores ofrecen muy poca resistencia,

mientras que los aisladores presentan una resistencia muy grande. Como era de

esperarse, un semiconductor ofrece una resistencia moderada al flujo de corriente

que lo atraviesa.

El cobre es un conductor excelente, un centímetro cúbico de esta sustancia tiene

una resistencia de 1.7 x 10-6 (0.0000017) ohms aproximadamente. Es evidente que

se trata de un valor de resistencia muy pequeño.

Por otra parte un centímetro cúbico de pizarra (un buen aislador) tiene una

resistencia de aproximadamente 100 Megohms (100,000,000 ohms). Comparado con

el cobre, virtualmente no permitirá el paso de corriente.

Ahora comparemos ambas sustancias con el Germanio. Un centímetro cúbico de

este material tiene una resistencia de más ó menos 60 Ohms. El Germanio es un

semiconductor. Otro semiconductor común es el Silicio.

Un átomo de Germanio tiene cuatro electrones en su órbita exterior. Los electrones

en la órbita más externa de cualquier átomo se denominan Electrones de valencia.

279

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Los electrones de valencia en el Germanio se aparean con los electrones de otros

átomos de germanio en una estructura cristalina. En la Figura 1.33.1, se muestra un

patrón de estos átomos eslabonados. Los

átomos dentro del cristal se mantienen

unidos por una fuerza llamada enlace

covalente. Como lo sugiere este término,

los átomos comparten sus electrones de

valencia.

El Germanio puro no tiene propiedades

eléctricas únicas en su género, además de

ser un material adecuado para hacer

pequeños resistores. Pero si algunas

impurezas seleccionadas se le agregan a

un cristal de germanio, se puede lograr

cierto número de efectos interesantes. El proceso de agregar impurezas a un pedazo

de material semiconductor, se denomina impurificación o dopado.

Fig. 1.33.1 Atomos de Germanio

Primero, consideremos lo que ocurre si un cristal puro de germanio se dopa con una

pequeña cantidad de arsénico. Supongamos que se agrega un solo átomo de

arsénico.

El átomo de arsénico tratará de comportarse como un átomo de germanio, pero en

vista de que el arsénico tiene cinco electrones de valencia, quedará un electrón

extra, véase la Figura 1.33.2. Este electrón sobrante, puede desplazarse libremente

de un átomo a otro a través del cristal. La estructura cristalina considerada como un

todo, es eléctricamente neutra, porque el total de protones es igual al total de

electrones.

Si el cristal de germanio se impurifica con determinado número de átomos de

arsénico, habrá igual número de electrones excedentes moviéndose por el cristal.

Por supuesto que el cristal por sí mismo será eléctricamente neutro.

Ahora, si se conecta una fuente de voltaje al cristal, como lo, ilustra la Figura 1.33.3,

los electrones extra serán arrastrados a la terminal positiva de la fuente de voltaje y

separados del cristal.

280

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Puesto que el cristal tiene más pocos

electrones que la cantidad de protones,

posee una carga eléctrica positiva y atrae

electrones fuera de la terminal negativa de la

fuente de alimentación. Estos electrones se

moverán por el cristal y afuera de la terminal

positiva de la fuente. En otras palabras, la

corriente circulará a través del cristal.

Hay dos tipos de semiconductores dopados.

El tipo que acabamos de discutir se llama

semiconductor tipo N, porque los electrones

se mueven a través del material. La otra clase

de semiconductor dopado se llama semiconductor tipo P. Es similar al tipo N,

excepto en que se utiliza una impureza con tres electrones de valencia para dopar el

cristal. Con frecuencia se usa el Indio.

En este caso están incompletos

algunos enlaces covalentes, es decir,

hay huecos donde debieran haber

electrones. Véase la Figura 1.33.4.

Los distintos enlaces covalentes

robarán electrones entre sí para llenar

sus huecos, provocando un

desplazamiento aparente de las

posiciones de los huecos. Se puede

decir que se produce un flujo de

huecos. En realidad los electrones se están moviendo alrededor, como en cualquier

circuito eléctrico, pero en esta situación, es más simple pensar en el movimiento de

los huecos. Recordemos que un hueco, es simplemente la ausencia de un electrón.

Al considerar que los huecos son partículas cargadas positivamente ( ya que la

separación de un electrón dejará una carga positiva) se puede simplificar

notablemente la discusión relativa a la acción de los semiconductores.

Fig. 1.33.2 Germanio y Arsénico

Fig. 1.33.3 Flujo de electrones

281

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Si la impureza agrega electrones extra (como el arsénico), se llama impureza

donadora. Si añade huecos extra (más

pocos electrones como el indio), es una

impureza aceptora.

Una corriente eléctrica circulará a través

de un semiconductor ya sea del tipo N o

del tipo P. En este último caso, se dice

que hay un flujo de huecos del positivo al

negativo, en vez del flujo normal de

electrones de negativo a positivo, pero

esto en realidad conduce a la misma cosa,

véase la figura 1.33.5.

A los electrones y huecos se les llama portadores de carga, o simplemente

portadores. Ambos tipos de semiconductores contienen los dos tipos de portadores,

pero una clase de portadores es más abundante que la otra. En un semiconductor

tipo N, los electrones son los portadores mayoritarios y los huecos son los portadores

minoritarios. Es decir hay mas electrones que huecos. En un semiconductor tipo P, la

situación se invierte. Los huecos son los portadores mayoritarios y los electrones

son los portadores minoritarios.

Cuando se usan individualmente, ningún tipo de

semiconductor exhibe algunas propiedades

eléctricas especiales, pero cuando se asocian los

dos tipos juntos, se encuentra una situación muy

particular.

Fig. 1.33.4 Germanio con Indio

Fig. 1.33.5 Flujo de huecos Diodos y rectificadores

El punto en el cual los dos tipos de semiconductor se unen, se denomina unión ó

juntura ó más precisamente unión PN.

282

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Cuando no se aplica ningún voltaje externo a la unión PN, los portadores están

ubicados aleatoriamente, como en la Figura 1.33.6. Recordemos que a pesar de los

electrones o huecos extra, la carga neta de cada tipo de semiconductor está en

estado eléctricamente neutro.

Supongamos ahora que introducimos una fuente de voltaje con su terminal positiva

conectada al semiconductor tipo N y su

terminal negativa al semiconductor tipo P.

Esto se ilustra en la Figura 1.33.7. Los

huecos en el semiconductor tipo P se

desplazarán hacia el extremo del cristal

con la carga negativa, mientras que el

exceso de electrones en el

semiconductor tipo N se moverá hacia la carga positiva. Virtualmente no habrá

portadores mayoritarios cerca de la unión. Esto significa que realmente ningún

electrón puede cruzar de un tipo de semiconductor a otro. Casi no fluirá corriente a

través del cristal. Un cristal bajo estas condiciones se dice que tiene Polarización

Inversa.

Si se invierte la polaridad de la fuente de voltaje, como en la Figura 1.33.8, se

encuentra una situación completamente diferente. La carga positiva sobre el material

tipo P, atraerá sus portadores minoritarios (es decir electrones). Algunos de estos

electrones abandonarán al semiconductor y circularán hacia la terminal positiva de la

fuente de voltaje. Ya que algunos electrones se han separado del material tipo P, y

que tiene el mismo número protones, ahora tendrá una carga neta positiva.

Fig. 1.33.6 Unión P-N Neutra

Fig. 1.33.7 Polarización inversa Fig. 1.33.8 Polarización Directa

283

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Mientras tanto, la terminal negativa de la fuente de voltaje está conectada a la placa

del material N, repeliendo a sus portadores mayoritarios (electrones) hacia la unión.

Ya que existen muchos electrones empujados hacia la unión, y una carga

positiva atrayéndolos desde el otro extremo, son forzados a través de la angosta

área de la unión , para neutralizar al extremo positivamente cargado tipo P. Entre

tanto, la fuente de voltaje está extrayendo más electrones del material tipo P, así que

retiene su carga positiva. Es claro que la corriente fluye a través del semiconductor

en estas condiciones.

Se podría considerar todo el proceso desde el punto de vista de un flujo de huecos.

La terminal negativa de la fuente de voltaje sobre el material tipo N le agrega

electrones. Estos electrones adicionales llenan

los huecos en el material tipo N (portadores

minoritarios). Puesto que ahora hay más

electrones que en el estado neutro, este material

adquiere una carga negativa que arrastra huecos

del lado tipo P. Estos huecos (portadores

mayoritarios en la sección tipo P) también son

obligados a moverse hacia la unión por la

terminal positiva de la fuente de voltaje.

Por lo anterior se comprueba que a través de

este dispositivo solo pasará corriente en una

dirección y se bloqueará si la polaridad se

invierte. De hecho es un diodo semiconductor.

Fig. 1.33.9 Diodos

El símbolo esquemático para un diodo semiconductor se muestra en la Figura 1.33.9.

La corriente fluye en la dirección indicada por la flecha pequeña.

284

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Diodos zener

Una variante especial del diodo semiconductor es el diodo Zener. Este tipo de diodo

responde al voltaje de polaridad inversa en forma única. El símbolo esquemático

para el diodo Zener se muestra en la Figura 1.33.10.

En el circuito mostrado en la Figura 1.33.11, el diodo Zener

está inversamente polarizado, y el voltaje de entrada se varía

por medio del potenciómetro. El diodo Zener es una unidad

de 6.8 volts. Cuando el voltaje aplicado es cero, la lectura del

vóltmetro, por supuesto será de cero volts. Cuando el voltaje

de entrada se incrementa a un volt, la lectura será inferior

a un volt. El resistor R1, el cual tiene la misión de limitar la

corriente a través del diodo origina una caída muy pequeña del voltaje de la fuente.

Con una polarización inversa de un volt, el diodo no conduce (el circuito actúa

esencialmente como si el diodo no estuviese presente)

Fig.1.33.10 Diodo

Esta condición se mantendrá hasta el punto en que la fuente de alimentación exceda

el voltaje nominal del diodo Zener

(6.8 volts en el ejemplo).

Este es el voltaje al cual el diodo

empieza a conducir con

polarización inversa. Con

frecuencia recibe el nombre de

punto de avalancha del diodo,

debido a que la corriente por el

diodo se eleva abruptamente desde prácticamente cero hasta un valor muy alto,

limitado únicamente por la resistencia interna del diodo. Por esto se incluye R1 en el

circuito. R1 incrementa la resistencia en serie, y por lo tanto, reduce la corriente en el

circuito.

Zener

Fig. 1.33.11 Efecto Zener

285

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Puesto que el diodo Zener desvía a tierra cualquier potencial mayor que su punto de

avalancha, el vóltmetro dará una lectura de 6.8 volts, aún cuando el voltaje de la

fuente se elevara a 7, 8 volts o inclusive mayores voltajes.

Este circuito básico del diodo Zener también sirve para regular el voltaje aplicado a

una carga. Esto es, el voltaje permanece constante independientemente de la

cantidad de corriente tomada por la carga.

Diodos emisores de luz

Otro tipo especial de diodo es el LED ó diodo emisor de luz, este dispositivo se

muestra en la Figura 1.33.12.

Como cualquier otro diodo, un LED permite el paso de la corriente únicamente en

una dirección. Pero como su nombre lo indica, resplandece ó emite luz cuando tiene

una polarización directa. Con polarización inversa, un LED permanece oscuro.

Mientras que algunos LED se fabrican claros (luz blanca), la mayoría de estos

dispositivos emiten luz de color. El rojo es el color más común, pero el verde y el

amarillo también se usan con frecuencia. En adición a estos tipos, algunos LED se

diseñan para emitir luz en la región infrarroja, la cual está fuera del espectro visible.

La figura 1.33.13, muestra los símbolos esquemáticos más comunes para los LED.

Como se puede observar, el símbolo en la figura 1.33.13B, simplemente omite el

círculo de la Figura 1.33.13A.

Fig. 1.33.12 Diodo Emisor De Luz Fig. 1.33.13 Simbolo del LED

286

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Dentro de ciertos límites, entre más alto sea el voltaje aplicado a un LED, más

brillante será su luz. y por supuesto, la reducción del potencial aplicado opacará al

LED.

Los LED son relativamente durables, pero están proyectados únicamente para

circuitos de bajo voltaje. Típicamente, no deberá aplicarse más de 3 á 6 Volts a un

LED.

Los LED se utilizan primordialmente como dispositivos indicadores. Es decir, un

operador puede decir en cualquier caso, si un voltaje específico está presente ó no,

observando si el LED está iluminado u oscuro. Por ejemplo, en el circuito de la Figura

1.33.14, el LED se ilumina cuando está excitado el circuito, y sirve como un

recordatorio para que se apague el equipo cuando no se esté utilizando. Este LED

también indica que el circuito está operando en forma correcta.

Puesto que los LED resplandecen solamente cuando están polarizados

directamente, y no cuando la polarización es

inversa, se pueden emplear para verificar la

polaridad del voltaje. La Figura 1.33.15, ilustra

el circuito de un simple verificador de polaridad.

Para una operación más satisfactoria, los dos

LED deberían ser de colores contrastantes. Por

ejemplo, el LED 1 podría ser rojo y el LED 2,

verde.

Si las terminales A y B se conectan a través de

un voltaje desconocido, de modo que la

conexión A sea más positiva que la conexión B,

el LED 1 encenderá y el LED 2 permanecerá

oscuro, si se invierte la polaridad, el LED 2 resplandecerá en vez del LED 1. Si no se

enciende ninguno de los dos LED, el voltaje aplicado debe ser cero o muy próximo a

ese valor.

Fig. 1.33.14 indicador de encendido

287

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación También se pueden encontrar LED dobles. Estos son simplemente dos LED

coloreados en forma distinta dentro de un empaque común. Estos LED se conectan

internamente como en la Figura 1.22.15, pero sin el resistor limitador de corriente.

El LED doble encenderá con un color cuando se aplique un voltaje de cierta

polaridad, y por supuesto se iluminará con otro color cuando se invierta la polaridad.

¿Qué ocurrirá si se aplica voltaje de CA a un LED?. Es obvio que la polaridad de la

señal de CA produce una inversión. Cuando la polaridad es tal que el LED está

directamente polarizado, el LED se encenderá. Cuando la polaridad se invierte, el

LED quedará oscuro. Si la frecuencia aplicada es muy baja, se podría observar que

el LED parpadea y se apaga en fase con la frecuencia aplicada. Si se incrementa la

frecuencia, el LED todavía centellará, pero lo hará tan rápidamente que el ojo

humano no tendrá capacidad de distinguir entre destellos sucesivos. De manera que

el LED aparecerá como si estuviera permanentemente, aunque pudiera aparecer

más opaco que cuando un voltaje similar de CD estuviese aplicado.

Fig. 1.33.15 Verificador de Polaridad

288

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Transistores

Un Transistor es un dispositivo semiconductor de tres terminales que puede realizar

la mayor parte de las funciones de un triodo, pero tiene otras propiedades y

diferentes características.

Existen diferentes tipos de transistores, el más simple y común es el Transistor

Bipolar. Como su nombre lo indica es un dispositivo con dos uniones tipo PN.

Transistores tipo NPN

La Figura 1.33.16, muestra la estructura básica de un transistor bipolar. Se puede

observar que este dispositivo consiste en una

lámina delgada de semiconductor tipo P,

insertado entre dos láminas mas gruesas de

material semiconductor tipo N. Las

terminales se llevan al exterior desde cada

una de las secciones semiconductoras.

Una de las secciones tipo N se identifica

como el Emisor, la otra sección tipo N es el

Colector. La sección central tipo P es la Base. Estos términos se explicarán más

adelante. Por razones obvias, un transistor que se construye en esta forma se llama

Transistor NPN. Posteriormente se explicará su complemento, o sea el transistor

PNP.

Fig. 1.33.16 Estructura básica de un Transistor

Todo este arreglo de semiconductores se encierra en un encapsulado metálico o de

plástico. Cuando es metálico, una de las terminales con frecuencia se conecta

eléctricamente al encapsulado. La mayoría de las veces es el colector, pero hay

excepciones. Cuando existe duda, verifíquese en los datos del fabricante ó con un

ohmmetro la continuidad entre cada terminal y el encapsulado.

Los transistores de potencia pueden llegar a calentarse en su funcionamiento y este

calor puede dañar el semiconductor. Para evitar esto, los transistores de potencia se

montan usualmente sobre un disipador de calor, el cual es una pieza metálica, que

289

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación conduce el calor hacia el exterior. Si el transistor está en un envase metálico, por lo

general se hace necesario aislarlo con una lámina de mica para evitar un corto

circuito. Para mejor transferencia del calor, en muchas ocasiones el transistor se

cubre de grasa de silicio.

El símbolo esquemático de un transistor NPN se muestra en la Figura 1.33.17. La

terminal marcada “E”, es el Emisor, “B” es la Base y “C” es el Colector. (El emisor y

el colector por lo general se dopan en formas ligeramente diferentes, de manera que

rara vez son eléctricamente intercambiables).

Algunos esquemas tendrán marcadas las terminales

marcadas en esta forma, pero normalmente se supone

que podemos identificar las terminales a partir del

símbolo. La terminal con la flecha es siempre el Emisor,

se observa que la flecha apunta hacia fuera, esto es lo

que identifica al transistor como NPN.

Operación de un transistor NPN

La Figura 1.33.18, muestra las conexiones

eléctricas básicas para la operación normal de

un transistor NPN. Observe que hay dos

fuentes de voltaje. Esto es por conveniencia

para la explicación. Más adelante se explicará

la forma de obtener dos potenciales de una sola

fuente de voltaje. Obsérvense con cuidado las

polaridades dentro del circuito. La base es más

positiva que el emisor, pero más negativa que el

colector. El potencial real aplicado a la base

(medido con respecto al común), puede ser ya

sea positivo ó negativo, pero las relaciones de

polaridad entre las terminales del transistor

siempre siguen esta secuencia.

Fig. 1.33.17 Simbolo del Transistor

Fig. 1.33.18 Conexiones básicas del transistor

290

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Recordemos que un semiconductor tipo N tiene electrones en exceso y un

semiconductor tipo P tiene excedente de huecos (espacios para los electrones).

Puesto que la sección tipo P en un transistor es mucho más pequeña que cualquiera

de las secciones tipo N, tiene menor cantidad de huecos que las que aquellas tienen

de electrones excedentes.

El potencial negativo en el emisor debido a la conexión con la terminal negativa de la

batería, empuja a los electrones en exceso en la sección del emisor hacia la región

de la base. La unión base-emisor PN está polarizada directamente, de manera que

los electrones pueden pasar dentro de la base, llenando los huecos.

Pero hay demasiados electrones con insuficiencia de huecos. Debido a que la base

ahora tiene más electrones que en su estado normal adquiere una carga total

negativa que fuerza los electrones excedentes fuera de la región de la base.

Algunos electrones saldrán a través de la terminal de la base hacia la terminal

positiva de la batería base-emisor. La terminal de la base se mantiene positiva con

respecto al emisor. Pero la terminal del colector es más positiva, arrastrando a los

electrones en exceso fuera del colector, dejándolo con una fuerte carga positiva. Por

esto, arrastrará a la mayor parte de los electrones fuera de la base, y dentro del

colector, donde se mueven hacia fuera, hasta la terminal positiva de la batería base-

colector.

En otras palabras, el emisor emite electrones y el colector los recoge.

Aproximadamente 95% del flujo de corriente pasará por el colector, mientras que el

restante 5% saldrá del transistor por la terminal de la base.

Si se intercalaran miliampérmetros en los puntos marcados A, B y C, en la Figura

213, si la corriente del emisor (miliampérmetro C) fuera de 10mA (0.01 Amp.),

entonces el miliampérmetro A (corriente del colector) daría una lectura de 9.5mA

(0.0095 Amp.) y el miliampérmetro B (corriente de base) indicaría únicamente 5mA

(0.0005 Amp.)

La cantidad exacta de corriente en el emisor está determinada por las características

del transistor específico que se está utilizando, y del nivel de voltaje aplicado a la

base.

291

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Se puede adaptar el circuito básico de la Figura 1.33.18, al circuito que se muestra

en la Figura 1.33.19. La posición del potenciómetro R1 determinará el potencial de la

base, el cual a su vez, determina la corriente tomada por el transistor.

Independientemente de la cantidad de

corriente, solamente 5% circulará por la

terminal de la base, y el restante 95% fluirá

fuera de la terminal del colector, y a través de

la resistencia de carga R2.

Se puede ver que un cambio muy pequeño en

la corriente de la base dará por resultado un

gran cambio en la corriente del colector. Por

esta razón los transistores se denominan en

algunas ocasiones amplificadores de

corriente. Amplifican la corriente en lugar de la

potencia. Por supuesto, gracias a la Ley de

Ohm, el efecto neto es básicamente el mismo, puesto que variando la corriente a

través de la resistencia de carga (R2), variará la caida de tensión a través de la

misma.

En la Figura 1.33.20, se muestra una versión más avanzada de este circuito.

Obsérvese que sólo existe una batería en el circuito.

La combinación de resistores R1, R2 y

R3 se llama divisor de voltaje. Para ver

la forma en que trabaja, vamos a

suponer que la batería genera 9 Volts y

que todos los resistores son del mismo

valor. Esto es cada resistor provoca

una caída de un tercio del voltaje, o sea

3 Volts (ignorando por supuesto los

efectos de los otros componentes de

circuito, tales como la resistencia

interna del propio transistor).

Fig. 1.33.19 Cambiando el potencial de la Base

Fig. 1.33.20 Divisor de voltaje

292

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Al efectuar la medición entre los puntos A y tierra, la lectura será naturalmente

de 9 Volts. En el punto B (el colector), R1 está comprendida dentro de la sección que

se está midiendo, de manera que la caída de 3 Volts a través de ese resistor se

resta. Por lo tanto, en el punto B será de 6 Volts con respecto a tierra. Este es el

voltaje visto por el colector. La base por otra parte está conectada al punto C. Existen

dos resistores entre este punto y la fuente de voltaje, así que se deben sustraer 6

volts de la caída, dando por resultado que el voltaje aplicado a la base es de 3 Volts.

R3 sustrae otros 3 Volts al voltaje que se aplica al emisor. En otras palabras, el

emisor está a 0 Volts (tierra) y la base es positiva con respecto al emisor (+3 Volts).

El colector sin embargo es más positivo (+6 Volts).

Si se conecta un vóltmetro entre el punto C (punta negativa) y el punto B (punta

positiva), se obtendrá una lectura de +3 Volts. Esto significa que la base, mientras

que tiene un potencial positivo con respecto a tierra, es negativa respecto al colector.

Esta es la polarización correcta para un transistor NPN.

De este modo, es posible ver la forma en que podemos obtener todas las polaridades

requeridas en el circuito de un transistor con una sola fuente de voltaje.

Ahora, si se aplica una fuente de voltaje de CA muy pequeño a la base (como se

muestra en la figura 1.33.20), el voltaje sobre la base variará arriba y abajo de su

valor nominal de CD. Esto causa que la corriente de colector, y también la caída de

tensión a través de la resistencia de carga (RL), varíen en fase con el voltaje variable

que se aplica a la base. A causa dela ganancia de corriente del transistor, la caída de

tensión de CA a través de RL, será mucho mayor que el voltaje de CA aplicado a la

base. Esto es, la señal se amplifica.

Configuraciones básicas de amplificador con un transistor

Debido a que el emisor en la Figura 1.33.20 está a un potencial de tierra ó común,

este tipo de circuito amplificador se llama amplificador de emisor común. El emisor

se utiliza como el punto de referencia común tanto para las señales de entrada como

para las de salida.

293

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación En la mayoría de los circuitos prácticos de emisor común existirá un resistor entre el

emisor y el punto real de tierra. Este resistor se incluye para incrementar la

estabilidad del circuito. De cualquier manera, se considera que el emisor está a

potencial de tierra.

La configuración de amplificador en emisor común tiene una impedancia de entrada

baja e impedancia de salida alta. Las ganancias de corrientes, de voltaje y potencia

son altas. La salida siempre estará 180° fuera de fase con la entrada. Esto es,

cuando la señal de entrada es positiva (arriba del nivel de polarización de CD), la

señal de salida será negativa y viceversa. El amplificador en emisor común es

probablemente la configuración más utilizada, pero hay otros circuitos.

La Figura 1.33.21, muestra un circuito amplificador en base común. Obsérvese que

las relaciones de polaridad entre las terminales del transistor siguen siendo las

mismas. La base es positiva con respecto al emisor, pero negativa respecto al

colector. En otras palabras, el emisor está a un voltaje negativo (abajo de tierra), y el

colector está a un voltaje positivo

(arriba de tierra). La base está a

tierra, de modo que su valor

nominal es de 0 volts. La caída de

tensión a través de R2 causa que el

voltaje sobre el emisor esté abajo

del potencial de tierra. O sea que es

negativo.

R3 y Cb, que están entre la base y

el punto real de tierra, son para,

mejorar la estabilidad. Sus valores son pequeños para mantener la caída de voltaje

a través de ellos despreciable. Para todo propósito, el voltaje aplicado a la base es

cero.

Fig. 1.33.21 Amplificador de Base Común

La ganancia de potencia (ganancia de corriente multiplicada por la ganancia de

voltaje) de un amplificador de emisor común es ligeramente inferior a la de un

amplificador de base común utilizando el mismo transistor, pero su ganancia de

voltaje es mucho mayor.

294

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Como ya se mencionó, la impedancia de entrada de un amplificador en emisor

común es bastante baja (típicamente entre 200 y 1000 ohms) y la impedancia de

salida es muy alta (típicamente entre cerca de 10,000 a 100,000 ohms).

Las impedancias de un amplificador en base común son similares, pero la diferencia

entre la entrada y la salida es mucho más notable. La impedancia de entrada de un

amplificador en base común es normalmente inferior a 100 ohms y la impedancia de

salida puede estar sobre varios cientos de kilohms.

Otra diferencia entre estas configuraciones de circuitos es que la señal de salida de

un amplificador en base común está en fase con a señal de entrada. Recordemos

que un amplificador de emisor común invierte la señal (defasamiento de 180°).

La tercera configuración de un amplificador con transistor es más bien única. Como

se habrá adivinado, es el amplificador de colector común. Véase la Figura 1.33.22.

Debe notarse que este circuito utiliza un punto de tierra positivo. (los voltajes de

operación dentro del circuito son todos negativos).

El emisor es el más negativo, y R1

hace caer algo del potencial negativo,

así que la base es menos negativa

(más positiva) que el emisor, pero

todavía es más negativa que el

colector. De esta manera, los

requisitos relativos a la polaridad son

satisfechos. Una de las

características únicas de la

configuración de colector común es

que la ganancia de voltaje siempre es

negativa. Es decir, el voltaje de salida

es menor que el voltaje de entrada.

Otra forma de expresar esto es que la

ganancia de voltaje es menor que la unidad,

Fig. 1.33.22 Amplificador de Colector Común

sin embargo se tiene ganancia de potencia positiva (ganancia de voltaje por

ganancia de corriente) en este tipo de circuito, pero es relativamente pequeña

295

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación comparada con la ganancia de potencia de las configuraciones de base común y

emisor común.

Por razones obvias, el circuito de colector común no resulta un buen amplificador.

Pero es un circuito muy útil para equilibrio de impedancias. Con las otras

configuraciones la impedancia de entrada es siempre inferior que la de salida. En un

circuito de colector común, es lo contrario. La salida de un amplificador de colector

común está en fase con la señal de entrada.

Alfa y beta

Hay literalmente miles de tipos diferentes de transistores bipolares disponibles.

Difieren en cierto número de factores. Por ejemplo dos transistores podrían diferir en

la máxima potencia que pueden disipar con seguridad, sus impedancias internas, y lo

que es más importante la ganancia de corriente que pueden producir.

La ganancia de corriente para cualquier transistor específico se define por dos

características interrelacionadas, estas son α (alfa) y β (beta).

Alfa es la ganancia de corriente entre el emisor y el colector. Quiere decir que para

cualquier cambio en la corriente del emisor (con el voltaje de la fuente mantenido

constante), el colector cambiará con una relación fija respecto al emisor. La ecuación

básica para determinar alfa es:

∆Ic

α = ---------

∆Ie

El símbolo ∆ se lee delta. Se utiliza para expresar un cambio de valor, Ic es la

corriente de colector, e Ie es la corriente de emisor.

Para un transistor típico un cambio de 2.6 mA (0.0026 Amp.) en la corriente de

emisor, resultaría en un cambio de 2.4 mA en la corriente del colector. Observe que

la corriente del colector cambia menos que la del emisor. Esto es porque siempre

hay una ganancia negativa de corriente del emisor al colector en u transistor bipolar.

296

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Recordemos que solamente cerca del 95% de la corriente del emisor consigue llegar

al colector. En nuestro ejemplo:

∆Ic 2.4

α = --------- = ---------- = 0.922

∆Ie 2.6

Alfa será siempre menor que la unidad.

Un cambio pequeño en la corriente de base, resultará en un gran cambio en la

corriente del colector. 5% de la corriente de la corriente total a través de un transistor

fluye a través de la base, mientras que e restante 95% circula por el colector.

En nuestro transistor, el mismo cambio de 2.4 mA en la corriente de colector se

puede lograr con un cambio de 0.2 mA en la corriente de la base. La relación entre la

corriente de la base y la corriente del colector es β. La fórmula correspondiente para

beta es:

∆Ic

β = ---------

∆Ib

Así que beta para nuestro transistor muestra es:

∆Ic 2.4

β = --------- = --------- = 12

∆Ib 0.2

Beta siempre es mayor que uno.

Alfa y beta están íntimamente relacionados. Si se conoce uno, se puede determinar

el otro con las siguientes fórmulas.

297

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación β

α = ---------

1 + β

α

β = ---------

1 - α

Por ejemplo, ya hemos encontrado que beta en nuestro transistor es de 12, de

manera que alfa es 12/(12 + 1) = 12/13 = 0.92. Por supuesto que este es el mismo

valor que se calculó para alfa a partir de las corrientes de emisor y colector.

Supongamos que tenemos otro transistor con una alfa de 0.88. Beta sería igual a α/

(1 - α) = 0.88/ 1 – 0.88 = 0.88/0.12 = 7.

Por otra parte, un transistor con un alfa de 0.97, tendría para beta: 0.97/1 – 0.97 =

.97/0.03 = 32.3.

Transistores PNP

El otro tipo básico de transistor bipolar es el transistor PNP. Este dispositivo es el

complemento del tipo NPN.La estructura básica de un transistor PNP se muestra en

la Figura 1.33.23. Su símbolo esquemático aparece en la figura 1.33.24. Obsérvese

que la flecha en el emisor apunta hacia adentro en este tipo de transistor.

Si hacemos consideraciones en términos de flujo de huecos en vez de flujo de

electrones, un transistor PNP trabaja en la misma forma que lo hace un transistor

NPN, excepto que todas las polaridades se invierten. Esto es, la base debe ser

negativa con respecto al emisor, pero positiva con respecto al colector.

Los huecos son expulsados fuera del emisor, a través de la base y hacia el colector.

Los transistores PNP, se pueden utilizar en cualquiera de las configuraciones básicas

de amplificador (base común, emisor común o colector común), alfa y beta se

calculan de la misma manera que como se hace en los transistores NPN.

298

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Las relaciones de fase entrada/salida también siguen siendo las mismas.

Fig. 1.33.23 Transistor PNP Fig. 1.33.24 Simbolo del Transistor PNP

Rectificadores controlados de silicio SCR´S

Un dispositivo semiconductor para propósito especial es el rectificador controlado de

silicio ó SCR. Su símbolo esquemático se muestra en la Figura 1.33.25.

Observe que es básicamente el mismo

que el correspondiente a un diodo, pero

existe una tercera terminal, llamada la

compuerta.

Si se aplica un potencial entre el cátodo y

el ánodo (ver Figura 1.33.26-A), pero la

compuerta está a cero volts (a tierra), no

fluirá corriente a través del SCR.

Ahora, si se aplica un voltaje mayor que

algún valor específico (el cual varía de unidad a unidad) a la compuerta (ver Figura

1.33.26-B), la corriente empezará a fluir desde el cátodo al ánodo, contra una muy

pequeña resistencia interna (como en un diodo ordinario).

Fig. 1.33.25 Simbolo del SCR

Esta corriente continuará fluyendo aunque se retire el voltaje aplicado a la

compuerta. La única forma de parar el flujo de corriente a través de un SCR una vez

que se ha iniciado es disminuir el voltaje positivo sobre el ánodo (o eliminarlo

completamente). Cuando el voltaje en el ánodo cae debajo de un nivel pre-

establecido, el flujo de corriente quedará bloqueado, aunque el voltaje del ánodo

299

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación regrese a su valor original, a menos que la compuerta reciba el voltaje de disparo

requerido.

Un tipo especial de diodo, denominado

diodo de disparo se conecta

generalmente en serie con la compuerta

(ver Figura 1.33.27). Este diodo

normalmente está polarizado

inversamente y produce un pulso abrupto

cuando se excede el voltaje de disparo.

Esto se muestra gráficamente en la

Figura 1.33.28. El diodo de disparo puede

proporcionar un disparo más limpio y

confiable para el SCR.

Los rectificadores controlados de silicio

se utilizan típicamente para controlar

voltajes de CA. La Figura 1.33.29 muestra un circuito simplificado de este tipo.

Fig. 1.33.26 Conexiones del SCR

Fig. 1.33.27 Disparo del SCR Fig. 1.33.28 Pico de disparo

Cuando el voltaje aplicado al diodo de disparo alcanza un punto específico del ciclo,

activa al SCR con un pulso de voltaje agudo. Cuando el voltaje aplicado al ánodo cae

abajo del nivel de equilibrio del SCR, la corriente cesa hasta que se repite el ciclo. La

Figura 1.33.30 muestra la señal de entrada y varias posibles señales de salida.

Variando

300

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

R1 en la Figura 1.33.29, alterará el voltaje del diodo de disparo, y así el punto en el

ciclo cuando el SCR se enciende.

Puesto que parte del ciclo de CA es eliminado,

y el voltaje permanece en cero en este tiempo,

el valor medio de la señal de salida debe ser

inferior que el correspondiente a la señal de

entrada. A menor tiempo de flujo de la

corriente a través del SCR durante cada ciclo,

menor será el valor efectivo del voltaje de

salida. La Figura 1.33.31, muestra la

estructura básica de un rectificador controlado

de silicio.

Fig. 1.33.29 Circuito simplificado Fig. 1.33.30 Voltaje rectificado

Fig. 1.33.31 Estructura del SCR

301

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Circuitos integrados

Los circuitos integrados se construyen de una oblea de silicio que se ha tratado

especialmente para simular el agrupamiento de transistores separados, diodos,

resistores y capacitores. Un empaque diminuto, que es más pequeño que una

moneda de 12 milímetros de diámetro, puede sustituir la acción de un par de

docenas de componentes separados (discretos). Algunas veces los circuitos

integrados son denominados Chips.

Los circuitos integrados se presentan en diversos tipos de encapsulados. Algunos se

encierran en envases redondos de plástico ó metálicos.

Sin embargo, la mayor parte de los circuitos modernos vienen en encapsulados de

doble fila de terminales, ó sean los DIP (dual-in-line-package). Los circuitos

integrados. Estos envases rectangulares de plástico tienen dos filas paralelas (ó

líneas) de terminales, de aquí viene el nombre. Los DIP normalmente tienen 8, 14 ó

16 terminales. La Figura 1.33.32, ilustra la forma en que se numeran dichas

terminales. Existirá una ranura ó círculo grabado en el envase para identificar la

terminal número uno. Algunos dispositivos tienen 24, 28 ó incluso 40 terminales.

Fig. 1.33.32 Circuitos integrados

302

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Circuitos integrados reguladores Puesto que los reguladores de voltaje se necesitan con mucha frecuencia, cierto

número de Circuitos Integrados (CI) están disponibles para los voltajes de salida más

utilizados, tales como cinco, doce ó quince Volts. También se encuentran

reguladores de voltaje para operación con común positivo ó negativo. Estos no son

intercambiables, aunque los dos tipos se pueden utilizar juntos para fuentes de dos

polaridades.

Los CI reguladores de voltaje tienen tres terminales: entrada (el voltaje no regulado);

salida (el voltaje regulado) y común (el punto de referencia tanto para la entrada

como para la salida)

El voltaje de entrada puede variar dentro de un margen amplio, sin afectar el voltaje

de salida. Un regulador de cinco Volts aceptará niveles de entrada hasta de 35 Volts.

Los reguladores de voltaje están limitados por la cantidad de corriente que puede

demandarse de ellos con seguridad. Si se requiere una cantidad de corriente más

grande, se pueden utilizar varios reguladores de voltaje conectados en paralelo.

(consulte un manual de reguladores).

La Figura 1.33.33, muestra la información típica encontrada en un manual, indicando

las conexiones de las terminales y la forma de seleccionar el circuito para obtener el

voltaje regulado deseado.

303

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Circuitos integrados amplificadores operacionales

Probablemente el tipo más común de circuito integrado es el Amplificador

Operacional.

La Figura 1.33.34, muestra el diagrama

simplificado de un circuito de un

amplificador operacional típico,

construido en torno de componentes

discretos. Un circuito de amplificador

operacional práctico requeriría muchos

más componentes que los básicos que

se muestran aquí, de manera que los

amplificadores operacionales en

circuitos integrados son preferibles a los

dispositivos discretos.

Existe una gran cantidad de

Fig. 1.33.33 Información de un Circuito Integrado

Fig. 1.33 34 CI Amplificador Operacional

304

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación amplificadores operacionales en CI actualmente. Uno de los más populares y más

económico es el 741. En algunas ocasiones este número es precedido o

seguido por letras clave que identifican al fabricante, el tipo de encapsulado, el rango

de temperatura y así sucesivamente. Para la mayor parte de las aplicaciones, estas

letras se pueden ignorar.

Este circuito integrado se halla disponible en diferentes configuraciones de empaque,

pero predominan los DIP de 8 y 14 terminales. Un diagrama de disposición de

terminales para estos encapsulados se muestra en la figura 1.33.35.

La Figura 1.33.36, muestra el símbolo esquemático estandar para un amplificador

operacional.

Observe que hay dos voltajes de alimentación de entrada (+V y –V). Estos voltajes

deben ser iguales pero de polaridad opuesta con respecto a tierra.

Fig. 1.33.35 Disposición de terminales Fig. 1.33.36 Simbolo del Amplificador Operacional

Las conexiones de la fuente de alimentación se omiten con frecuencia en los

diagramas, estas conexiones de la fuente de poder se suponen automáticamente,

por la presencia de los CI. Recuerde que todos los paquetes de circuito integrado

deben tener las conexiones apropiadas de la fuente de alimentación para funcionar.

Regresando al símbolo esquemático (Figura 1.33.36), observe que hay dos entradas

al amplificador operacional. Una está marcada con un “+”. Se llama la entrada no

inversora. La salida estará en fase con una señal de entrada en esa terminal.

305

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación La otra entrada se identifica con un “-“. Esta entrada se denomina entrada inversora.

La señal de salida estará 180° fuera de fase con una señal de entrada en esa

terminal. En otras palabras, la señal se invierte.

Se puede decir que hay innumerables aplicaciones para este dispositivo básico (en

realidad son tantos que no podríamos analizarlos en profundidad aquí). Veremos

mejor unas cuantas de las muchas aplicaciones de un amplificador operacional. Las

dos aplicaciones más simples son, por supuesto los amplificadores con y sin

inversión.

Amplificadores inversores La Figura 1.33.37, muestra el circuito básico de un amplificador inversor. La salida

está 180° fuera de fase con la entrada. Cuando la señal de entrada aumenta (se

hace más positiva), el voltaje de salida decrece (se hace más negativa), y viceversa.

El resistor R2 retroalimenta parte de la señal de salida a la entrada. Ya que la salida

está 180° fuera de fase con la

entrada, esta señal retroalimentada

se sustraerá de la señal de entrada

aplicada al propio amplificador

operacional, reduciendo la ganancia

efectiva del amplificador. Este

proceso de utilizar la salida para

cancelar parte de la entrada se

llama retroalimentación negativa.

La cantidad de ganancia (G)

producida por el amplificador, será determinada por la relación R2 a R1.

Fig. 1.33.37 Amplificador Inversor

Específicamente la fórmula es:

R2 G = - --------- R1

306

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Supongamos que R1 es 10,000 ohms. Si R2 = 100,000 ohms, la ganancia será :

100,000

G = - -------------- = - 10

10,000

El signo negativo es simplemente una indicción matemática de que la señal se

invierte en el circuito.

Si R2 se incrementa a un megohm (1,000,000 ohms), la ganancia se incrementa a:

1,000,000

G = - -------------- = - 100

10,000

¿Qué sucede si R2 se aumenta hasta el infinito?. Esto es si la trayectoria de la

retroalimentación se elimina completamente. La ganancia teórica sería:

α

G = - -------------- = - α

10,000

O sea simplemente una ganancia infinita.

En los circuitos reales, una ganancia infinita es imposible. El límite superior de la

ganancia está determinado por las características internas del propio amplificador

operacional. La ganancia máxima se proporciona en las hojas de características para

el CI. Para el 741, la ganancia máxima puede llegar hasta 200,000, pero

prácticamente nunca nos veremos en la necesidad de utilizar tanta ganancia. En un

circuito sin retroalimentación, un amplificador operacional inversor teóricamente

amplñificará una señal de 1 milivolt (0.001 volt) a –200,000 milivolts, o sea –200 volts

en la salida. Pero la salida de un amplificador operacional (o de cualquier

amplificador) está limitada siempre por el voltaje de la fuente de alimentación. Si la

señal de entrada excede el valor que producirá una salida igual al voltaje de la

307

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación fuente, no habrá cambio en la salida. Se dice que el amplificador está saturado. Esta

es la razón para que se deba utilizar el circuito de retroalimentación en los circuitos

prácticos.

Ocurre otra condición original cuando R1 y R2 son de igual valor. Por ejemplo, si

ambas son de 10,000 ohms, la ganancia resultante es de :

10,000

G = - -------------- = - 1

10,000

En otras palabras, la salida es igual a la entrada, excepto por supuesto, por la

inversión de fase. Esta ganancia se dice que es Unitaria.

Un circuito amplificador con ganancia unitaria se denomina seguidor de voltaje,

porque la señal de salida sigue, o duplica, la señal de entrada. Esto podría parecer

poco útil, pero en algunos casos suele usarse satisfactoriamente para equilibrio de

impedancias y para acción separadora.

Un amplificador separador evita que un circuito posterior (provocando una excesiva

demanda de corriente en él) sobrecargue la fuente de señales. En otras palabras, se

pueden aislar efectivamente entre sí varios sub-circuitos de un sistema por medio de

un amplificador separador. También en algunos casos es necesaria la inversión de

fase, pero es indeseable la amplificación adicional. En tal caso, un amplificador

inversor con ganancia unitaria sería la solución obvia.

El amplificador no inversor

La Figura 1.33.38, ilustra un circuito

similar, excepto en que se usa la

entrada no inversora, en lugar de la

entrada inversora. Pero la

retroalimentación todavía se aplica

a la entrada inversora. La salida

estará en fase con la entrada, de

manera que el circuito se denomina Fig. 1.33.38 Amplificador no inversor

308

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación amplificador no inversor.

¿Por qué la retroalimentación se aplica a la entrada inversora y no a la entrada no

inversora?. Para determinar la razón, supongamos que tenemos una ganancia de

voltaje de 200,000 sin circuito de retroalimentación. Ignorando los problemas

prácticos discutidos en la última sección, una entrada de 1 milivolt CD, produciría una

salida de 200 Volts CD.

Ahora bien, si agregamos un resistor de retroalimentación para retornar parte de la

salida a la entrada no inversora por otra trayectoria a través del amplificador (véase

la Figura 1.33.39), ¿Qué sucedería?. Supondremos que se produce una caída de

195 volts en el resistor de retroalimentación, dejando únicamente 5 volts

retroalimentando la entrada.

Tenemos ahora dos voltajes que se aplican a la entrada del amplificador operacional.

La señal original de 1 milivolt y la señal de retroalimentación de 5 Volts.

(Por supuesto que esta es una señal de retroalimentación demasiado grande, pero lo

hacemos para resaltar los

efectos). En otras palabras, la

señal efectiva de entrada es

ahora de 5.001 Volts. Esta se

amplifica a la ganancia plena

del amplificador operacional,

es decir 200,000. La salida

salta hasta 1,000,200 Volts. Y

parte de ella se retroalimenta

para ser amplificada aún más. Es evidente que el nivel de salida simplemente

continuaría cual satélite espacial, subiendo hasta el infinito.

Fig. 1.33.39 Retroalimentando por la entrada no inversora

La señal de retroalimentación debe estar fuera de fase con la señal original de

entrada, de manera que una parte será sustraída de la entrada y reducirá la ganancia

efectiva. Esto se puede lograr dirigiendo la señal de retroalimentación a la entrada

inversora del amplificador operacional.

309

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Si, por ejemplo, la señal original por sí misma produce una salida de 10 volts, y la

retroalimentación por su parte produce una salida de 2 Volts, estos dos valores se

restan, porque

están fuera de fase 180° entre

ellas, la ganancia efectiva sería de 8 Volts, en fase con la señal original de entrada.

Por consiguiente, podremos medir únicamente el voltaje efectivo de salida. No existe

ninguna forma de medir separadamente el resultado de la señal de entrada y la señal

retroalimentada.

Observe que la mayor parte del voltaje de retroalimentación produce una caída en

R2 y es desviado a tierra por R1. Evidentemente en los circuitos prácticos de

amplificadores la señal de retroalimentación negativa deberá ser de una menor

amplitud que la señal de entrada que se desea amplificar.

En otros aspectos, el circuito amplificador no inversor opera en la misma forma que

el amplificador inversor. Inclusive la fórmula para determinar la ganancia del circuito

es casi la misma:

R2 G = ------ + 1 R1 La única diferencia es la ausencia del signo negativo, porque no hay inversión de

fase, y el uno que se suma.

Circuitos integrados lógicos

Se han discutido ya los circuitos analógicos. La otra categoría principal de los

Circuitos Integrados se llama digital. Todas las señales de entrada y de salida se

convierten en valores numéricos digitales y estos números son tratados por los

circuitos integrados de diferentes formas.

310

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación El Sistema binario

Normalmente efectuamos nuestro conteo en el sistema decimal, el cual tiene diez

dígitos (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 y 9). Si se requiere representar un número mayor que 9

(el dígito mayor), se tienen que agregar columnas adicionales de dígitos. El valor

unitario de una columna es igual a la base (10), multiplicado por el valor unitario de la

columna precedente. En otras palabras “2 873” representa en decimal: 2 x 1000 + 8

x 100 + 7 x 10 + 3 x 1.

Tabla 1.33. 1 Comparación de sistemas Decimal y Binario

En los circuitos electrónicos es más conveniente utilizar el sistema binario, el cual

tiene sólo dos dígitos (0 y 1). Si está presente un voltaje específico se puede decir

que se tiene un 1. Si el voltaje está ausente se tiene un 0.

311

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación No existen valores intermedios.

Esto también se puede invertir. Un voltaje presente podría representar un 0 y la

ausencia de voltaje un 1. Esto podría llamarse lógica negativa. En realidad no hay

diferencia. Excepto que conceptualmente es más conveniente pensar en términos de

lógica negativa algunas veces.

Ya que no hay dígitos mayores que 1 en el sistema binario, es obvio que se requiere

más de una columna para representar cualquier número mayor que uno.

Los valores de estas columnas se incrementan en la misma forma que en sistema

decimal, excepto en que cada nueva columna tiene un valor unitario de dos veces su

antecesor. La primera columna se multiplica por 1, la segunda columna se multiplica

por 2, la tercera por 4, la cuarta por 8 y así sucesivamente.

Por ejemplo, el número binario 1 101 consiste de: 1 x 8 + 1 x 4 + 0 x 2 + 1 x 1, ó

sea 13 en decimal. La Tabla 1.33.1, compara el conteo en los sistemas decimal y

binario.

En los circuitos electrónicos, las Compuertas Digitales se utilizan para combinar

dígitos binarios en varias formas.

Compuertas AND ( Y )

Una compuerta digital básica se denomina

Compuerta AND. Hay por lo general cuatro

compuertas AND en un solo paquete de circuito

integrado (llamado compuerta AND cuádruple)

El símbolo esquemático para una compuerta

AND se muestra en la Figura 1.33.39. Nótese

quexisten dos entradas y sólo una salida. La

salida será un 1 si y sólo si ambas entradas son 1.Ya que hay dos entradas, cada

una con dos señales posibles, existen cuatro posibles condiciones de entrada. Si

ambas entradas son 0, la salida será 0. Si la entrada A es 0 y la entrada B es 1, la

salida será 0. Si la entrada A es 1 y la entrada B es 0, la salida será también 0.

Fig. 1.33.39 Compuerta AND

312

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Pero si las dos entradas A y B son 1, la salida será 1.

La relación entre las entradas y salidas de las compuertas se ilustran normalmente

en una lista llamada Tabla de Verdad.

La Tabla de Verdad para una

compuerta AND estandar de dos

entradas se da en la Tabla 1.33.2.

Mientras que la mayoría de las

compuertas AND tienen dos entradas,

existen compuertas con más entradas.

Estas trabajan esencialmente en la

misma forma. Por ejemplo, la Figura

237, proporciona la Tabla de Verdad

para una compuerta AND de cuatro

entradas. Se observa que la salida

será 1 si, y solo si todas las entradas

son 1. Si cualquier entrada es 0, la

salida será un 0.

Analizando la Tabla de Verdad

(1.33.2C), se observa que es la

oposición exacta de la correspondiente

a una compuerta AND. La salida es 0

si y solo si ambas entradas son 1.

Esta es una compuerta No AND, o más

propiamente una compuerta NAND

(No Y ).

El símbolo esquemático para una compuerta NAND

se parece la de una AND, excepto por la inclusión

de un pequeño círculo en la salida para indicar la

inversión de estado (Figura 1.33.40).

Tabla 1.33.2 Tabla de verdad

Fig. 1.33.40 Compuerta NAND

313

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Compuertas OR

Otra compuerta digital básica es la Compuerta OR. Su símbolo esquemático se

muestra en la Figura 239, y su tabla de verdad se halla en la Tabla 1.33.2A.

Nuevamente, existen dos entradas, y una sola salida que depende de los estados

lógicos de ambas entradas. En tanto al menos una de las entradas sea un 1, la salida

de la compuerta OR, será un 1. La salida será un

0, solamente si ambas entradas son 0.

Una variación de la compuerta OR es la

Compuerta OR Exclusiva. Como su nombre lo

sugiere, la salida es 1 si cualquiera de las

entradas es 1, pero no si las entradas son ambas

1 ó ambas 0. En otras palabras, la salida es 1 si

las dos entradas son diferentes. La salida es un 0 si las dos entradas están al mismo

nivel.

Fig. 1.33.41 Compuerta OR

El símbolo esquemático para una compuerta OR exclusiva se muestra en la figura

1.33.41, y su Tabla de Verdad se da en la Tabla 1.33.3B:

Figura 1.33.42 Compuerta OR exclusiva

Tabla 1.33.3 Tabla de verdad

314

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

La tabla 1.33.3C, es la Tabla de Verdad para la inversión de una compuerta OR. Este

dispositivo (cuyo símbolo se muestra en la Figura 1.33.43) se llama Compuerta NOR

( no OR ). La salida será un 1, sólo que ninguna entrada sea un 1. Si cualquiera ó

ambas entradas están en un nivel lógico 1, la salida será un 0.

Fig.

Separadores (Buffers) e Inversores.

La Figura 1.33.44, ilustra dos dispositivos digitales de una entrada y una salida. La

figura 1.33.44A es un Inversor. Evidentemente este dispositivo invierte su entrada. Si

la entrada es un 0, la salida es un 1, ó si la

entrada es un 1, la salida será un 0. Estos

son los únicos estados posibles.

El dispositivo mostrado en la Figura

1.33.44B podría parecer en un principio

particularmente inútil, ya que su salida es la

misma que su entrada. Este dispositivo no

afecta el estado lógico de ninguna manera.

Cualquier salida de una compuerta digital

puede alimentar solamente un número

limitado de entradas de otras compuertas

digitales (u otros dispositivos). Este número

se llama Factor de Carga de Salida (fan-

1.33.43 Compuerta NOR

Fig. 1.33.44 Separador e Inversor

315

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación out). Para compuertas TTL , el factor de cargas de salida típico es normalmente de

10. Eso es, cada salida de compuerta puede utilizarse como la entrada para otras 10

compuertas. Pero ¿Qué haríamos para excitar más de 10 compuertas desde una

sola salida?. Aquí es donde entra el dispositivo de la Figura 1.33.44B. Es llamado un

Separador (buffer). Este típicamente tiene un factor de carga de salida de 30.

Mandando la señal deseada a través de un separador, se puede usar para excitar

muchas más compuertas (u otros dispositivos). Los inversores también actúan como

separadores además de su función de inversión de estado.

Estas siete compuertas digitales básicas: AND, NAND, OR, OR exclusiva, NOR,

Inversores y Separadores, se pueden combinar para ejecutar cualquier función

lógica.

Rectificadores

Los puentes de rectificación de diodos, son dispositivos que cumplen la función de

convertir voltajes de Corriente Alterna en voltajes de Corriente Directa, utilizando la

propiedad de los diodos de permitir el paso de corriente a través de ellos en un solo

sentido.

Rectificadores de onda completa monofásicos

La Figura 1.33.45, muestra un rectificador de onda completa monofásico. El conjunto

está formado por cuatro diodos, conectados en una configuración denominada

puente.

El puente está formado por los diodos 1, 2, 3 y 4. La entrada de CA está conectada

a las uniones ánodo-cátodo de los diodos 1-3 y 2-4. El circuito tiene como carga la

resistencia R. La operación del puente rectificador puede entenderse siguiendo una

trayectoria desde la terminal A, a través de los diodos, pasando por a carga R y

regresando a la terminal B.

Cuando A es positivo, el diodo 1 conducirá y pasará corriente a través de R y de

diodo 4. Este diodo estará polarizado para conducir y completar

316

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

el circuito hasta la terminal B. Hay dos diodos involucrados en la trayectoria, pero

cada uno requiere muy poco voltaje para mantener la conducción, de manera que el

voltaje de A á B aparezca a través de R. Durante esta mitad del ciclo, el diodo 2 no

conduce ya que tiene un potencial negativo en su ánodo y el diodo 3 no conduce

porque tiene un potencial positivo en su cátodo. El resultado neto es la transferencia

de la parte positiva del voltaje de CA (con una ligera caída), a la resistencia R.

Fig. 1.33.45 Rectificador de Onda Completa Monofásico

317

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Cuando A es negativo, la terminal B será positiva. Esto producirá las polaridades

apropiadas en los diodos 2 y 3 para que conduzcan y circule una corriente en la

resistencia R, de abajo hacia arriba. El medio ciclo negativo es transferido a la

resistencia R en la misma dirección que el medio ciclo positivo. El voltaje resultante a

través de la resistencia R se muestra en la gráfica de la Figura 1.33.45.

Rectificador de onda completa trifásico

La Figura 1.33.46, muestra el diagrama de conexiones de un rectificador de onda

completa trifásico. El conjunto está conformado por seis diodos. El circuito está

alimentado por un voltaje trifásico, cada una de cuyas líneas está identificada con las

letras A, B y C. Esta alimentación esta conectada a las uniones cátodo-ánodo de los

tres pares de diodos. Para identificar cada diodo, se le ha asignado una combinación

que determina la fase y la barra a los cuales están conectados los diodos, así hay

tres diodos conectados a la barra positiva: A+, B+ y C+, y tres diodos conectados a la

barra negativa: A-, B- y C-.

En la Figura 1.33.46, se muestra la grafica de los voltajes de las fases y se identifican

las combinaciones de diodos que conducen durante cada intervalo. Una revisión de

la gráfica empezando en la línea de cero grados, revela las siguientes

combinaciones:

Intervalo de fase Diodos conduciendo

0° - 60° A+ y B-

60° - 120° A+ y C-

120° - 180° B+ y C-

180° - 240° B+ y A-

240° - 300° C+ y A-

300° - 360° C+ y B-

Un diodo positivo y un diodo negativo deben conducir simultáneamente para

completar la trayectoria de la CD. Cada diodo conduce por 120° cada vez que se

318

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación encuentra activo. En la parte inferior de la Figura 1.33.46, se muestra la onda de

voltaje rectificado obtenida.

Fig. 1.33.46 Rectificador de Onda Completa Trifásico

319

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Puentes rectificadores de SCR´S

El rectificador trifásico de onda completa mostrado en la Figura 1.33.47, está

derivado del rectificador mostrado en la Figura 1.33.46, reemplazando los diodos por

SCR´S, esto da como resultado un Rectificador trifásico de onda completa,

completamente controlado.

La acción rectificadora es la misma que con diodos ordinarios, pero la acción en cada

SCR puede ser retrasada controlando el disparo. Si cada SCR es disparado en el

instante en que tiene aplicada la polaridad apropiada para estar en conducción. El

voltaje promedio de salida del puente es máximo cuando el ángulo de retardo del

disparo es de cero grados. Esto corresponde a la acción en un rectificador de diodos.

Fig. 1.33.47 Rectificador de Onda Completa Completamente Controlado

320

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Cuando cada SCR es disparado con el mismo retardo, el promedio de salida del

uente cae, con valores como se enlista adelante.

Angulo de

retardo

Promedio de salida de CD

0° 100%

30° 86.6%

60° 50%

90° 0

p

321

Fig. 1.33.48 Forma del Rizo del Voltaje rectificado

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación El cambio en el nivel promedio es acompañado por cambios en las fluctuaciones de

voltaje en la salida de CD. La figura 1.33.48, muestra el “rizo” existente para cada

ángulo de retardo seleccionado. Esto puede verse conectando un osciloscopio entre

los puntos X e Y. El rizo es mínimo con retardo de cero y es máximo a 90°.

base común, emisor común y colector común, y aplicaciones de los diferentes

arreglos de Circuitos Integrados de Amplificadores Operacionales.

Su aplicación está sujeta a los valores que se requieran amplificar y a las magnitudes

de potencia que manejen los circuitos de control.

1.34.- Componentes eléctricos de equipos de perforación Transformadores Descripcion de los transformadores Los transformadores son máquinas eléctricas utilizados para elevar ó reducir valores

de voltaje, utilizando el principio de la inducción magnética. Están constituidos por

bobinas de conductor colocadas sobre un núcleo de laminaciones de hierro y

olocado el conjunto dentro de un gabinete.

e conectan puede haber transformadores

onofásicos y trifásicos. En algunos casos, se combinan tres transformadores

ofásicos, para formar un trifásico.

a relación en que el transformador eleva ó reduce el voltaje se llama Relación de

ransformación.

; de 480 Volts a 220/127 Volts ó

de 480 Volts a 120 Vo

Amplificadores

Los amplificadores utilizados en los circuitos electrónicos de control, generalmente

son aplicaciones de los arreglos básicos de los diferentes circuitos de transistores,

c

De acuerdo al número de fases en los que s

m

mon

L

T

En los equipos de perforación generalmente se utilizan transformadores reductores,

por ejemplo para reducir de 600 Volts a 480 Volts

lts.

322

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación La capacidad de potencia de los transformadores se dá en Volt-Amperes (VA) y si la

potencia e grande, se utiliza un múltiplo equiv a 1000 VA que es el Kilo-Volt-

Amper (KVA).

Las partes principales de un transformador y sus funciones son (Figura 1.34.1):

E Núcleo, el l proporciona na t ectoria para las líneas de fuerza

l campo magnético en el primario, corta las espiras del devanado secundario, é

ce una FEM en el secundario.

s alente

l cua u ray

magnéticas.

El Devanado Primario, el cual recibe la potencia de la fuente de CA.

El Devanado Secundario, el cual recibe potencia del primario, y la suministra

a la carga.

La Cubierta ó Envoltura, que protege los componentes de humedad, polvo y

daño mecánico.

Principio de operación de los transformadores

El transformador de la Figura 1.34.2, muestra la acción básica transformación. El

devanado del primario está conectado a una fuente de 60 Hertz. El campo magnético

se expande y se contrae alrededor del devanado primario. Al expandirse y contraerse

Fig. 1.34.1 Partes de un Transformador

e

indu

323

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Cuando se completa el circuito en el secundario, por medio de una carga, este

oltaje hace que la corriente fluya. El voltaje puede ser aumentado ó reducido,

ependiendo del número de vueltas en el primario y en el secundario.

a habilidad del transformador para

ansferir potencia de un circuito a otro es

xcelente. Para aplicaciones industriales,

s pérdidas de potencia son

espreciables.

os arrollamientos de alambre, llamados

evanados, están colocados alrededor del

úcleo. Cada devanado está aislado

léctricamente del otro. Las terminales

stán marcadas de acuerdo al Voltaje: H

dica el voltaje más alto y X indica el voltaje más bajo. La Figura 1.34.3, muestra

jemplos de esto.

dicionalmente H1 y X1, indican Polaridad. Debido a que la CA cambia

onstantemente de polaridad, la H1 y la X1,

dican que la polaridad en esas terminales. Es

éntica durante el mismo instante de tiempo. En

l momento en que en H1 la corriente se mueve

una dirección dada, la corriente inducida en

ista A).

X1 están posicionados

iagonalmente, se forma una condición llamada

esquemáticos típicos para transformadores. La vista A, muestra el símbolo para un

v

d

L

tr

e

la

d

D

D

n

e

e

in

e

A

c

in

id

e

en

X1 se está moviendo en la misma dirección.

Cuando H1 y X1 están colocados directamente

opuestos, se forma una condición conocida

como “Polaridad Substractiva” (Figura 1.34.3,

v

Cuando H1 y

d

“Polaridad Aditiva” (Figura 1.34.3, vista B).

La Figura 1.34.4, muestra los símbolos

Fig. 1.34.2 Acción transformadora

Fig. 1.34.3 Polaridad de los Transformadores

324

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación transformador con núcleo de aire. Las vistas B y C, muestran los símbolos para

transformadores con núcleo de hierro. Las barras dibujadas entre los evanados

cionales en los devanados del

ansformador, en

xtremos de estos.

nes

dicionales se llaman

circuitos de control, bobinas de arrancadores magnéticos,

s monofásicos, con voltajes primarios de 600 ó 480 Volts y voltajes

ilizan

Trans r

10 KVA KVA y con voltajes primarios de 600 y 480 Volts y voltajes

secun a ipos de

perfo c

ventilaci os de instalación exterior en la PCR, están alojados en gabinetes

simbolizan el núcleo de hierro

Frecuentemente se hacen conexiones adi

tr

puntos diferentes a los

e

Estas conexio

a

Derivaciones. Cuando

una derivación está

conectada al centro de

un devanado, se llama

Derivación Central. La Fig. 1.34.4 Simbolos de los Transformadores

Figura 1.34.4, vista C, muestra la representación esquemática de un transformador

de núcleo de hierro con derivación central.

Características de los transformadores

En Los equipos de perforación se usan varias clases de transformadores, se usan

pequeños transformadores llamados Transformadores de Control, para suministrar

los voltajes requeridos en

luces indicadoras, etc. Estos transformadores son generalmente de capacidades de

potencia bajas, que oscilan entre 50 VA y 5 KVA. En su mayoría se trata de

transformadore

secundarios de 120 Volts. Para suministrar energía a las cargas grandes, se ut

fo madores de Potencia, generalmente trifásicos, con potencias que van desde

, hasta 750

d rios de 480 220/127 volts. Los transformadores utilizados en los equ

ra ión son de los llamados Tipo Seco, su sistema de enfriamiento es por

ón natural, l

325

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación a pru

sus bobinas están montadas en un núcleo Acorazado (Figura 1.34.6)

struyan y reduzcan la ventilación

esión de aire.

ales de los cables de conexión y las

mador, para evitar falsos contactos y

conexiones de un transformador, en

eba de goteo (Figura 1.34.5) Los devanados son generalmente de aluminio y

Fig. 1.34.5 Transformadores secos Fig. 1.34.6 Núcleo de Transformador

Mantenimiento de los transformadores

Las actividades de mantenimiento que se ejecutan en los Transformadores., deberán

ajustarse a las “Cartas de Mantenimiento” establecidas en los procedimientos y de

acuerdo al programa calendarizado de mantenimiento.

Debe vigilarse que el gabinete que protege el motor se encuentre en buenas

condiciones, y que las rejillas de ventilación no se ob

y enfriamiento.

Deben mantenerse los embobinados libres de polvo o materias extrañas, efectuando

limpieza con solventes autorizados, los cuales se pueden aplicar por pr

Debe mantenerse el apriete entre las termin

terminales de los devanados del transfor

calentamiento.

En la Figura 1.34.7, se muestra el diagrama de

al cual se observan las derivaciones (Taps) de ajuste de Voltaje.

326

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Fig. 1.34.7 Diagrama de conexiones de un Transformador

Maquinas de soldar

Clasificación de las maquinas de soldar

Las máquinas de soldar

grandes grupos que

utilizadas en los equipos de perforación se clasifican en dos

son: Máquinas de Soldar Rotatorias (Figura 1.34.8) y Máquinas

34.9). de Soldar Estáticas. (Figura 1.

327

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Descripción de las maquinas de soldar

Maquinas de Soldar Rotatorias.- Las maquinas de soldar rotatorias tienen dos

componentes principales, la máquina de soldar en sí, y el motor que le suministra la

potencia motriz. El motor puede ser un motor eléctrico ó un motor de combustión

interna. La potencia de estos motores varía entre 15 y 40 HP, dependiendo de la

capacidad de la máquina.

La máquina de soldar rotatoria, a su vez está formada de dos partes: Un generador

de corriente directa de capacidad grande, que es el que suministra la energía

eléctrica requerida para el proceso de soldar, y un generador de corriente directa

más pequeño (excitador), que es el que suministra corriente al campo del generador

principal, ambos generadores están montados sobre la misma flecha y giran al

mismo tiempo.

Máquinas de Soldar Estáticas.- Las máquinas de soldar estáticas están formadas de

dos componentes principales: Un Transformador Reductor y un Rectificador. El

transformador suministra el voltaje de Corriente Alterna necesario para el proceso de

soldadura, y el Rectificador convierte la Corriente Alterna en Corriente Directa. El

Fig. 1.34.8 Maquina de soldar rotatoria Fig. 1.34.9 Maquina de soldar estatica

328

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación conjunto de transformador y rectificador, está alojado en un gabinete para su

protección y está provisto de un ventilador eléctrico, para extraer el calor generado

del trabajo, llamada Electrodo.

La fusión se obtiene al elevar la temperatura del electrodo y del trabajo por medio de

la circulación de una corriente eléctrica de gran intensidad, en forma de un arco

eléctrico. Al fundirse los metales del electrodo y del

trabajo, forman una aleación, dando como resultado una mezcla homogénea de

ambos metales y obteniendo en la unión un material con características muy

parecidas al las del trabajo.

El voltaje necesario para producir esa corriente de alta intensidad lo suministra la

máquina de soldar.

Para iniciar el arco y lograr la alta temperatura que requiere el metal para fundirse, se

necesita aplicar un voltaje elevado entre el trabajo y el electrodo y poner en contacto

éstos, lo cual prácticamente es lo que en electricidad se conoce como

en los componentes de la soldadora durante su operación. El rectificador puede ser

únicamente un puente de Diodos, o puede ser un puente de Rectificadores

Controlados de Silicio (SCR´S). En éste último caso, debe disponerse de un circuito

de control electrónico para manejar la operación de los SCR´S.

Las Figuras 1.34.10 y 1.34.11, muestran el diagrama desplegado y el diagrama

esquemático de una máquina de soldar marca “Lincoln”, modelo Idealarc R3R,

utilizados en maquinas de 300, 400 y 500 Amperes de capacidad.

Principio de operación de las maquinas de soldar

El proceso de soldar se sustenta en la fusión de dos metales, el del material que se

va a soldar, generalmente llamado Trabajo, y el de una varilla de material similar al

Corto-circuito,

i este voltaje se mantuviera en forma permanente, el valor de la corriente crecería a

que una vez establecido el arco, el valor

el voltaje entre el electrodo y el trabajo se reduzca, y el valor de la corriente en

forma de arco se mantenga.

s

un valor muy alto, por lo que es necesario

d

329

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Por lo anterior, el diseño de la máquina de soldar debe hacerse de tal manera que

tenga la capacidad de proporcionar un voltaje relativamente elevado para iniciar el

arco, y una vez iniciado el arco, reducir el voltaje al valor suficiente para mantener el

recta con sus devanados conectados en una conexión llamada

el proceso de soldar.

aracterísticas de las maquinas de soldar

as máquinas de soldar instaladas en los equipos de perforación, generalmente

tienen una capacidad de 300-400 Amperes de Corriente Directa, disponibles para

los trabajos de soldadura.

Su alimentación es un voltaje trifásico de 480 Volts.

La aplicación del voltaje al trabajo y al electrodo se hace por medio de cable muy

flexible, denominado Cable Porta-electrodo, el calibre de este cable debe ser lo

suficientemente grueso para conducir la elevada corriente que se requiere para

soldar, generalmente es 2/0 (Dos ceros) y se utilizan dos cables, uno que se conecta

por medio de una pinza al trabajo y que se conoce como “cable de Tierra” y otro que

se conecta al maneral que utiliza el soldador para sujetar el electrodo.

Es muy importante que el soldador utilice los dos cables, y que se evite la práctica de

utilizar estructuras metálicas del equipo para sustituir el cable de tierra, ya que esto

puede originar que la corriente tome trayectorias a través de componentes tales

como cables de interconexión o la trama metálica de mangueras, lo que puede

ocasionar accidentes y daño a los componentes del equipo.

arco y la fusión del metal.

En las máquinas de soldar rotatorias, este requisito se cumple utilizando generadores

de corriente di

Compound Diferencial.

En las máquinas de soldar estáticas, se utilizan Reactores, para cumplir esta función

cuando se utilizan únicamente diodos para rectificar la corriente alterna. Cuando se

utilizan SCR´S, el circuito electrónico de control efectúa el ajuste requerido en el

voltaje al iniciar

Durante el proceso de la soldadura, se conecta el positivo de la soldadora al

electrodo y el negativo de la soldadora al trabajo.

C

L

330

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Mantenimiento de las maquinas de soldar

as actividades de mantenimiento que se ejecutan en Máquinas de Soldar., deberán

establecidas en los procedimientos y de

cuerdo al programa calendarizado de mantenimiento.

l mantenimiento de Generadores de Corriente

irecta mencionadas en el Capítulo 3. Adicionalmente se deberá asegurar el apriete

e las conexiones en la caja de control.

áquinas de Soldar Estáticas.- Como uno de los componentes principales de las

máquinas de soldar estáticas es un transformador, se aplicarán las recomendaciones

relacionadas con el mantenimiento de Transformadores mencionadas en el Capítulo

correspondiente. Adicionalmente, deberá asegurarse el apriete de conexiones, y la

operación del ventilador de enfriamiento de la máquina.

L

ajustarse a las “Cartas de Mantenimiento”

a

Máquinas de soldar rotatorias.- Como las máquinas de soldar rotatorias están

compuestas de dos generadores de Corriente Directa, se aplicarán las

recomendaciones relacionadas con e

D

d

M

331

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Fig. 1.34.10 Desplegado de una máquina de soldar estática

332

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Fig. 1.34.11 Diagrama esquemático de una máquina de soldar

333

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Centro de control de motores (mcc) Descripción del centro de control de motores

El Centro de Control de Motores (MCC por sus

iniciales en inglés), es un gabinete que de forma

modular, aloja los interruptores, arrancadores

magnéticos y dispositivos de control y mando,

requeridos para conectar y desconectar los

motores eléctricos y cargas eléctricas de

Corriente Alterna, utilizados en los equipos de

perforación, así como los conductores de

por

s barras, conectores y cables necesarios para

es están montados en sub-conjuntos

el voltaje trifásico entre las

diferentes secciones, que forman el MCC. (Figura 1.34.13). Espaciadas a lo largo de

las cubiertas aislantes de las barras

interconexión, los cuales están constituidos

la

efectuar tal fin.(Figura 1.34.12).

Principio de operación del mcc Fig. 1.34.12 Gabinete MCC

El principio de operación del MCC, se sustenta en su construcción de secciones

verticales, a través de las cuales están colocadas unas barras conductoras en la

parte posterior del gabinete, estas barras permiten conectar los conjuntos de

interruptores y arrancadores, los cual

desmontables. Estas barras están protegidas por una cubierta acanalada de material

aislante (glastic).

Dependiendo de las necesidades de la instalación, se pueden utilizar tantas

secciones como se requiera, interconectando las barras verticales de cada sección

con un juego de barras horizontales, que distribuyen

334

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación verticales se encuentran dispuestas unas aberturas, para permitir que los conectores

colocados en la parte posterior de los sub-conjuntos hagan contacto con las

barras.(Figura 1.34.14)

Características del mcc

Cada sección vertical del MCC, mide 20 ó 24 pulgadas de ancho por 90 pulgadas de

altura y puede tener 13, 20 ó 22 pulgadas de fondo, dependiendo del modelo. Cada

sección tiene un compartimiento inferior de 6 pulgadas y un compartimiento superior

de 12 pulgadas para alojar los conductores del alambrado. Cada sección vertical

tiene un compartimiento que se extiende en toda su longitud, provista de una tapa

embisagrada, para contener el alambrado.

Las barra principales horizontales se localizan en la parte superior y son accesibles

abriendo el panel aislador.

Las barras verticales, que pueden ser de 350, 450 ó 600 Amperes, están atornilladas

las barras principales horizontales.

Fig. 1.34.13 Sección de MCC

Fig. 1.34.14 Barras Verticales de MCC

a

335

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Tanto las barras horizontales, como las verticales, están construidas de cobre y

recubiertas con una película de plata, para evitar la corrosión y mejorar la

conducción.

Los sub-conjuntos, pueden tener alturas de 6, 12, 18, 24, 30, 36, 42 ó 48 pulgadas.

(Figuras 1.34.15 y 1.34.16)

Cada sub-conjunto puede alojar un interruptor solamente ó una combinación de

interruptor, arrancador y componentes de control, el tamaño y la cantidad de

componentes del conjunto, determina su altura

Los subconjuntos se interconectan a las barras y a los conductores del control y la

carga, por medio de conectores de desconexión rápida, los cuales por medio de

mordazas, establecen la conexión entre ellos.

Mantenimiento del mcc

Las actividades de mantenimiento que se ejecutan en los Centros de Control de

Motores (MCC), deberán ajustarse a las “Cartas de Mantenimiento” establecidas en

los procedimientos y de acuerdo al programa calendarizado de mantenimiento, estas

actividades incluirán lo siguiente:

Fig. 1.34.15 Sub-conjunto Fig. 1.34.16 Sub-conjunto

336

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

337

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

337

Deberá mantenerse limpio de polvo y materias extrañas el interior del gabinete y sus

componentes.

Deberán mantenerse apretados los tornillos de los empalmes de las barras

Deberán mantenerse en buenas condiciones las mordazas de contacto de los

conectores de desconexión rápida.

Deberán mantenerse en buenas condiciones los botones de operación de los

dispositivos.

Deberán mantenerse en buenas condiciones las bisagras y los enclaves mecánicos

de los sub-conjuntos.

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Arrancadores magnéticos Clasificación de los arrancadores magnéticos

Los arrancadores magnéticos, son dispositivos elé

desconectar motores eléctricos a su suministro de

de arrancadores, como son: a tensión plena; a te

reversibles, etc.

Los arrancadores magnéticos usados en los equipo

arranque a tensión plena, no reversibles.

Descripción del arrancador magnético

Los requerimientos de corriente de los motores v

Adicionalmente, la corriente de a

ctricos utilizados para conectar y

nsión reducida; reversibles; no

s de perforación son del tipo de

arían ampliamente con la carga.

rranque excede la corriente de operación normal.

Cómo puede protegerse el motor contra las corrientes excesivas que se salen de

al y mantenerlo protegido de los pequeños

s ?.

ue por cada Grado Centígrado de incremento de la temperatura

rando, el motor no se detiene

inmediatamente. La operación de motores trifásicos sin una de las fases, constituye

energía. Existen diferentes tipos

¿

los valores de operación norm

incrementos de corriente que ocurran durante períodos prolongado

Los fusibles tienen varias desventajas al proteger los motores. Si se usa un fusible

para proteger su rango de corriente a plena carga, entonces el fusible se fundirá

durante el arranque. Un fusible seleccionado para soportar la corriente de arranque,

no protegería al motor contra corrientes menores que las de arranque pero mayores

que la de operación normal a plena carga.

Se ha estimado q

sobre el rango de operación de los aislamientos, se reduce la vida útil de un motor en

un año. La corriente genera calor, y el calor destruye el aislamiento de los motores.

En el pasado se utilizaron fusibles con retardo de tiempo. Sin embargo, se presenta

otro problema al usar tres fusibles para la protección de un motor trifásico. Si uno de

los tres fusibles se funde cuando el motor está ope

338

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación una condición monofásica. El motor trifásico no puede funcionar en condición

monofásica sin sufrir daño interno. Esto no se hace evidente sino hasta que el daño

ocurrido en el motor es irreparable. Por lo tanto, el fusible no es la respuesta para

proteger motores trifásicos.

Arrancadores Magnéticos Para Motores

El arrancador magnético es un contactor magnético con un dispositivo de protección

térmica (Figura 1.34.17). A diferencia del fusible, el arrancador magnético no requiere

ser reemplazado. Puede restablecerse repetidamente.

to de potencia desde el

representan la potencia trifásica de alta

actos están en serie con las fases de las

es T1, T2 y T3 del motor. Cuando los

Circuitos de Motores

Figura 1.34.17 Relevadores de sobrecarga

Los motores que demandan corrientes grandes, usan dos circuitos para su

operación. Un circuito es la fuente trifásica suministrada por el tablero de distribución.

El otro circuito es el Circuito de Control.

La Figura 1.34.18, muestra el arrancador magnético y el circui

tablero de distribución. Las líneas gruesas

corriente suministrada al motor.

En el interior del arrancador magnético, directamente bajo la bobina, están los tres

juegos de contactos principales, estos cont

terminales A, B y C del tablero y las terminal

339

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación contactos cierran, la corriente que proviene del tablero de distribución puede operar

el motor. Este es un circuito.

El otro circuito, controla el movimiento de los tres contactos principales antes

1.34.19,

uestra el circuito de control real en

el que está la bobina. M, representa

la bobina.

La bobina se alimenta con una

fase tomada de las terminales A y B

del arrancador magnético, (también

conocidas como terminales L1 y

L2). En la Figura 1.34.19, se

muestran dos bobinas M: una está

en la posición física real, en el

arrancador, y la otra en el diagrama

e línea para explicar su función

léctricamente. En realidad, sólo

onocida como armadura, que está en

ontacto físico con el juego de contactos principales. La Figura 1.34.20, ilustra esta

os contactos principales se mantienen abiertos por la acción de un resorte (Figura

mencionados. La bobina en Figura 1.34.18, es la que en realidad mueve los

contactos. La Figura

m

d

e

hay una bobina M., Lo mismo se

aplica la los contactos Normalmente

Cerrados (NC) del relevador de sobrecarga.

Figura 1.34.18 Arrancador Magnético

Cuando se oprime el botón de Arranque se completa un circuito, desde la fase A,

pasando por la bobina M y los contactos de sobrecarga (NC), hasta la fase B. Al

energizarse la bobina M, mueve una barra, c

c

acción.

L

1.34.20 vista A). Cuando la bobina se energiza, la atracción magnética entre la

armadura y el campo de la bobina, supera al resorte, y los contactos principales se

cierran (Figura 1.34.20, vista B). El motor se pone en operación.

340

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Cuando la corriente en el motor es demasiado grande, los calefactores de

sobrecarga se calientan. Los calefactores están en serie con las terminales del motor

los contactos principales. Los

alefactores controlan directamente lo

ue sucede con los contactos NC del

levador de sobrecarga en el circuito

e control.

uandoloscalefactores llegan a estar

uy calientes, los contactos de

obrecarga abren, y la bobina M se

esenergiza. La pérdida del campo

agnético en la bobina, permite que la

cción del resorte abra los tres

ontactos principales que están en serie

on el motor y el motor detiene su

peración. El riesgo de la operación

Figura 1.34.19 Arrancador Magnético

Figura 1.34.20 Operación de la bobina

y

c

q

re

d

C

m

s

d

m

a

c

c

o

341

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación monofásica se ha evitado.

positivo de protección térmica, es que se requiere

sperar a que se enfríe antes de restablecerlo. La Figura 1.34.21, muestra un

do de la protección térmica.

Una desventaja menor del dis

e

arrancador magnético para motor, visto desde el la

Operación del calefactor y el contacto NC de sobrecarga

Figura 1.34.21 Relevador Térmico

Los relevadores de protección térmica comunes, utilizan bobinas calefactoras

(elementos térmicos), en serie con los

contactos principales y los devanados de

estator del motor. La corriente que circula

hacia el motor pasa a través de los

calefactores primero. Estas bobinas

rodean un cilindro relleno de una aleación

de soldadura de bajo punto de fusión. La

característica de la soldadura de bajo

punto de fusión, es que pasa de estado

sólido a líquido al calentarse y regresa a

sólido al enfriarse, sin perder sus Figura 1.34.22 Elemento Térmico

342

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación propiedades.

La soldadura solidificada, sostiene firmemente en su lugar, una rueda dentada y un

perno (Figura 1.34.22). La rueda dentada está sometida a tensión, y mantiene un

juego de contactos cerrados. Estos contactos tienen la habilidad de interrumpir el

ircuito de la bobina, la cual abre ó cierra los contactos principales. Cuando la bobina

Los contactos principales no

uministran más potencia al motor y el motor se detiene. (Figura 1.34.23).

corriente circule por los calefactores, más rápido se calentarán éstos. Cuando el

n, esto desenergiza la bobina

abre los contactos principales, desconectando el motor de la línea.

c

se desenergiza, los contactos principales se abren.

s

El relevador térmico de sobrecarga, efectivamente monitorea la corriente del motor,

desarrollando una temperatura comparativa en las bobinas calefactoras. Entre más

contactos del circuito de control del arrancador se abre

motor arranca por primera vez, el calor generado por la alta corriente de arranque es

disipada rápidamente por las bobinas calefactoras y la operación del motor no se

interrumpe. Sin embargo si esta alta corriente se mantuviera por más tiempo, los

contactos abrirían y el motor se detendría.

Si existe una condición de pequeña sobre-corriente, los calefactores se calentarán lo

suficiente como para fundir la aleación, pero esto tomará más tiempo. Una vez que

se ha generado suficiente calor en los calefactores y la aleación se funde el conjunto

de rueda dentada y perno se mueven por la acción de un resorte, como resultado, los

y

Figura 1.34.23 Operación del relevador térmico

343

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Nótese en la Figura 1.34.24, que los contactos de sobrecarga no están en la línea

térmico está determinada por la selección del

oras, se puede obtener una variedad de

be estar basado en la corriente a plena carga del motor.

bricante de arrancadores magnéticos tiene guías de selección de

Estas guías son muy fáciles de aplicar.

de alimentación del motor. Ellos están en el circuito de control que opera los

contactos principales.

La protección ofrecida por el dispositivo

calefactor.

Usando diferentes bobinas calefact

protecciones. Esto de

También debe considerarse la

temperatura del ambiente que

rodea al motor. El calor y la

corriente tienen el mismo efecto

destructivo sobre el equipo

eléctrico. Los componentes

eléctricos están sometidos a

diferentes temperaturas según su

ubicación en el equipo. De la

misma manera, el tablero que aloja

los arrancadores, debe estar en la

misma área de los motores que

protege. Únicamente de esta

manera el calefactor será

afectado por la misma temperatura ambiente que los devanados del motor. Si eso no

sucede, se debe tomar en cuenta la diferencia de temperaturas entre el ambiente del

motor y el ambiente del arrancador, al hacer la selección de calefactores.

Cada fa

Figura 1.34.24 Circuito de protección

calefactores específicas y la suministra con el equipo. Los arrancadores magnéticos

se acompañan de cartas de selección, debido a que los arrancadores se venden sin

calefactores. Cada calefactor debe seleccionarse, tomando en cuenta la corriente a

plena carga y la temperatura ambiente.

344

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

345

Otro tipo de relevador de protección térmica, basa su principio en el hecho de que si

se remachan juntas dos placas de metales diferentes, al calentarse se deforman

flexionándose, debido a los diferentes coeficientes de expansión por temperatura. A

. La Tabla 1.34.1, da las capacidades máximas en H.P. que puede manejar cada

RRANCADORES MAGNETICOS

este dispositivo se le llama Barra Bi-metálica. En estos relevadores, la bobina

calefactora (elemento térmico), ejerce su efecto sobre la barra bi-metálica, la cual en

posición normal mantiene el contacto del relevador térmico normalmente cerrado. Al

ocurrir una sobre-carga, la barra bi-metálica se flexiona, abriendo el contacto de

sobrecarga y desconectando el motor.

Características de los arrancadores magnéticos

Los arrancadores magnéticos están clasificados según la capacidad de los motores

que pueden controlar, de acuerdo a las normas NEMA, por Tamaño. Los tamaños de

los arrancadores magnéticos a pleno voltaje, van desde el Tamaño cero hasta

tamaño siete. En los equipos de perforación, se utilizan arrancadores hasta tamaño

4

tamaño a diferentes voltajes.

CAPACIDAD EN H.P. DE LOS A

H.P. MAXIMOS TAMAÑO

NEMA 110 VOLTS 208/220 VOLTS 460/600 VOLTS

0 2 3 5

1 3 7 ½ 10

2 7 ½ 15 25

3 15 30 50

4 25 50 100

Tabla 1.34.1 Capacidad de arrancadores

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Mantenimiento de los arrancadores magnéticos

Las actividades de mantenimiento que se ejecutan en los Arrancadores Magnéticos,

eberán ajustarse a las “Cartas de Mantenimiento” establecidas en los

d

procedimientos y de acuerdo al programa calendarizado de mantenimiento, estas

actividades incluirán lo siguiente:

Asegurarse que las superficies de contacto de los contactos móviles y estacionarios

estén libres de irregularidades que impidan el buen contacto.

Asegurarse que los tornillos de las terminales de conexiones se mantengan

apretados.

Asegurarse de mantener limpio de oxidación el entre-hierro del núcleo magnético,

para evitar calentamiento del mismo.

346

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

1.35.- Conceptos de mantenimiento eléctrico

Las actividades de mantenimiento ejecutadas en las unidades de cualquier

instalación, tienen primordialmente el objetivo de evitar interrupciones en los

procesos productivos, originadas por unidades que tengan que sacarse de operación

por alguna causa no deseada o no prevista.

Por lo general, el mantenimiento aplicado a las unidades se basa en el cumplimiento

de un programa, que se emite con una frecuencia variable especificada en horas o

en días, pudiendo ser en éste último caso semanal, mensual ó anual.

En el programa se establecen las actividades de mantenimiento, así como la periodicidad o frecuencia con la que se aplican. Las actividades de mantenimiento que se van a realizar, se clasifican en diferentes

maneras, por ejemplo: Mantenimiento Mayor, Mantenimiento Menor, Lubricación, etc.

Características del servicio que presta la unidad.

Tiempo que permanece en servicio la unidad.

Condiciones del medio ambiente que rodean la unidad.

Recomendaciones del fabricante.

Experiencia adquirida durante la ejecución de los programas.

Cualquier otra información obtenida de libros, manuales, etc.

Tomando como base el Programa Calendarizado Anual, se elabora el Programa

Semanal, y de acuerdo a éste se emiten las Ordenes de Trabajo correspondientes a

ada en ese programa.

dependiendo de la complejidad y la frecuencia de la aplicación.

La relación detallada de las actividades de mantenimiento cualquiera que sea su

clasificación, se encuentra en las Cartas de Mantenimiento, y éstas a su vez forman

parte del Manual de Procedimientos.

Tanto la frecuencia de aplicación, como las actividades a ejecutar, se especifican

tomando en cuenta factores como son los siguientes:

cada unidad consider

347

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

2. MANTENIMIENTO III 2.1.- Llenado de formatos de mantenimiento eléctrico

os de la orden de trabajo tienen particular importancia, ya que la

no ejecutadas.

ento para cada unidad.

tica.

iales utilizados.

obra utilizada

vidente, que la utilidad de la información

de Trabajo, será mayor en cuanto esté mas

iento

ra la vista frontal (Figura 2.2.1) y el reverso

jo, en la cual hay los espacios

Los format

información que contienen es de utilidad para diferentes conceptos como son:

Registro del cumplimiento o incumplimiento del programa.

Re-programación de actividades

Registro histórico del mantenimi

Registro de información estadís

Registro del costo del los mater

Registro del costo de la mano de

Considerando lo anterior, se hace e

contenida en el formato de la Orden

completa y sea verídica.

2.2.- Orden de trabajo de mantenim

En las páginas siguientes se muest

(Figura 2.2.2) del formato de una orden de traba

suficientes para anotar la información necesaria, relacionada con los datos del

equipo, de la unidad, de los materiales utilizados, del tiempo de ejecución y los

nombres y categorías del personal que la ejecuta.

También se detallan las precauciones que se tienen que tomar, para cumplir con la

Normatividad relacionada con la Seguridad Industrial, así como con todos los

aspectos ecológicos relacionados con la protección al entorno.

348

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

349

Figura 2.2.1 Formato de Orden de Trabajo

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

350

Figura 2.2.2 Formato de Orden de Trabajo

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación 2.3.- Aplicación de una orden de trabajo de mantenimiento

ada semana, se emiten las Ordenes de trabajo para las unidades comprendidas en

disponible la Carta de Mantenimiento

imiento en una

Cuand deberán registrarse, ya que

esta información sirve de apoyo para los registros estadísticos.

Una ve nimiento lo entrega al

Superv ectúa los registros correspondientes, para

hacerlo

C

ese período en el Programa Calendarizado.

Estas Ordenes, se entregan al Encargado de Mantenimiento Eléctrico, quien es el

responsable de la ejecución de la misma.

Para ejecutar la orden, se requiere tener

correspondiente. También se requiere tener disponibles los materiales, herramientas,

equipos e instrumentos recomendados.

En la Carta de Mantenimiento se detallan las actividades de manten

secuencia lógica para su ejecución. Cuando el caso los requiere, se dan los valores

de parámetros a medir, comprobar y registar, como pueden ser:

Valores de Voltaje.

Valores de Corriente.

Valores de Resistencias de Aislamiento.

Valores de Temperatura.

Dimensiones Máximas ó Mínimas.

Presiones.

Tolerancias.

Valores de Torsión (Torque)

o así lo requiera la Orden, los valores solicitados

z llenado el formato de la Orden, el Encargado de Mante

isor de Mantenimiento, quien ef

llegar al Encargado de Rama.

351

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

3.-METROLOGÍA DIMENSIONAL

” fue

des r

La i 000 de la cuarta parte de un

me ia unidad de volumen fue

un b litro.

La , o sea, el estándar de masa;

es c construyeron barras y pesas

tálicas, conforme a estas prescripciones, para el metro y el kilogramo. Se

hos años se definió como el volumen de un kilogramo de

gua a la temperatura de su máxima densidad 4°C y bajo una presión de 76 cm de

metro cúbico.

n 1866, el congreso de Estados Unidos reconoció formalmente las unidades

:

yd = 0.9144 m, por lo que 1 pulg. = 25.4 mm exactamente y 1lb = 0.453 592 37

Kg, o bien, 1lb = 453.59 g (aproximadamente).En 1960 en la décima primera

3.1.- Breve historia de la metrología

Se considera que el primer sistema de medición “SISTEMA METRICO

ar ollado en Francia en el año 1800.

un dad de longitud se tomo como igual a 1/10 000

rid no (polo norte al ecuador) y se le denominó metro. La

cu o de 1/10 de metro por lado llamado

masa de agua que llena este cubo fue el kilogramode ir, 1 litro de agua = 1 kilogramo de masa. Se

me

seleccionaron una barra y una pesa para que fueran las representaciones primarias.

En la actualidad el kilogramo y el metro se definen de manera independiente y el litro

aún cuando durante muc

a

mercurio, ahora se considera igual a un decí

E

métricas como un sistema legal y en consecuencia permitía su aplicación en Estados

Unidos.

En 1893 los Estados Unidos fijaron los valores de la yarda y de la libra en términos

del metro y del kilogramo, respectivamente como, 1 yarda = 3600/3937 m, y 1

libra = 0.453 592 4277 Kg.

En 1959, por acuerdo entre los laboratorios nacionales de normas de las naciones de

habla inglesa, las relaciones que se aplican en la actualidad son

1

352

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

353

353

Conferencia General Internacional Sobre Pesas y Medidas redefinió y amplio el

sistema, con el fin de incluir otras unidades físicas y de ingeniería.

A este ampliado se le dio el nombre de SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES

(SIU)

El Sistema Internacional consta de siete unidades básicas, dos unidades

suplementarias, un conjunto de unidades derivadas, coherentes con las básicas y las

suplementarias, y un conjunto de prefijos aprobados para la formación de múltiplos y

submúltiplos de las diversas unidades

Actualmente, la mayoría de los países del mundo, tienden a unificar sus

sistemas de unidades y tratan de adoptar el Sistema Internacional de Unidades (SI).

Desgraciadamente, las medidas del SI no han sido totalmente adoptadas en

muchas aplicaciones industriales por el alto costo que esto significa.

En Estados Unidos, no obstante que el sistema internacional de unidades tiene

avance, todavía se utiliza en un gran porcentaje de industrias el sistema antiguo

de unidades (USCS), por esta razón, conviene estar familiarizado tanto con el

sistema internacional de unidades como con el sistema de unidades en Estados

Unidos (USCS).

3.2.- Equivalencias en el sistema inglés Sistemas de unidades: Un sistema de unidades está formado por dos tipos de unidades: unidades

fundamentales y unidades derivadas.

Son unidades fundamentales o unidades básicas, las que sirven como base para

formar un sistema de unidades.

Unidades derivadas, son aquellas que están formadas por dos o más unidades

básicas.

Actualmente se conocen seis sistemas de unidades: tres sistemas absolutos y tres

gravitacionales.

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

354

Sistemas absolutos de unidades:

Los sistemas absolutos, tienen como unidades fundamentales, las de longitud,

masa y tiempo:

1.- MKS absoluto; Metro, Kilogramo, segundo, m/s, m/s2; (m) (Kg) (s)

2.- cgs absoluto; centímetro, gramo, segundo, cm/s, cm/s2; (cm) (g) (s)

3.- Sistema Inglés absoluto; pie, libra, segundo, ft/s, ft/s2; (ft) (lb) (s)

Unidades derivadas del sistema MKS absoluto:

Fuerza………………………….. Newton (N), Kg . m/s2

Energía……….......................... Joule (J), N . m

Potencia……………………….. Watt (W), J/s

Presión……………………….… Pascal (Pa), N/m2

Unidades derivadas del sistema cgs absoluto:

Fuerza…………………………..…... Dina cm.g/s2

Energía…………………………..……Ergio Dina.cm.

Potencia…………………………..…. Ergio/s

Unidades derivadas del sistema Inglés absoluto:

Fuerza……………………..………… Poundal lb.ft/s2

Velocidad……………………………. ft/s

Aceleración…………………………. ft/s2

Sistemas de unidades gravitacionales:

Los sistemas de unidades gravitacionales tienen como unidades básicas o

fundamentales, las de longitud, fuerza y tiempo:

1.- MKS gravitacional; metro, Kilogramo, segundo; (m) fuerza ó (s) Kilopondio (Kgf)

2.- cgs gravitacional; centímetro, gramo fuerza, segundo; (cm) gf (s)

3.- Sistema Inglés gravitacional; pie, libra fuerza, segundo; (ft) (lbf) (s)

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Unidades derivadas de los sistemas gravitacionales:

asa (UTM); ( Kgf/m/s2 ) MKS

f; ft/s2

a está expresada en Kilogramos, gramos o

Sis

NOMBRE UNIDA SISTEMA

LES

SISTEMA

METRICO

SISTEMA

CGS

SISTEMA

INTERNACIONAL

(SI)

MKS gravitacional; Masa unidad técnica de m

cgs gravitacional; Masa unidad técnica de masa (UTM); (gf/cm./s2 ) cgs

Sistema Inglés gravitacional; Masa Slug, lb

Para interpretar correctamente las unidades de un sistema, al leer un libro, algún

escrito científico o problema, si la mas

libras, la fuerza en Newtons, Dinas o Poundals, se trata de sistemas absolutos. Si la

masa está expresada en UTM,o Slug, la fuerza en Kilogramos o libras, se trata de

sistemas gravitacionales.

temas de unidades

DES

ING

L g 1 pie 1 m 1 cm 1 m on itud L

M a 1 slug 1 kg 1 g 1 kg as M

F r ---- 1dina 1 N ue za F 1 lb

Tiempo T 1 s 1 s 1 s 1 s

Equivalencias en sistema inglés

Unidades de longitud

NOMBRE plg pie yd mm m Km

1 plg (in) = 1 0.08333 0.02778 25.4 0.0254 ----

1 pie (ft) = 12 1 0.333 304.8 0.3048 ----

1 yd = 36 3 1 914.4 0.9144 ----

1 mm = 0.03937 3281x10-6 1094x10-6 1 0.001 10-6

355

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

1 m = 39.37 3.281 1.094 1000 1 0.001

1 km = 39 370 3281 1094 10-6 1000 1

Unidades de área

NOMBRE plg2 pie2 yd2 cm2 dm2 m2

1 plg2 = 1 ---- ---- 6.452 0.06452 64.5x10-5

1 pie2 = 144 1 0.1111 929 9.29 0.0929

1 yd2 = 1296 9 1 8361 83.61 0.8361

1 cm2 = 0.155 ---- ---- 1 0.01 0.0001

1 dm = 15.5 0.1076 0.01196 100 1 0.01 2

1 m2 = 1550 10.76 1.196 10 000 100 1

Unidades de volumen

NOMBRE plg3 pie3 yd3 cm3 dm3 m3

1 plg3 = 1 ---- ---- 16.39 0.01639 ----

1 pie3 = 1728 1 0.037 28320 28.32 0.283

1 yd = 46 656 27 1 765400 ---- ---- 3

1 cm3 = 0.06102 3531X10-8 1.31X10-6 1 0.001 10-6

1 dm3 = 61.02 0.03531 0.00131 1000 1 0.001

1 m3 = 61023 3531 130.7 10-6 1000 1

Unidades de masa

NOMBRE dram oz lb g kg Mg

1 dram = 1 0.0625 0.003906 1.772 0.00177 ----

1 oz = 16 1 0.0625 28.35 0.02835 ----

1 lb = 256 16 1 453.6 0.4536 ----

356

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

1 g = 0.5644 0.03527 0.002205 1 0.001 10-6

1 kg = 564.4 35.27 2.205 1000 1 0.001

1 Mg = 564.4x103 35 270 2205 106 1000 1

Unidades de trabajo y energía

NOMBRE pie-lbf kgf-m J kW-h kcal Btu

1 pie-lbf = 1 0.1383 1.356 376.8x10-9 324x10-6 1.286x10-3

1 kgf-m = 7.233 1 9.807 2.725x10-6 2.344x10-

3

9.301x10-3

1 J = 0.7376 0.102 1 277.8x10-9 239x10-6 948.4x10-6

1 kW-h = 2.655x106 367.1x103 3.6x106 1 860 3413

1 kcal = 3.087x103 426.9 4187 1.163x10-3 1 3.968

1 Btu = 778.6 107.6 1055 293x10-6 0.252 1

Unidades de potencia

NOMBRE hp kgf-m/s W kW kcal/s Btu

1 hp = 1 76.04 745.7 0.7457 0.1782 0.7073

1 kgf- = 13.15x10- 3.6x106 9.807 9.807x10-3 2.344x10-

3

9.296x10-3

m/s 3

1 W = 1.341x10-

3

0.102 1 10-3 239x10-6 948.4x10-6

1 kW = 1.341 102 1000 1 0.239 0.9484

1 kcal/s = 5.614 426.9 4187 4.187 1 3.968

1 Btu = 1.415 107.6 1055 1.055 0.252 1

357

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

3.3.- Equivalencia en el sistema internacional (SIU)

Unidades básicas del sistema internacional de unidades (SIU): CLASE…….. ……......................…..UNIDAD…………….……....SIMBOLO

Longitud………..…….……….…....… Metro…………………………. m

M

asa……………........................... ....Kilogramo……………………. Kg

……………..…. s

………….. A

………………… K

……………………... cd

…………….. mol

…….……....SIMBOLO

……………. rad

n…………………….. sr

…....SIMBOLO 2

ión angular…... radián por segundo al cuadrado……………… rad/s2

drado………………………… m2

………………….. C A .s

apacidad calorífica especifica... joule por kilogramo-kelvin……….… J/(kg'K)

S A/V

I(m' K)

Tiempo……………….…………......... segundo……

Corriente eléctrica……………..…ampere (amperio)……

Temperatura Termodinámica………. Kelvin………

Intensidad luminosa……………….. candela…

Cantidad de sustancia……………….. mol……………

UNIDADES COMPLEMENTARIAS:

CLASE…….. ……......................…..UNIDAD………

Angulo plano……………………….... radián……………

Angulo sólido…………………… estereorradiá

UNIDADES DERIVADAS

CLASE…….. ……........................…..UNIDAD…………..……..…

Aceleración……..…..…. metro por segundo al cuadrado……………….. m/s

Acelerac

Área………………………………. metro cua

Cantidad de calor……………………. Joule………………………………. J N .m

Cantidad de electricidad…………. Coulomb…………

C

Capacitancia eléctrica……………… farad………………………………. F A's/V

Conductancia eléctrica…………… siemens……………………………...

Conductividad térmica………watt por metro-kelvin…………………… W

358

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación D

Potencia…………………………….. watt…………………

P

Trabajo…………………………….. joule………………………………… J N'm

Velocidad………………. metro por segundo…………………….………. m/s

ensidad………………. kilogramo por metro cúbico…………………… kg/m3

………………. W J/s

resión……………………………. pascal……………………………… Pa N/m2

idad angular………. radián por segundo………………………….. rad/s

ndo el pie, la libra y otras unidades se emplean en Estados

U S) i d n n

sistema internacional s (sist ).

Así, todas las mediciones están actualmente basadas en los mismos estándares.

Cuadro de comparación de unid

Magnitud……………….... Unidades del SI………………………… Unidades del USCS

L …… ………. ro (m) ………… ……… …… pie (ft)

asa……………………… Kilogramo (Kg)………………………………. slug (slug)

o (s)…………………………………. segundo (s)

… (peso) newton………………………………... (N) libra (lb)

Temperatura………………. kelvin (°K)……………………………….. grado Rankin (°R)

U r ia del si ern e des a ico con

respecto a los otros sistemas de unidades es el uso de

Veloc

Viscosidad cinemática….metro cuadrado por segundo………….……. m2/s

Viscosidad dinámica……… pascal-segundo……………………………. Pa's

Voltaje…………………………….. volt……………..………………………. V

Volumen……………………. metro cúbico………………………………... m3

No obstante que aun cua

nidos (USC , éstas han s do redefini as en térmi os de las u idades estándar del

de unidade ema métrico

ades del SI y del USCS

ongitud… …… met …… …… ……

M

Tiempo……………………. segund

Fuerza…………………

na ventaja p op stema int acional d unida o sistem métr

359

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación M s m s pa ades

Múltiplos Y Submúltiplos De Las Unidades

últiplos y ub últiplo ra unid del SI

Prefijo Símbolo Factor de multiplicación

tera T 1012 Ó 1 000 000 000 000

giga G 109 1 00 000 0 000

mega M 106 1 000 000

hectolit hk 105 100 0 ro 00

miri a 104 10 000 a m

kilo k 03 11 000

hec h 102 1to 00

deca da 10 10

1 ---------- 1 --- ------------- unidad

deci d 10-1 Ó 0.1

centi c 10-2 0.01

mili m 10-3 0.001

decimil 10-4 0i dm .0001

cen i 0 00 01 tim li cm 10-5 .0

micro µ -6 010 .000 001

nano n 10-9 0.000 000 001

pico m 10-12 0.000 000 000 001

Definiciones: El metro.- La unidad estándar para la longitud, el “metro” (m), fue originalmente

definida como la diezmillonésima parte del cuadrante del meridiano terrestre que

pasa por París. Por razones prácticas esta distancia fue plasmada en una barra

de platino iridiado. En 1960, se cambió el estándar para permitir el acceso de una

360

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación medida más precisa del metro. Actualmente el metro se define Así:

Un metro es la longitud exacta de 1,650,763.73 longitudes de onda de la

luz roja anaranjada del kriptón-86.

El kilogramo.- Es la unidad de masa llamada kilogramo-patrón y es un cilindro de

platino iridiado que se conserva en la oficina internacional de pesas y medidas en

Francia.

El segundo.- La unidad básica del tiempo es “el segundo”. Anteriormente se

definía al segundo como la 1/86,400 ava parte del día solar medio. Actualmente se

define como el tiempo que tardan en producirse exactamente una frecuencia

de 9 192 631 770 vibraciones de los átomos de cesio.

a de en istema a Ne

define como la fuerza no equilibrada que comunica a 1 Kg una aceleración de 1 m/s2.

1N = 1 Kg . m/s

Equivalencias más comunes.

A continuación se dan algunas definiciones útiles, donde los símbolos de las

unidades están entre paréntesis:

1 metro (m) = 1000 milímetros (mm)

1 metro (m) = 100 centímetros (cm)

1 kilómetro (Km) = 1000 metros (m)

1 metro (m) = 1010 ángstrom (°A)

1 metro (m) = 109 milimicras (mµ)

1 metro (m) = 106 micras (µ)

1 pulgada (in) = 25.4 milímetros (mm)

1 pie (ft) = 0.3048 metros (m)

1 yarda (yd) = 0.9144 metros (m)

1 milla (mi) = 1,609.344 metros (m)

1 metro (m) = 39.37 pulgadas (in)

1 metro (m) = 3.2808 pies (ft)

El Newton.- L unidad fuerza el s internacion l es el “ wton” y se

2.

361

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación 1 metro (m) = 1.094 yardas (yd)

1 kilómetro (Km) = 0.6214 millas (mi)

Aceleración:

1 m/s2 = 3.28 ft/s2

1 ft/s2 = 0.3048 m/s2

Factores de conversión

ÁREA:

1 m2 = 10.7584 ft2

1 m2 = 1x106 cm2

1 m2 = 1.55x103 pulgadas cuadradas (in2)

1m2 = 1x106 milímetros cuadrados (mm2)

1 ft2 = 9.29 x 10-2 m2

1 in2 = 6.45 x 10-4 m2

1 Km2 = 3.862x10-1 millas cuadradas (mi2)

1 milla2 = 2.59x106 m2

1 ft2 = 9.29x10-2 m2

1 pulgada cuadrada (in2) = 6.45x10-4 m2

MEDIDAS AGRARIAS:

1 acre = 4,046.856 m2

1 hectárea (Ha) = 2.4711 acres

1 Hectárea (Ha) = 10,000 m2

1 Área (a) = 100 m2

1 centiárea = 1 m2

1 acre = 0.4047 Hectáreas (Ha)

DENSIDAD:

362

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación 1 g/cm3 = 1x103 Kg/m3

1 slug/ft3 = 515.4 Kg/m3

1 g/cm3 = 102 UTM/m3

Energía: 1 BTU = 252 cal

1 joule ( j ) = 1 N . m

1 cal = 4.184 joules

1 electrón volt (eV) = 1.602x10-19 joules (J)

1 ergio = 1x10-7 joules

1 kilowatt hora (Kw.h) = 3.6x106 joules

FUERZA:

1 newton (N) = 1x105 dinas

1 newton (N) = 0.102 Kgf

1 newton (N) = 7.22 poundal

1 kilogramo fuerza (Kgf) = 9.81 Newtons (N)

1 Kilográmo fuerza (Kgf) = 2.21 Libras (lbf)

1 gramo fuerza (gf) = 981 dinas

1 libra fuerza (lbf) = 4.448 Newtons (N)

1 dina (D) = 1x10-5 newtons

MASA:

1 kilogramo (Kg) = 1000 gramos (g)

1 Kg = 2.21 lb

1 UTM = 9.81 Kg

1 lb = 454 g

1 lb = 0.454 Kg

1 slug = 14.59 Kg

LONGITUD:

363

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación 1 m = 100 cm

1 m = 1000 mm

1 m = 3.28 ft

1 m = 39.36 pulgadas (in)

1 ft = 12 pulgadas (in)

1 ft = 0.3048 m

1 ft = 30.48 cm

1 pulgada (in) = 2.54 cm

1 pulg = 0.0254 m

1 kilómetro = 1000 m

1 milla terrestre = 1,609.3344 m

1 milla terrestre = 5280 ft

1 milla terrestre = 1.609 Km

1 milla marítima (nudo) = 1853 m

1 yarda (yd) = 3 ft

1 año luz = 9.461x1015m

VELOCIDAD:

1 m/s = 100 cm/s

1 m/s = 3.28 ft/s

1 m/s = 3.6 Km/h

1 m/s = 2.237 mí/h

1 Km/h = 0.2778 m/s

1 Km/h = 0.9113 ft/s

1 Km/h = 0.6214 mi/h

1 mi/h = 1.609 Km/h

1 mi/h = 1.467 ft/s

VOLUMEN:

1 m3 = 1X106 cm3

1 m3 = 35.2876 ft3

364

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación 1 lt = 1000 ml

1 lt = 1000 cm3

1 galón = 3.785 lts

POTENCIA: 1 hP = 2545 BTU/h

1 hP = 550 ft.lb/s

1 hP = 746 W

1 hP = 0.1782 Kcal/s

1 Watt = 1 j/s

1 Watt = 2.389 x 10-4 Kcal/s

1 Watt = 1.341 x10-3 hP

1 Watt = 0.7376 ft.lb/s

PRESION:

1 atmósfera = 1.01325x105 Pascales (Pa)

1 atmósfera = 1.01325x106 Dinas/cm2

1 Pa = 1 N/m2

1 Pa = 10 Dinas/cm2

1 atm. = 76 cm Hg

1 atm = 406.8 pulgadas de agua

1 atm. = 2116 lb/ft2

1 atm.= 14.70 lb/in2

1 atm = 760 Torr

1 bara = 1x105 Pa.

1 cm Hg = 13.33 Pa

1 Dina/cm2 = 1x10-1 Pa

1 lb/ft2 = 47.88 Pa

1 lb/in2 = 6895 Pa

1 Torr = 133.3 Pa

TIEMPO:

365

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación 1 hora = 60 minutos

1 hora = 3600 segundos

1 minuto = 60 segundos

1 día solar medio = 24 horas

1 día solar medio = 86400 segundos

OTROS DATOS IMPORTANTES

Velocidad de la luz c = 2.997925x108 m/s = 3x105 Km/s

Constante de gravitación universal de Newton = 6.67x10-11 N.m2/Kg2

Número de Avogadro Na = 6.023x1026 moléculas/Kmol; NA = 6.023X1023 moléculas

/mol

Constante de los gases R = 8314 j/Kmol.°K; R = 1.9872 Kcal/Kmol.°K; R = 8.314

j/mol °K

R = 8.314 x107 ergs/mol.°K; R = 0.0821 lt . atm/°K . mol

Aceleración de la gravedad estándar g = 9.80665 m/s2 ; g = 32.17 ft/s2

Masa de la tierra = 5.98x1024 Kg; Radio promedio de la tierra = 6.37x106 m

Densidad promedio de la tierra = 5.570 Kg/m3

Distancia promedio entre la Tierra y la Luna 3.84x108 m

Distancia promedio entre la Tierra y el Sol 1.496x1011 m

Masa del Sol 1.99x1030 Kg; Radio del Sol 7x108 m

Intensidad de radiación del sol en la tierra 0.032 cal/cm2.s; 0.134 j/cm2.s

Equivalente mecánico del calor = 4.184 j/cal

3.4.- Conversión entre los sistemas de medición

CONVERSIÓN DE UNIDADES

UNIDADES MULTIPLICAR POR PARA OBTENER

Acres 0.4047 Hectáreas

Amperios (Amperes) Volts 0.00173 Kilovoltamperios (KVA)

366

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Atmósferas (presión) 1.03322 Kg/cm2

Bares (presión) 1.0197 Kg/cm2

Barias (presión) 0.001 Milibares

Barriles Británicos 164 Litros

Barriles de petróleo 159 Litros

Barriles US 119.237 Litros

Braza 1.829 Metros

Braza 2 Yardas

British thermal units (BTU) 252 Calorías

British thermal units (BTU) 102 Kilográmetros (Kgf.m)

Bushels Británicos 36.35 Litros

Bushels US 35.2383 Litros

Caballos ingleses (HP) 0.746 Kilowatts

Caballos métricos (CP) 0.735 Kilowatts

Caballos métricos (CP) 75 Kilográmetros / seg.

Calorías. Gramo 0.425 Kilográmetros

Calorías. Kilo 1000 Calorías. Gramo

Calorías. Kilo 3.968 British thermal units (BTU)

Centímetros 0.3937 Pulgadas

Centímetros cuadrados 0.155 Pulgadas cuadradas

Centímetros cúbicos 0.061023 Pulgadas cúbicas

Decímetros cuadrados 15.5 Pulgadas cuadradas

Decímetros cúbicos 61.023 Pulgadas cúbicas

Dinas 0.00102 Gramos. Fuerza

Furlongs 201.17 Metros

Galones Británicos 4.5437 Litros

367

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Galones US 3.7853 Litros

Gramos 0.035274 Onzas avoirdupoids

Gramos 0.03215 Onzas troy

Hectáreas 2.471 Acres

Julios (Joule) 0.102 Kilográmetros

Julios (Joule) 0.738 Libras. Pie (ft. Lb)

Kilográmetros 9.81 Joules

Kilográmetros 7.233 Libras. Pie (ft. Lb)

Kilográmetro/segundo 9.81 Watts

Kilogramos 2.21 Libras avoirdupoids

Kilogramos 35.2734 onzas avoirdupoids

Kilogramos 2.679 Libras trío

Kilogramos 32.1507 Onzas troy

Kg/ cm2 14.223 Libras/ pulg. Cuadrada

Kilolitros (= metro cúbico) 35.315 Pies cúbicos

kilómetros 0.62137 Millas

Kilómetros cuadrados 0.3861 Millas cuadradas

Kilómetros por hora (Km/h) 0.54 Nudos

Kilómetros por hora (Km/h) 0.27778 Metros/seg

Kilowatts 102 Kilográmetros/seg.

Kilowatts 1.341 Caballos ingleses (HP)

Kilowatts 1.36 Caballos métricos (CP)

Leguas náuticas 4.828 Kilómetros

Libras avoirdupoids 0.454 Kilogramos

Libras . Pie 0.1382 Kilográmetros

Libras / pie (lb/ft) 1.488 Kilogramos / metro

368

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Libras / pie cúbico (lb/ft3) 16.02 kilogramos / m3

Libras / pulg2 (lb/in2) 0.07 Kg/cm2

Litros 0.2642 Galones US

Litros 0.22 Galones Británicos

Metros 1.0936 Yardas

Metros 3.2808 Pies

Metros 39.37 Pulgadas

Metros cuadrados 1.196 Yardas cuadradas

Metros cuadrados 10.764 Pies cuadrados

Metros cúbicos 1000 Litros

Metros cúbicos 1.308 Yardas cúbicas

Metros cúbicos 35.315 Pies cúbicos (ft3)

Metros cúbicos 264.18 Galones US

Metros cúbicos 220 Galones Británicos

Metros cúbicos 2204.6 Libras de agua

Micrones 0.001 milímetros

Micrones 0.03937 Milésimos de pulgada

Milésimos de pulgada 0.0254 milímetros

Milibares (presión) 0.001 Bares

Millas náuticas 1853 Kilómetros

Nudos 1.853 Km/ hora

Onzas avoirdupoids 28.35 Gramos

Onzas fluidas Británicas 28.4 Mililitros (ó cm. Cúbicos)

Onzas trío 31.1035 Gramos

Onzas fluidas US 29.57 Mililitros (ó cm. Cúbicos)

Pies 30.48 Centímetros

369

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Pies 0.3048 Metros

Pies cúbicos 28.317 Decímetros cúbicos (litros)

Pies cúbicos 7.473 Galones US

Pulgadas 2.54 Centímetros

Pulgadas 0.0254 Metros

Quilates 200 Miligramos

Toneladas métricas 0.9842 Toneladas largas

Toneladas métricas 1.1023 Toneladas cortas

Toneladas métricas 2204.62 Libras

Watts 0.102 Kilográmetros por seg.

Watts 0.001 Kilowatts

Yardas 0.9144 Metros

Toneladas cortas 904.9774 Kg

Toneladas largas 1,013.5747 Kg

Toneladas Métricas 997.5657 Kg

3.5.- Principios básicos del calor

El Calor es una forma de energía.

La física define a la Energía como la “capacidad para desarrollar un trabajo”.

FORMAS DE ENERGÍA

Calorífica Potencial (de altura)

Eléctrica Atómica

Mecánica Cinética (de movimiento)

De presión Química

370

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Una de las leyes de la física dice que “aunque la energía se puede transformar o

cambiar de una forma a otra, no se puede crear ni destruir”.

Los ventiladores, bombas, los motores eléctricos, las compresores, las turbinas, los

motores de combustión, los elevadores, las calderas, los calentadores, etc.;

convierten la energía de una forma a otra.

Un cambiador de calor un cable eléctrico o una línea de aire comprimido, mueven o

transportan la energía de un sitio a otro, pero no la transforman.

En un medidor de placa de orificio, la energía de presión del fluido se convierte en

energía cinética (o de velocidad),

Puesto que la energía no se puede crear ni destruir, una cantidad fija de una forma

de energía, solamente se puede transformar en una cantidad fija de otra forma de

energía.

Al resultado de la relación entre las calorías absorbidas por el flujo que pasa dentro

de los tubos de un calentador y las calorías producidas al quemar el combustible que

se introdujo al calentador, se llama Eficiencia del calentador.

Por ejemplo si en un horno 70 de cada 100 calorías producidas llegan a calentar la

corriente de proceso, se dice el horno tiene una eficiencia de 70%.

El movimiento del calor se llama transferencia de calor. Las operaciones correctas

de la mayoría de los procesos dependen de la aplicación correcta de los principios de

la transferencia de calor. Cuando manejamos un material caliente, podemos aislar el

mantener el ca o; cuando el material es frío, podemos aislarlo

era.

El calor se puede intercambiar por tres mecanismos diferentes llamados:

Conducción, Convección y Radiación, los cuales se describen a continuación.

Conducción.- Es la transferencia de calor de una parte de un cuerpo a otra del

mismo cuerpo, o de un cuerpo a otro que esté en contacto físico con el, sin

movimiento ni mezcla de partículas.

Si calentamos el extremo de una barra de metal el otro extremo se calentará tanto

hasta el grado de quemarnos si lo tocamos. Sin embargo, si calentamos el extremo

de una barra de madera, el otro extremo apenas si se entibiará. De lo anterior se

sistema para lor dentr

para mantener el calor fu

371

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación concluye que el metal es buen conductor del calor y que la madera es muy mala

conductora del calor. Cada uno de los metales conduce el calor con velocidades

diferentes. Por ejemplo una varilla de cobre conduce el calor más rápido que una de

una varilla de aluminio y esta a su vez conduce el calor más rápido que una varilla de

acero, lo que demuestra la conductividad.

Convección.- Es la transferencia de calor de un punto a otro dentro de un líquido o

un gas mezclando una parte del líquido o del gas con la otra. La transferencia del

calor por convección se usa tanto en la calefacción como en el enfriamiento de

nuestros hogares. Hervir el agua es un claro ejemplo de transferencia de calor por

convección, el agua entra en movimiento debido al calor. La circulación continuará

hasta que el agua llegue a su punto de ebullición. Se puede observar mejor este

experimento si lo realizamos con un recipiente de vidrio y agregamos aserrín al agua

para visualizar el movimiento de las partículas debido al calor.

Radiación.- Es la transmisión de calor de un cuerpo caliente a un cuerpo más frió,

mediante ondas de calor. El calor que nos llega del sol es un ejemplo de radiación.

El sol por la mañana calienta casi instantáneamente la tierra y cuando desaparece en

la noche, la tierra se enfría con la misma rapidez con la que se calentó.

3.6.-Escalas de temperaturas y conversiones

La Temperatura es una medida del calor; es decir es una medida de que tan caliente

o que tan fría está una sustancia, o sea la intensidad con la que se manifiesta el calor

en los cuerpos. La temperatura es parecida al nivel o a la presión de agua por su

capacidad de hacer que el calor fluya desde un cuerpo que está a alta temperatura

hacia un cuerpo que está a baja temperatura.

Existen varias escalas mediante las cuales puede medirse la temperatura. Dos de

estas escalas son la de Rankine y la de Kelvin, se llaman “escalas absolutas”,

porque el “cero” de ellas es la temperatura mas baja que el hombre podrá lograr.

También contamos con la escala centígrada, la cual se usa en trabajos de laboratorio

y en países que emplean el sistema métrico. Las escalas que normalmente se

372

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación utilizan en los hogares y en la mayor parte de las industrias son la escala Fahrenheit

(°F) y la escala centígrada (°C).

Mencionaremos algunos datos de temperaturas como ejemplo de lo familiarizados

que estamos con las escalas Fahrenheit y centígrada. El agua congela a 0°C ó 32°F,

la temperatura del cuerpo humano es de 37°C ó 99°F.

A más de 60°C ó 140°F, se siente caliente al tacto o quema, 100°C ó 212°F es el

punto de ebullición del agua.

Conversiones:

°F = 1.8°C + 32 °K = 273 + °C °R = 460 + °F

3.7.-Errores de medición origen y corrección

En el proceso de medición cuando medimos, nos preguntamos:

¿Qué medimos?, es decir el objeto; ¿con qué medimos?, es decir el instrumento. ¿En base a qué medimos?; es decir un sistema de referencia o patrón. ¿Quién

mide?, es decir el operador.

El objeto a medir limita el número de cifras significativas que podemos recoger en la

medición; siendo las cifras significativas la cantidad de dígitos que realmente se

están midiendo con algún instrumento.

El instrumento determinará también, de acuerdo a sus características, el número de

cifras significativas como lo hemos ejemplificado anteriormente.

El sistema de referencia, condiciona la exactitud por su propio proceso de medición

y de definición en la calibración del instrumento.

El operario que interactúa con el instrumento y el objeto, también contribuye con las

incertezas del proceso de medición.

Los valores obtenidos cuando medimos magnitudes físicas, no tenemos cómo

asegurar que corresponden al valor verdadero. Por ello, necesitamos determinar cual

373

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación es el grado de incertidumbre o error de la cantidad obtenida. Entendemos aquí por

ERROR a la indeterminación o incerteza propia del proceso de medición y no lo

tomamos como si fuera una equivocación por el operador, ver la Figura 3.7.1.

Errores del proceso de medición

Cada uno de los sistemas que intervienen en el proceso de medición, introduce una

incerteza o error en el valor medido y son los siguientes:

Error de definición (edef): está determinado por la naturaleza del objeto a medir.

(Las rugosidades de un cuerpo aparentemente de superficie lisa, que por más que

mejoremos el orden de cifras significativas, llega un momento que no puede

mejorarse)

Error de apreciación (eap): es el mínimo valor de medida que puede medir el

instrumento. (Una cinta de sastre tendrá una apreciación de 1 cm o 0,5 cm)

Error de interacción (eint): surge como resultado de la interacción entre operario,

instrumento y objeto. Se introduce este error en la medida que perturbamos el

Figura 3.7.1 Determinación de errores

SISTEMA DE REFERENCIA

INSTRUMENTO

OBJETO

Produce error de interacción

Calibración

Interacción

Produce error de definición

Produce error de apreciación

Produce error de exactitud

374

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación sistema objeto de nuestra medición. (Medir con un cronómetro manual, tiempos del

orden da magnitud de nuestra capacidad de reacción)

Error de exactitud (eexac): surge de la fidelidad con la que un instrumento recoge los

datos de la realidad. (Un amperímetro clase 0,2, es decir, que a plena escala se

comete un error de apreciación de 0,2 para 100 divisiones).

A la sumatoria de los cuatro errores antes mencionados, se le da el nombre de error mínimo (emin.) y se expresa como sigue:

emin = edef + eint + eap + eexac

En muchos casos, de acuerdo a las necesidades de precisión del problema se

efectuarán una medición o varias mediciones. Para acotar los errores experimentales

podemos proceder de las siguientes maneras:

Errores sistemáticos y causales

Sistemáticos: Son aquellos que ocurren siempre en una misma dirección.

Un error sistemático no es fácilmente detectable, porque se producen siempre en

una misma dirección, lo podemos identificar cuando usamos otros aparatos u otros

métodos de medición. Así podemos cometer errores sistemáticos de medición

cuando:

1.- El instrumento está mal calibrado

2.- fallas en el aparato de medición (balanza mal construida, milímetros más grandes

o chicos)

3.- El operador tiene poca o nada de experiencia en las mediciones (mala ubicación

del ojo para mirar es decir error de paralaje)

4.- Afecta la influencia del ambiente (aumento de la temperatura)

Una vez conocidos los errores sistemáticos es posible eliminarlos.

375

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Casuales o accidentales: Son aquellos que se cometen en forma azarosa, es decir,

no podemos predecir cuales son las causas y corregirlas. Los valores de las

magnitudes medidas, se cometen por exceso o por defecto. Admiten por lo tanto,

para una cantidad grande de medidas un tratamiento estadístico a diferencia de los

anteriores. Algunos ejemplos de estos son:

1.- Variaciones de las condiciones externas en forma accidental (variación de la

tensión domiciliaria)

2.- Error en la apreciación del instrumento (no se estima correctamente la división de

la escala con la que se esta midiendo)

3.- Limitaciones impuesta por el propio objeto (superficie rugosa)

Acotación de errores en una sola medición

En el caso de efectuar una sola medición podemos determinar:

Error absoluto (E): Es la diferencia entre el valor verdadero (V) y el valor medido

(Vm). Pero nosotros sabemos que por mas exacto que sea el instrumento, por más

experimentados que sea el operador, y aún condicionando otras circunstancias, el

alor verdadero de una magnitud física no existe, Por lo que el error absoluto no

pasa de ser una definición teórica que podemos estimar con el error de apreciación

E = Vv - Vm

Error de apreciación (Ea): es la menor lectura que puede efectuarse con el

instrumento. Por ejemplo:

Si medimos con una regla milimetrada, el Ea = 1 mm = 0,1 cm = 10-3 m

Si medimos con una regla en centímetro, el Ea = 1cm = 0,1 dm = 10-2 m

Error de estimación (Ee): Un operador podría considerar que si está midiendo con

una regla milimetrada puede “ver” hasta la mitad o 1/2 de la menor apreciación del

instrumento, es decir 0,5 mm. En este caso el error cometido en la medición recibe el

nombre de error de estimación. Es decir, es la menor medida que un operador puede

estimar con un determinado instrumento de medición.

v

376

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Error relativo: es el cociente entre el error absoluto y el valor medido.

Ea

Er = ⎯

Vm

Calcula el error relativo para los casos mencionados, compara los resultados y

elabora una conclusión.

Para poder independizar el error cometido de la medida y poder informar el resultado

con precisión, se calcula también el:

Error porcentual (E%): Es el error relativo multiplicado por cien (100)

E% = Er . 100

Determina el error porcentual en las mediciones efectuadas anteriormente.

Acotación de errores para varias mediciones.- El problema que se nos plantea

ahora es cómo informamos del resultado de nuestras mediciones, si disponemos de

una gran cantidad de datos o valores medidos. Supusimos que los errores

accidentales permiten un tratamiento estadístico.

El mejor valor.- El primer problema que debemos enfrentar es ver cuál es la mejor

medida. Para ello calculamos el valor promedio de los Vmi valores medidos:

Vm = Σ Vmi / m

377

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

378

La justificación de porque hemos propuesto el promedio como el mejor valor, es que

al considerar que los errores accidentales son azarosos, el error cometido en cada

medición es

Ei = Vmi - Vm

importante tener en

ervador efectúe las

midiendo es el promedio matemático de las Vmi medidas realizadas. El siguiente

problema ha resolver es cómo informamos de las incertezas o desviaciones

cometidas en el proceso de medición. Para ello vamos a calcular el error del

promedio. Con ello queremos acotarlo en función de las mediciones realizadas.

Observamos que hemos obtenido una expresión que nos informa del error promedio

de cada medición, que aunque aumente el número de ellas, tanto el numerador como

el denominador, están afectados proporcionalmente, por lo que resulta independiente

del número de mediciones realizadas. Por otro lado, σ nos da la calidad o precisión

de la medición realizada, como consecuencia de la construcción de su expresión. Si

su valor es grande, las mediciones efectuadas se desvían bastante del Vm , caso

contrario sucede con un valor más pequeño.

Error cuadrático medio del promedio

Por lo que las desviaciones por exceso o defecto se compensan, es decir:

Σ Ei = Σ (Vi - Vm ) = 0

De donde despejando Vm , resulta la expresión dada inicialmente en este apartado.

Podemos ahora completar la tabla inicialmente planteada. Es

cuenta que los valores obtenidos resultan de que un sólo obs

mismas mediciones, con el mismo instrumento y bajo las mismas condiciones de

replicabilidad (no de reproductividad).

Error cuadrático medio

Concluimos que la determinación del mejor valor para la magnitud que estamos

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Podemos plantearnos ahora el problema de acotar el error del promedio, para ello

calculamos el error cuadrático medio del promedio:

Observemos que a medida que aumente m, E disminuirá, es decir podemos acotar

el mejor valor. Esta última expresión nos da un intervalo de incerteza de nuestra

medición. Por cálculos que no desarrollaremos en este breve trabajo, la certeza de

encontrar el valor verdadero en el intervalo mencionado, es de un 63,8%.

Estamos en condiciones ahora de expresar el resultado del proceso de medición

como

V = Vm ± E

Propagación de errores

En muchos casos podrá planteársenos el problema de acceder a mediciones de

ciertas magnitudes a través de otras en forma indirecta, ya sea por no poseer los

instrumentos adecuados o por sólo poseer una expresión matemática a través de la

cual se la define cuantitativamente. Tal es el caso del volumen de un cuerpo q través

de las longitudes de sus aristas, o el caudal de un río a través del volumen por

minuto de agua que circula, etc.

Reflexionando podemos concluir que el Vm de la medición indirecta dependerá de los

valores promedios o mejores valores de las magnitudes que se miden en forma

directa.

Para facilitar el proceso de acotación de los errores ejemplificaremos con:

a) Si V = A + B entonces EV = EA + EB

b) Si V = A . B entonces ERV = ERA ERB

c) Si V = A/ B entonces ERV = ERA + ERB

d) Si V = An entonces ERV = n ERA

Ocurre que al medir las distintas magnitudes directas, no todas son medidas con el

mismo número de cifras significativas. En este caso, se tomará como criterio

determinar el orden del error de la magnitud indirecta como aquella del orden de la

menor número de cifras significativas. Para ello se realizará el redondeo

correspondiente.

379

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

380

Relación entre magnitudes medidas: correlación de valores

Los hechos de la Naturaleza se nos presentan como un gran interrogante. Los

físicos, químicos, geólogos, biólogos, etc., pretendemos explicar esos hechos y para

ello apelamos a medir magnitudes cuyas relaciones queremos descubrir. Esta

postura acerca de cómo es el trabajo del científico, es una más entre otras que

actualmente son aceptadas por la Filosofía y Epistemología de la Ciencia.

Después de recoger los datos, los ordenamos en una tabla y luego los graficamos.

Podemos indagar aquí cuál es la posible relación entre las mismas. Una vez

detectada la posible relación matemática, podemos enunciar la ley física y las

condiciones bajo las cuales ésta se verifica. Llegamos así ha descubrir una

regularidad y podemos predecir resultados con la nueva ley. Reflexionamos acerca

de los valores medidos y sabemos que ellos poseen errores propios del proceso de

medición, por lo que acotarlos debido a la gran cantidad de datos disponibles, nos

brindaría información acerca de la pertinencia o no de la ley encontrada.

En general, no sólo existen relaciones lineales entre dos variables, sino que

podemos encontrar funciones cuadráticas, de proporcionalidad inversa, y otras, más

complicadas que escapan a nuestra capacidad de trabajo. A continuación, se

grafican dos casos, se efectúa el cambio de variable más adecuado y se gráfica la

nueva expresión. De esta manera se confirma la relación funcional primeramente

propuesta.

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

381

y = k x2

Cambio de variable

u = x2

y = k u y = k u

Grafiquemos

3.8.- Manejo del calibrador de hojas

El calibrador de hojas (Figura 3.8.1), se usa para medir holguras interiores y su uso

es de acuerdo a la medición de las hojas disponibles que se tenga, ya que los hay en

diferentes espesores y se hace las mediciones en milésimas de pulgadas. Se puede

sumar las hojas para darle a la medición más capacidad en el espesor a medir.

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

3.9.- Uso del flexometro

El flexómetro ó metro de cinta metálica Figura 3.8.2. Es el metro por excelencia.

Tiene gran exactitud y vale para tomar todo tipo de medidas. Para medir longitudes

largas una persona sola, conviene que la cinta metálica sea ancha y arqueada para

mantenerla recta sin que se doble.

Es la forma más simple de hacer una medición ya que el flexometro son cintas

metálicas o de materiales flexibles, graduadas que se enrollan en cajas compactas,

se utilizan para hacer mediciones sin exactitud y los hay desde un metro hasta 7

metros aproximadamente. Los hay en el sistema métrico o en el sistema ingles o

ambos ya que existen los que en lado viene el sistema decimal y en el otro el sistema

ingles.

Figura 3.8.1 Calibrador de hojas

Figura 3.9.1 Flexómetro

382

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Calibración, uso y lectura del micrómetro de exteriores

El micrómetro de exteriores es un instrumento para medición muy útil y de uso

muy extenso, se denomina micrómetro para exteriores o simplemente micrómetro.

Los micrómetros normales pueden medir hasta una milésima (0.001) de pulgada o

una centésima (0.01) de milímetro. Para medir con exactitud de una diez milésima

(0.0001) de pulgada o una milésima (0.001) de milímetro se utiliza el micrómetro

con vernier. Los micrómetros consisten en un bastidor, tope fijo o yunque, husillo,

manguito o cilindro, tambor y trinquete, ver Figura 3.10.1.

Figura 3.10.1 Micrómetro de exteriores

383

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

3.10.- Calibración, uso y lectura del vernier en sus diferentes tipos

Cuando se quiere medir una longitud rectilínea se utilizan escalas graduadas de

diferente longitud, según la distancia que se vaya a medir.

Si la distancia que se quiere medir es menor que la longitud de la escala, se hará

coincidir el cero de la escala con el principio de la cantidad a medir y el fin de esta

coincidirá o no con alguna de las divisiones de la escala. Lo más probable es que no

coincida y entonces hay que apreciar (a ojo) a cual de las divisiones de la escala se

aproxima más. A lo más que puede llegar la vista normal es a apreciar los milímetros

o en algunos casos excepcionales, los medios milímetros. A este tipo de divisiones

es a lo que llegan las reglas comunes y corrientes que normalmente utilizamos.

Hay casos en los que es necesario un mayor grado de aproximación en la medición y

entonces se recurre a ciertos artificios como el nonius (Figura 3.11.1) y el tornillo

micrométrico. El nonius fue inventado por Pedro Nuñes, matemático portugués en

1542 y fue construido por Vernier, natural del Franco-Condado. Es una escala

graduada movible que sirve para apreciar fracciones de otra. La escala móvil tiene

una longitud igual a un número exacto de divisiones de la regla fija pero dividida en

un cierto número de partes.

Figura 3.11.1 Nonius

384

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación El nonius se utiliza en bastantes de medición entre ellos, el calibrador o pie de rey, el

cual es utilizado para medir espesores externos o internos y también para

profundidades, como se muestra en la Figura 3.11.2.

Figura 3.11.2 Pié de Rey

385

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

4.- COMPONENTE

Interruptores Principales

generador con las bar

modelo SSB20B, de 2,000 Amperes de capacidad, (Figura 4.1.1), equipados con

sistema de carga manual, la que se efectúa jalando una palanca varias veces, hasta

que se presenta el aviso de carga en la ventana correspondiente.

Interruptores de control Los interruptores de control son aquellos as ión del generador o

sus circuitos de control. Generalmente son interruptores rotatorios de dos ó más

posiciones, operados y cuya función está descrita por el

nombre. Por ejemplo. Interrupt

de fases del Ampérmetro; Interruptor de control de velocidad; Interruptor de

sincronización, etc.

Figura 4.1.1 Interruptor Principal

ociados con la operac

por perillas ó manijas

or selector de fases del Vóltmetro; Interruptor selector

S DE CONTROL

4.1.- Componentes de control

Los Interruptores Principales de Generador cumplen la función de conectar el

ras principales. Estos interruptores son Marca General Electric,

386

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

387

También entran en esta clasificación los

interruptores de contacto momentáneo,

generalmente interruptores de retorno a resorte

e interruptores de botón.

Transformadores de control Se conoce con este nombre a transformadores

de baja capacidad, generalmente de menos de

5 KVA, que suministran voltaje a los diferentes

circuitos de control. En el caso del control de

generador están los transformadores de:

excitación, que reduce de 600 a 120 volts; de

retroalimentación, que reduce de 600 a 120

volts y los transformadores de potencial de los

instrumentos de medición. Figura 4.1.2

u

Fusibles de control Los fusibles de control son fusibles de baja

capacidad de corriente, generalmente de

menos de 5 Amperes, que cumplen la función

de proteger los circuitos de control cuando

ocurren sobrecargas que pongan en riesgo los

componentes del circuito. Generalmente se

usan fusibles de cartucho del tipo no re-usable

(Figura 4.1.3). Estos fusibles están alojados en

porta-fusibles tipo desconectador, los que al separar un extremo del fusible de s

mordaza, también pueden actuar como interruptores. Para seguridad, se conecta

la línea “viva” a la parte superior del porta-fusible, para poder retirar el fusible sin

riesgo de recibir una descarga el operador.

Figura 4.1.3 Fusibles de Control

Figura 4.1.2 Transformadores de Control

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

388

Es muy importante que cuando se substituya un fusible dañado, el reemplazo sea de

las mismas características físicas y eléctricas que el original.

4.2.- Controladores logicos programables (PLC).

Descripcion

El Controlador Lógico Programable (PLC por sus iniciales en Inglés), es un

dispositivo que combina la capacidad de proceso de una computadora y de circuitos

electrónicos de control, para efectuar operaciones y acciones de lógica de control

que tradicionalmente se efectúan con relevadores multicontactos y la utilización de

una cantidad relativamente grande de contactos auxiliares de los dispositivos

controlados en el circuito.

El PLC utilizado en los Sistemas de Control de los Equipos de Perforación es marca

“Alllen Bradley”, modelo SLC500 (Figura 4.2.1)

rincipio de operación

a en la utilización de un Procesador, un

ispositivo de almacenamiento de información (Memoria), un Programa de Cómputo

Figura 4.2.1 Controlador Lógico Programable

P

El principio de operación del PLC se bas

d

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación (S

E

E

oftware) y medios de recepción y envío de señales de control (Módulos de

ntradas y Módulos de salidas).

l software interpreta las instrucciones establecidas por el usuario en un programa,

conocido como Diagrama de Escalera, y establece un muestreo (Scan), revisando

ablecidas

en el diagr

Componentes

odos sus

component

y como medio de interconexión entre los componentes del PLC, los cuales

básicamente son: la Fuente, El módulo del procesador, los diferentes módulos de

entradas y salidas y el módulo del Scanner.

Rack

Los Racks (Figura 4.2.2) se presentan con capacidad de 4, 7 10 y 13 ranuras

(Slots), en esas ranuras se colocan los módulos, la interconexión de los módulos con

los dispositivos del rack se hace por medio de contactos de desconexión rápida, lo

que facilita la extracción y reemplazo de los mismos.

Si el número de Módulos requerido supera la cantidad de ranuras, se pueden utilizar

dos ó más Racks.

las condiciones de los dispositivos conectados a los módulos de entradas y salidas y

efectuando las operaciones necesarias para cumplir las instrucciones est

ama de escalera.

El PLC está construido en una forma conocida como Modular, es decir, t

es están montados en un bastidor llamado Rack, este sirve como soporte

389

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

390

electrónico

Fuente de Poder

Para proporcionar los voltaje necesarios para la operación de los circuitos

s del PLC, éste utiliza una fuente de poder, la cual se coloca en la parte

izquierda del rack (Figura 4.2.3), esta fuente está alimentada con un voltaje de 120

Volts CA. En la parte frontal tiene un LED marcado Power, que enciende cuando

tiene la energía aplicada.

Figura 4.2.2 Rack de PLC

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

391

Figura 4.2.3 Fuente de Poder

Procesador (CPU)

El Módulo del Procesador (CPU), es el que

derecha de la fuente de poder.( Figura 4.2.4).

El Módulo CPU, contiene el microprocesador, la memoria y el software necesarios

para el funcionamiento del PLC, así como una memoria de respaldo para proteger el

programa. También tiene una batería, la cual soporta la memoria cuando la fuente de

poder no está alimentada.

Los Módulos CPU utilizados en los PLC de equipos de perforación son Modelo SLC

5/03.

se coloca en la primer ranura a la

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

392

Figura 4.2.4 Procesador CPU

En la parte frontal del CPU (Figura 4.2.5), hay un interruptor selector operado con

una llave, el cual tiene tres posiciones:

RUN.- En esta posición se coloca para operación normal del programa del PLC.

REM y PROG.- Se utilizan estas posiciones para revisar o cargar el programa, con el

uso de una computadora y un cable de comunicación, conectado a alguno de los

conectores marcados DH-495.

También hay seis LED´S, marcados: RUN, FORCE, FLT, DH485, BATT y RS232.

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Figura 4.2.5 Procesador 5/03

393

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

394

La siguiente tabla proporciona una explicación del estado de cada LED en el

procesador SLC 5/03.

LED del

procesador Cuando está Indica que

Encendido (Estable) El Procesador está en Modo Run

Destellando

(Durante la

operación)

El procesador está transfiriendo

un programa de la RAM a la

memoria

RUN

(Color: Verde)

Apagado El procesador está en otro modo

diferente a Run

Destellando El procesador no ha s

(Al energizarse)

ido

configurado

Destellando

(Durante la

operación)

El Procesador detecta un error

mayor en el procesador, chassis

o memoria

Encendido (Estable) Ha ocurrido un error fatal (no hay

comunicación)

FLT

(Color: Rojo)

Apagado No hay errores

Encendido (Estable) El voltaje de la batería esta muy

bajo o no hay batería conectada BATT

(Color: Rojo) Apagado La batería está funcional

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

395

Módulos de Entradas y Salidas

Los módulos de Entradas y Salidas se colocan en cualquiera de las ranuras a la

derecha del CPU, Figura 4.2.6.

Tanto los Módulos de entradas como los Módulos de salidas pueden conectarse al

cableado exterior por medio de conexiones de desconexión rápida, para facilitar su

reemplazo y evitar errores al desconectarlos, estos conectores se fijan al módulo por

medio de tornillos en su parte superior e inferior.

Figura 4.2.6 Módulos de entradas y salidas

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

396

Módulos de Entradas

ivos que

principales, cerrar cualquiera de estos

contactos, se aliment

señal que utiliza e onente y así poder

calera. Cuando se

frontal del módulo.

Figura 4.2.7 Módulos de entradas

Los Módulos de Entradas son de 16 entradas de 120 Volts CA, modelo 1746-IA16,

su diagrama de conexiones se muestra en la Figura 4.2.7 . En cada entrada, se puede conectar un contacto auxiliar de los disposit

forman el sistema de control y potencia, como son contactores, interruptores

interruptores de temperatura, etc. Al

a la entrada con un voltaje de 120 volts CA, este voltaje es la

l PLC para conocer el estado de cada comp

cumplir las condiciones establecidas en el diagrama de es

energiza una entrada, un LED correspondiente a la entrada, se enciende en las parte

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

397

Figura 4.2.8 Modulos de salidas

Módulos de salidas

Los Módulos de Entradas son de 16 salidas de 120 Volts CA, modelo 1746-IA16, su

diagrama de conexiones se muestra en la Figura 4.2.8 . En cada salida, se puede conectar un dispositivo de control, bobina de contactor, luz

indicadora, etc. Las salidas se energizan cuando se cumplen las condiciones

establecidas en el diagrama e escalera, y a la vez, generan señales internas en el

PLC que son utilizadas en el programa del Diagrama de escalera. Cuando una salida

se energiza, se enciende un LED correspondiente a la salida en la parte frontal del

módulo.

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación Scanner

Para establecer comunicación entre el PLC y los Módulos de Bloque de la consola

del perforador, el PLC tiene un Módulo llamado Scanner. Su función es comunicar el

funcionamiento del programa entre el PLC y Las señales de entradas y salidas de los

Módulos de la consola, esta comunicación se establece a través de un cable

blindado de dos conductores llamado Cable Belden.

El Scanner, tiene en su parte frontal dos LED´S, que indican sus condiciones de

operación, estos están marcados COMM (Comunicación) y FAULT (Falla) . En

condiciones normales, el LED FAULT permanece apagado y el LED COMM enciende

de color Verde. (Figura 4.2.9 )

Figura 4.2.9 Módulo Scsnner

398

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

399

La siguiente Tabla 4.2.1 proporciona el estado en las comunicaciones del Scanner

indicado por los LED´S:

FAULT LED COMM LED Información de estado

Error en la configuración del Scanner

No hay intento de comunicación Destellando

Rojo No aplica

Se detectó Scanner duplicado

Falla Mayor en el Scanner Rojo No aplica

No hay intento de comunicación

Apagado Rojo Falla de Hardware detectada

Apagado Apagado

Scanner operando correctamente

Scanner fuera de línea no hay intento

de comunicación

Scanner operando correctamente

Apagado Verde Scanner en línea comunicándose con

otros dispositivos

Scanner operando correctamente

Apagado Destellando Verde Cuando menos un dispositivo no está

comunicándose

Scanner operando correctamente

Apagado Destellando Rojo Ninguno de los dispositivos

configurados está comunicándose

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

Diagrama de escalera El Diagrama de Escalera, contiene las instrucciones necesarias para que el PLC

ejecute las acciones requeridas por el sistema de control, estas instrucciones se

establecen en series continuas, llamadas Corridas (Rungs), generalmente, la ultima

instrucción de cada corrida se cumple, si se cumplen las instrucciones previas, la

Figura 4.2.10 es un ejemplo de una corrida.

Los bits de datos que es

un Uno Lógico (On). E

“Verdadera” o “Falsa” Ta

Las instrucciones básica

XIC Examine If Closed

XIO Examine If Open

OTE Output Energize

Figura 4.2.10 Corrida Sencilla

400

tas instrucciones generan, pueden ser un Cero Lógico (Off) o

sto determina cuando la instrucción es considerada como

bla 2.2.1.

s son:

Examina si está Cerrado

Examina si está Abierto

Salida Energizada

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

401

e = Número de ranura del módulo de Salidas

/ = Delimitador de Bit o Terminal

b = Número de la terminal usada con el dispositivo de Salida

Tabla 4.2.1 Instrucciones

Para propósitos de Direccionamiento, las direcciones de las entradas tienen la forma:

I: e/b

Donde:

I = Datos de Entrada

: = Delimitador de ranura (Slot)

e = Número de ranura del módulo de Entradas

/ = Delimitador de Bit o Terminal

b = Número de la terminal usada con el dispositivo de entrada

De manera similar las direcciones de las salidas, tienen la forma: O: e/b

Donde:

O= Datos de Entrada

: = Delimitador de ranura (Slot)

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

402

Ejemplos:

I:1/0 = Entrada, ranura 1, terminal 0

O:2/0 = Salida, ranura 1, terminal 0

Cada instrucción puede utilizarse múltiples veces en el desarrollo del programa, lo

que simplifica la instalación, pues reduce el número de contactos auxiliares en los

interruptores y contactores, ya que basta un solo contacto auxiliar para utilizarlo

como referencia cuando se requieren múltiples aplicaciones del mismo.

Instrucciones de Tiempo

También el PLC permite utilizar instrucciones para efectuar retardos de tiempo en

ciertas instrucciones, el retardo puede aplicarse de dos maneras con dos

instrucciones:

TOF (Tim

tardo TON, con la

dirección T4

TON (Timing ON) Retarda el tiempo al activar una instrucción

ing Off) Retarda el tiempo al desactivar una instrucción

La Figura 4.2.10, muestra dos corridas, una con la instrucción de re

:0, controlada por la entrada I:1.0, La siguiente corrida, muestra el bit de

instrucción de retardo, aplicada a la instrucción de salida o:3.0.

Figura 4.2.10 Instrucción de Tiempo

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

5.- Freno Auxiliar (Freno electromagnético “ELMAGCO”) 5.1.- Principales Características Durante las actividades de perforación de un pozo petrolero, al introducir la tubería al

pozo, el peso de ésta, ejerce un esfuerzo sobre el tambor del malacate, que origina

que éste gire a gran velocidad, lo que se refleja como una gran velocidad en el

descenso de la tubería dentro del

pozo. Para detener el movimiento,

el malacate está provisto de un

sistema de frenos de fricción,

formado por un conjunto de

tambores y balatas, similares a los

usados en los frenos automotrices.

Este sistema de frenos es eficiente

para mantener detenido el tambor,

pero no son tan eficientes para

reducir su velocidad. Lo anterior

obliga a disponer de un medio

auxiliar que reduzca la velocidad a

la que gira el tambor del malacate

durante las operaciones de introducción de tubería al pozo.

Esta necesidad de obtener un frenado auxiliar, la cumple el Freno Electromagnético

(Figura 5.1.1), el cual es un dispositivo que se acopla a la flecha del tambor del

malacate y que regulado por medio de un control manual que tiene el perforador en

la consola, ejerce la función de reducir la velocidad de giro del tambor del malacate y

por lo tanto, la velocidad de descenso de la tubería en el pozo.

Figura 5.1.1 Freno Electromagnético

403

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

404

5.2.- Tipos de freno Hay dos modelos de freno, el 7838 y el 6032, cuyas características se detallan en

la Tabla 5.1.1:

ESPECIFICACIONES MODELO 6032 MODELO 7838

TORQUE A 50 R.P.M. 45,000 Lb/píe 100,000 Lb/pie

CAPACIDAD DE PROFUNDIDAD 4,560 mts. 9,120 mts.

PRINCIPIO DE OPERACION CORRIENTES DE

EDDY

CORRIENTES DE

EDDY

NUMERO DE BOBINAS CUATRO CUATRO

RESISTENCIA DE LAS BOBINAS 6.5 OHMS C/U A 40°

C.

12 OHMS C/U A 40°

C.

CORRIENTE A PLENA

EXCITACIÓN

74 AMPS. A 120

VOLTS

84 AMPS. A 240

VOLTS

POTENCIA REQUERIDA 8.8 KW 21 KW

DIAMETRO DFE LA FLECHA 7 ½ “ 7 ½ “

BALEROS 2 ESFERICOS 2 ESFERICOS

GASTO DE AGUA DE

ENFRIAMIENTO 75 GAL./MIN. 150 GAL./MIN.

MAXIMA TEMP. DEL AGUA DE

ENTRADA 100° F (38° C) 100° F (38° C.)

MAXIMA TEMP. DEL AGUA DE

SALIDA 160° F (72° C) 160° F (72° C)

DIMENSIONES 60” ALTO X 32”

ANCHO

78” ALTO X 8”

ANCHO

PESO 5,500 Kg. 12.,650 Kg.

ENTREHIERRO NOMINAL 0.040” A 0.050” 0.055 A 0.060”

ENTREHIERRO MAXIMO

PERMISIBLE 0.070” 0.090”

Tabla 5.1.1 Caracteristicas de los Frenos

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

405

5.3.- Principio de operación del freno electromagnético

El principio de operación del Freno Electromagnético, se basa en el fenómeno

electromagnético establecido por la Ley de Lenz, la cual establece que siempre que

un conductor corta un campo magnético, se induce en el conductor un voltaje, el cual

al hacer circular una corriente, genera un campo magnético que se opone al campo

Figura 5.1.1.

que lo creó. En el caso del freno, el campo magnético lo generan cuatro bobinas

(Figura 5.1.1), las cuales son alimentadas por un voltaje de corriente directa y en

lugar de un conductor, la corriente se induce en un tambor metálico de hierro. El

campo magnético generado en el tambor de hierro, cuando éste gira, es de tal

convierte a un voltaje regulable de 0-240 Volts de corriente directa, controlado a

voluntad por el perforador, por medio del actuador ubicado en la consola del

perforador.

polaridad que se opone al movimiento, lo que se traduce como un efecto de frenado.

La magnitud del frenado depende de la intensidad del campo y de la velocidad a la

que gira el tambor.

Estas corrientes que se inducen en el tambor se conocen como Corrientes de Eddy,

y debido a que la resistencia eléctrica del material del tambor es muy pequeña,

generan cantidades considerables de calor, el cual se extrae por medio de una

circulación de agua.

La corriente directa requerida para la operación del freno, la suministra el Módulo de

control, (Figura 5.3.1) el cual es alimentado con un voltaje de 220 Volts C.A. y lo

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

406

En la Figura 5.3.2, se muestra un diagrama esquemático de la interconexión del

freno y el módulo de control.

En la Figur

Figura 5.3.1 Modulo de control del Freno y Actuador

a 5.3.3, se muestran los diagramas de conexiones de las bobinas.

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

407 Figura 5.3.2 Diagrama esquemático del freno

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

408

5.4.- Recomendaciones de mantenimiento Mantenimiento del freno electromagnético

Las actividades de mantenimiento que se ejecutan en los Frenos Electromagnéticos,

deberán ajustarse a las “Cartas de Mantenimiento” establecidas en los

Figura 5.3.3 Conexiones de las bobinas del freno

Modelo 7838

Modelo 6032

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación procedimientos y de acuerdo al programa calendarizado de mantenimiento, estas

actividades incluirán lo siguiente:

Comprobar periódicamente la temperatura de operación del freno.

Comprobar periódicamente la resistencia de aislamiento de las bobinas del freno.

Comprobar periódicamente la dimensión del entrehierro.

Mantener apretados los tornillos de las conexiones en la caja del freno y en el

módulo de control.

Comprobar periódicamente el voltaje de Corriente Directa de alimentación al freno.

409

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

ANEXO A INDICE DE FIGURAS PAG. 1.1.1 Corrientes producidas por descargas 1

1.2.1 Átomos elementales 6

1.2.2 Niveles de energía 7

1.3.1 Electrización por frotación 10

1.3.2 Efectos de las cargas 11

1.3.3 Campo electrostático 12

1.4.1 Fuerza en los polos 15

1.4.2 Orientación de un imán 16

1.4.3 Polos de la tierra 17

1.4.4 Orientación de las moléculas 18

1.4.5 Campo magnético 18

1.4.6 Líneas de fuerza 19

1.4.7 Atracción y repulsión magnética 20

1.4.8 Magnetización por inducción 21

1.4.9 Deformación del campo 22

1.4.10 Blindaje magnético 22

1.7.1 Analogía hidráulica de la corriente 30

1.7.2 Voltaje producido por presión 32

1.7.3 Voltaje producido por calor 33

1.7.4 Voltaje producido por luz 34

1.7.5 Voltaje producido por acción química 36

1.7.6 Voltaje producido por magnetismo 38

1.9.1 Desplazamiento dirigido 40

1.9.2 Efecto del desplazamiento 41

1.10.1 Atracción de electrones exteriores 43

1.12.1 Resistores eléctricos y símbolos 46

1.12.2 Resistores de diferentes disipaciones 49

1.13.1 Circuito elemental 50

410

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

411

1.13.2 Circuito esquemático 52

1.15.2 Corto circuito 74

1.15.3 Corto circuito 74

1.15.4 Resistencia Interna de la Fuente 75

1.15.5 Transformación de potencia y eficiencia 77

1.16.1 Circuito en paralelo 78

1.16.2 Circuito en paralelo 79

1.16.3 Circuito en paralelo 79

1.16.4 Circuito en paralelo 79

1.16.5 Circuito en paralelo 82

1.16.6 Corrientes en un nodo 85

1.16.7 Circuito paralelo 86

1.16.8 Circuito paralelo 88

1.16.9 Circuito paralelo 89

1.16.10 Circuito paralelo 91

1.16.11 Circuito paralelo 92

1.16.12 Circuito equivalente 93

1.16.13 Circuito paralelo 95

1.13.3 Circuito esquemático 52

1.13.4 Ley de Ohm 53

1.13.5 Sumario de fórmulas 55

1.14.1 Circuito serie 59

1.14.2 Circuito serie 60

1.14.3 Circuito serie 60

1.14.4 Circuito serie 60

1.14.5 Circuito serie 61

1.14.6 Circuito serie 62

1.14.7 Circuito serie 63

1.14.8 Circuito serie 66

1.14.9 Circuito serie 68

1.15.1 Circuito abierto 73

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

412

1.16.14 Primera sustitución 98

1.16.15 Segunda sustitución 99

1.16.16 Circuito equivalente 100

1.16.17 Circuito serie paralelo 103

1.16.18 Comparación entre corriente alterna y corriente directa 103

1.16.19 Campo en un conductor 112

1.16.20 Dirección del campo 113

1.16.21 Campo resultante 114

1.16.22 Campo de una bobina 114

1.16.23 Regla de la mano izquierda 115

1.16.24 Generación de CA 117

1.16.25 Generación de un ciclo 118

1.16.26 Componentes de un ciclo 120

1.16.27 Longitud de onda 120

1.16.28 Longitud de onda 121

1.16.29 Valor de pico 122

1.16.30 Valor de pico-a-pico 122

1.16.31 Valores de una onda 123

1.16.31 Ondas en fase 124

1.16.33 Ondas defasadas 90° 125

1.16.34 Ondas defasadas 180° 126

1.16.35 Fuerza electro motriz inducida 128

1.16.36 Dirección del flujo de corriente 128

1.16.37 Aplicación de la regla de la mano izquierda 130

1.16.38 Fuerza contra electro motriz inducida 131

1.16.39 Inductores 132

1.16.40 Efecto del número de vueltas 132

1.16.41 Efecto del diámetro 133

1.16.42 Efecto del espaciamiento 134

1.16.43 Efecto del material 134

1.16.44 Efecto del número de capas 135

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

413

1.16.45 Inductancia mutua 137

1.16.45 Corriente inducida 137

1.16.47 Cargas diferentes 138

1.16.48 Cargas iguales 139

139

140

1.16.51 Símbolo del c 141

144

145

146

147

149

150

1.16.58 Capacitor elec 151

153

154

156

1.17.1 Megger 159

161

1.18.2 Aplicación prác 162

1.18.3 Agregando res 163

163

163

167

1.19.2 Frecuencímetro de disco móvil 168

1.20.1 Vista frontal de un osciloscopio 169

1.20.2 Diagrama de bloques de un osciloscopio 169

1.21.1 Tipos de fusibles 174

1.21.2 Fusibles de cartucho 174

1.21.3 Respuesta de fusibles 176

1.22.1 Interruptor termomagnético 177

1.16.49 Efecto del campo

1.16.50 Capacitor simple

apacitor

1.16.52 Carga y descarga de un capacitor

1.16.53 Corriente de carga

1.16.54 Descarga de un capacitor

1.16.55 Capacitores en serie

1.16.56 Capacitores en paralelo

1.16.57 Capacitores en paralelo

trolítico

1.16.59 Ondas en fase y defasadas

1.16.60 Angulo de fase en circuitos inductivos

1.16.61 Angulo de fase en circuitos capacitivos

1.18.1 Principio de operación de los instrumentos

tica

orte y escala

1.18.4 Dispositivo D´arsonval

1.18.5 Ampermetro de gancho

1.19.1 Frecuencímetro de Lengüetas

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

1.22.2 Interruptor termomagnético 178

1.22.3 Extintor de arco 179

1.22.4 Elemento de disparo térmico 179

1.22.5 Elemento de disparo magnético 180

1.22.6 Elemento de disparo termo-magnético 180

1.23.1 Dispositivos de control 182

1.23.2 Dispositivos de control 183

1.23.3 Contactos 183

1.23.4 Interruptor 183

1.23.5 Símbolos de interruptores 184

1.23.6 Interruptor de botón 185

1.23.7 Interruptor selector 186

1.23.8 Microinterruptor 186

1.23.9 Interruptor de presión 187

1.23.10 Interruptor bi-metálico 188

1.23.11 Interruptor de temperatura 189

1.24.1 Alambres y cables 191

1.24.2 Tipos de aislamientos 192

1.24.3 Diferencia entre Circular Mil y Mil Cuadrado 194

1.25.1 Estator de generador 200

1.25.2 Rotor de generador 201

1.25.3 Desplegado de un generador 202

1.25.4 Vista en corte de un generador 202

1.25.5 Generador EMD 203

1.26.1 Tablero de distribución 207

1.28.1 Motor trifásico 211

1.28.2 Diferentes conexiones de motores trifásicos 211

1.28.3 Formación del campo giratorio 213

1.28.4 Vista en corte de un motor de CA 216

1.28.5 Partes de un motor de CA 218

1.28.6 Rotor de jaula de ardilla 218

414

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

1.28.7 Placa de datos típica 220

1.29.1 Diagramas básicos de motores monofásicos 238

1.29.2 Marcas de terminales 238

1.29.3 Diagrama unifilar 233

1.29.4 Rotor de jaula de ardilla 233

1.29.5 Voltaje y corriente monofásica 234

1.29.6 Devanados de motor monofásico 235

1.29.7 Cambio de sentido de la corriente 235

1.29.8 Ubicación de los devanados 237

1.29.9 Conexiones de los devanados 238

1.29.10 Motores de fase partida 239

1.29.11 Conexión del devanado 239

1.29.12 Devanados de arranque y trabajo 240

1.29.13 Corriente en los devanados 240

1.29.14 Campo rotatorio en motor monofásico 241

1.29.15 Motor en operación 242

1.29.16 Interruptor Centrífugo 243

1.29.17 Operación del interruptor 243

1.29.18 Inversión de rotación 244

1.29.19 Motor con capacitor 244

1.29.20 Conexión del capacitor 245

1.29.21 Corrientes en los devanados 246

1.29.22 Motor con dos capacitores 247

1.29.23 Motor de polo sombreado 248

1.29.24 Campo magnético en el motor 250

1.30.1 Generador de CD 251

1.30.2 Estator de generador 251

1.31.1 Principio del motor de CD 255

1.31.2 Par de torsión del motor 256

1.31.3 Reacción de armadura 259

1.31.4 Motor de CD shunt 260

415

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

1.31.5 Motor con resistencia de campo 262

1.31.6 Motor de CD serie 264

1.31.7 Motor de CD compound 265

1.31.8 Motor de CD de excitación separada 266

1.31.9 Inversión de rotación en un motor de CD 267

1.31.10 Circuito para frenado 269

1.32.1 Circuito de control simple 275

1.32.2 Circuito de control 275

1.32.3 Diagrama de línea 277

1.33.1 Átomos de Germanio 280

1.33.2 Germanio y Arsénico 281

1.33.3 Flujo de electrones 281

1.33.4 Germanio e Indio 282

1.33.5 Flujo de huecos 282

1.33.6 Unión PN neutra 283

1.33.7 Polarización inversa 283

1.33.8 Polarización directa 283

1.33.9 Diodos 284

1.33.10 Diodo Zener 285

1.33.11 Efecto Zener 285

1.33.12 Diodo emisor de luz 286

1.33.13 Símbolo del LED 286

1.33.14 Indicador de encendido 287

1.33.15 Verificador de polaridad 288

1.33.16 Estructura básica de un transistor 289

1.33.17 Símbolo del transistor 290

1.33.18 Conexiones básicas del transistor 290

1.33.19 Cambiando el potencial a la base 292

1.33.20 Divisor de voltaje 292

1.33.21 Amplificador de base común 294

1.33.22 Amplificador de colector común 295

416

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

1.33.23 Transistor PNP 299

1.33.24 Símbolo del transistor PNP 299

1.33.25 Símbolo del SCR 299

1.33.26 Conexiones del SCR 300

1.32.27 Disparo del SCR 300

1.33.28 Pico de disparo 300

1.33.29 Circuito simplificado 301

1.33.30 Voltaje rectificado 301

1.33.31 Estructura del SCR 301

1.33.32 Circuitos integrados 302

1.33.33 Información de un Circuito integrado 304

1.33.34 Amplificador operacional 304

1.33.35 Disposición de terminales 305

1.33.36 Símbolo del amplificador operacional 305

1.33.37 Amplificador inversor 306

1.33.38 Amplificador no inversor 308

1.33.39 Retroalimentación por la entrada no inversora 309

1.33.39 Compuerta AND 312

1.33.40 Compuerta NAND 313

1.33.41 Compuerta OR 314

1.33.43 Compuerta NOR 315

1.33.44 Separadores e inversores 315

1.33.45 Rectificador de onda completa monofásico 317

1.33.46 Rectificador de onda completa trifásico 319

1.33.47 Rectificador controlado de onda completa 320

1.33.48 Forma del rizo del voltaje rectificado 321

1.34.1 Partes de un transformador 323

1.34.2 Acción transformadora 324

1.34.3 Polaridad de los transformadores 324

1.34.4 Símbolos de los transformadores 325

1.34.5 Transformadores secos 326

417

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

1.34.6 Núcleo de transformadores 326

1.34.7 Diagrama de conexiones de transformador 327

1.34.8 Maquina de soldar rotatoria 328

1.34.9 Máquina de soldar estática 328

1.34.10 Desplegado de una máquina de soldar 332

1.34.11 Esquemático de una máquina de soldar 333

1.34.12 Gabinete MCC 334

1.34.13 Sección de un MCC 335

1.34.14 Barras verticales 335

1.34.15 Subconjuntos de MCC 336

1.34.16 Subconjuntos de MCC 336

1.34.17 Relevador de sobrecarga 339

1.34.18 Arrancador magnético 340

1.34.19 Arrancador magnético 341

1.34.20 Operación de la bobina 341

1.34.21 Relevador térmico 342

1.34.22 Elemento térmico 342

1.34.23 Operación del relevador térmico 343

1.24.24 Circuito de protección 344

2.2.1 Formato de orden de trabajo 349

2.2.2 Formato de orden de trabajo 350

3.7.1 Determinación de errores 374

3.8.1 Calibrador de hojas 382

3.9.1 Flexómetro 382

3.10.1 Micrómetro 383

3.11.1 Nonius 384

3.11.2 Pie de Rey 385

4.1.1 Interruptor principal 387

4.1.2 Transformadores de control 388

4.1.3 Fusibles de control 388

4.2.1 Controlador Lógico Programable 389

418

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

4.2.2 Rack de PLC 391

4.2.3 Fuente de poder 392

4.2.4 Procesador CPU 393

4.2.5 Procesador 5/03 394

4.2.6 Módulos de entradas y salidas 396

4.2.7 Módulos de entradas 397

4.2.8 Módulos de salidas 398

4.2.9 Módulo Scanner 399

4.2.10 Corrida sencilla 402

4.2.11 Instrucción de tiempo 403

5.1.1 Freno electromagnético 404

5.3.1 Módulo de control 405

5.3.2 Diagrama esquemático del control del freno 408

5.3.3 Diagrama de conexiones del freno 409

INDICE DE TABLAS PAG.

1.1.1 Resistencias típicas del cuerpo humano 1

1.1.2 Efecto de la corriente de 60 Hz. En el humano promedio 2

1.16.1 Constantes dieléctricas 142

1.24.1 Resistencia de algunos materiales 190

1.24.2 Calibres de conductores 195

1.24.3 Rangos de corriente de conductores 197

1.24.4 Capacidad de conducción de corriente en cables 198

1.28.1 Velocidades sincrónicas 215

1.28.2 Factores que afectan los motores de CA 227

1.28.3 Clasificación por código 229

1.28.4 KW y KVA de motores 230

1.31.1 Condiciones del motor de CD 258

1.33.1 Comparación de sistemas decimal y binario 311

1.33.2 Tabla de verdad 313

419

Manual de Mantenimiento para Equipos de Perforación

1.33.3 Tabla de verdad 314

1.34.1 Capacidad de arrancadores 345

4.2.1 Instrucciones lógicas 402

5.1.1 Características del freno electromagnético 405

BIBLIOGRAFIA:

1. ELECTRICIDAD INDUSTRIAL de Chester L. Dawes

2. ENCICLOPEDIA DE MANTENIMIENTO INDUSTRIAL de L.C. Morow

3. MANUAL DE ELECTRONICA BASICA de Editorial Oceano

4. MANUAL DE CIRCUITOS INTEGRADOS de Arthur B. Williams

5. MANUAL DE PROCEDIMIENTOS GPMPDS

6. GENERATOR SETS Caterpillar Manual No. LEBX5048

7. MANUAL DE INSTRUCCIONES EMD

8. MANUAL DE SERVICIO ROSS HILL

9. MANUAL DE SERVICIO Integrated Power Sistems

10. MANUAL DE SERVICIO Tech Power Controls

11. SLC 500 MODULAR HARDWARE “ALLEN BRADLEY”

12. THE GETTING STARTER GUIDE FOR APS “ALLEN BRADLEY”

13. MICRO VERSATRIP GEH-6273E de General Electric

14. REGLAMENTO DE SEGURIDAD E HIGIENE PEMEX

420