1 electrificación de minas - ing. marquina

Universidad Nacional del Comahue Facultad de Ingeniera

Asentamiento Universitario Zapala

MQUINAS

MINERAS

Tomo 1

~ Electrificacin

de minas ~

Ing. Marquina Herrera

Pedro Pablo

- 1999 -

Universidad Nacional del Comahue Facultad de Ingeniera Asentamiento Universitario Zapala

ndice

i

NDICE GENERAL

1. ENERGA ELCTRICA Y SU UTILIZACIN------------------------------------------------------------------------------1 1.1. INTRODUCCIN------------------------------------------------------------------------------------------------------1 1.1.1. HISTORIA DEL USO DE LA ELECTRICIDAD EN LA MINERA------------------------------1 1.1.2. TERMINOLOGA -------------------------------------------------------------------------------------------6 1.2. CRITERIOS DE DISEO---------------------------------------------------------------------------------------------8 1.3. EQUIPOS DE DISTRIBUCIN DE ENERGA ------------------------------------------------------------------10 1.3.1. TIPOS DE EQUIPOS----------------------------------------------------------------------------------------10 1.4. SUMINISTRO DE ENERGIA----------------------------------------------------------------------------------------28 1.4.1. UTILIDADES ------------------------------------------------------------------------------------------------28 1.4.2. GENERACIN-----------------------------------------------------------------------------------------------29 1.5. ARREGLOS DE DISTRIBUCIN DE ENERGA ---------------------------------------------------------------30 1.5.1. ARREGLOS BSICOS-------------------------------------------------------------------------------------30 1.5.2. DISTRIBUCIN EN MINAS A CIELO ABIERTO --------------------------------------------------31 1.5.3. DISTRIBUCIN EN MINAS SUBT ERRNEAS----------------------------------------------------36 1.5.4. SISTEMAS DE CONEXIN A TIERRA EN MINAS-----------------------------------------------38 1.5.5. RELS DE PROTECCIN EN MINERA--------------------------------------------------------------41 1.5.6. PLANTAS DE PROCESAMIENTO DE MINERAL-------------------------------------------------42 1.6. CASOS ESPECIALES-------------------------------------------------------------------------------------------------44 1.6.1. MOTORES MINEROS -------------------------------------------------------------------------------------44 1.6.2. PERMISIBILIDAD Y REDUCCIN DE PELIGRO---------------------------------------------------46 1.6.3. BATERAS ---------------------------------------------------------------------------------------------------52 1.7 IMGENES AMPLIADAS ------------------------------------------------------------------------------------------58 2.MOTORES ASINCRONICOS TRIFSICOS------------------------------------------------------------------------------76 2.1. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR TRIFSICO A INDUCCIN -------------------76 2.2. RESBALAMIENTO ---------------------------------------------------------------------------------------------------80


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2.3. LOS ROTORES DE USO PRACTICO-----------------------------------------------------------------------------81 2.4. PRINCIPALES ASPECTOS CONSTRUCTIVOS---------------------------------------------------------------83 2.5. CONEXIONES ----------------------------------------------------------------------------------------------------------88 2.6. METODOS DE ARRANQUE---------------------------------------------------------------------------------------92 2.6.1. ARRANQUE DIRECTO -----------------------------------------------------------------------------------93 2.6.2. ARRANQUE ESTRELLA-TRIANGULO --------------------------------------------------------------94 2.6.3. ARRANQUE CON AUTOTRANSFORMADOR ----------------------------------------------------96 2.6.4. ARRANQUE CON RESISTENCIAS EN SERIE------------------------------------------------------97 2.6.5. ARRANQUE CON RESISTENCIAS EN EL ROTOR------------------------------------------------98 2.7. CONTROL DE LA VELOCIDAD-----------------------------------------------------------------------------------99 2.7.1. CONTROL POR VARIACON DE RESISTENCIA ROTORICA ----------------------------------99 2.7.2. CONTROL POR VARIACION DE TENSION APLICADA----------------------------------------100 2.7.3. CONTROL POR VARIACION DE FRECUENCIA---------------------------------------------------100 2.7.4. CONTROL POR VARIACION DEL NUMERO DE POLOS ---------------------------------------101 2.7.5. CONTROL POR MONTAJE EN CASCADA ---------------------------------------------------------102 3. MOTORES ASINCRONOS MONOFASICOS ----------------------------------------------------------------------------104 3.1. FUNCIONAMIENTO-------------------------------------------------------------------------------------------------104 3.2. MOTORES DE POLOS ANILLADOS ----------------------------------------------------------------------------106 3.3. SISTEMAS DE ARRANQUE---------------------------------------------------------------------------------------107 3.4. CAMBIO DEL SENTIDO DE ROTACIN ----------------------------------------------------------------------109 3.5. CONEXIN MONOFSICA DE LOS MOTORES TRIFSICOS------------------------------------------110 4. MOTORES SINCRNICOS ---------------------------------------------------------------------------------------------------111 4.1. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO ----------------------------------------------------------------------------111 4.2. DIAGRAMAS VECTORIALES ------------------------------------------------------------------------------------113 4.3. ESTABILIDAD DE MARCHA-------------------------------------------------------------------------------------115 4.4. CURVAS CARACTERSTICAS -----------------------------------------------------------------------------------116


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4.5. ARRANQUE DEL MOTOR SINCRNICO--------------------------------------------------------------------118 5. ELECCIN DE UN MOTOR DE INDUCCIN DE CA PARA APLICACIONES MINERAS----------------120 5.1. CONDICIONES DE OPERACIN -------------------------------------------------------------------------------120 5.2. REQUERIMIENTOS DE TORQUE DEL EQUIPO CONDUCIDO-----------------------------------------121 5.3. ESPECIFICACIONES DE DISEO ------------------------------------------------------------------------------123 5.3.1. ARMAZN DEL MOTOR------------------------------------------------------------------------------123 5.4. ESPECIFICACIONES ELCTRICAS----------------------------------------------------------------------------124 5.5. ESPECIFICACIONES MECNICAS----------------------------------------------------------------------------127 5.6. EQUIPO ACCESORIO----------------------------------------------------------------------------------------------128 5.7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ------------------------------------------------------------------128 6. CONTROLADORES DE MOTORES ELCTRICOS DE TENSIN MEDIA -----------------------------------129

6.1. LOS MOTORES ELECTRICOS EN LA MINERIA-----------------------------------------------------------129 6.2. EQUIPOS ELECTRICOS DE TENSION MEDIA -------------------------------------------------------------130 6.2.1. RAZONES PARA SU UTILIZACIN ---------------------------------------------------------------130 6.2.2. CONTROLADORES DE MOTORES DE TENSIN MEDIA -----------------------------------131 6.3. CONTROL DE VELOCIDAD DE MOTORES DE TENSION MEDIA -----------------------------------132 6.3.1. NECESIDAD DE CONTROL DE VELOCIDAD----------------------------------------------------132 6.3.2. PARTIDORES SUAVES DE ESTADO SLIDO---------------------------------------------------133 6.3.3. VARIADORES DE VELOCIDAD EN TENSIN MEDIA----------------------------------------133 6.3.4. DESCRIPCION DEL SISTEMA CSI-PWM ---------------------------------------------------------135 6.3.5. SECCIN DE SALIDA GTO-PWM-------------------------------------------------------------------135 6.3.6. MODULACIN POR ANCHO DE PULSO PWM-------------------------------------------------135 6.4. REFERENCIAS-------------------------------------------------------------------------------------------------------137 6.5. AGRADECIMIENTOS ---------------------------------------------------------------------------------------------137 7. EL COMPORTAMIENTO DEL COMANDO (DRIVE) GEARLESS (MOLINO SAG SIN

ENGRANAJES) CICLOCONVERTIDOR, BAJO CONDICIONES ELCTRICAS ANORMALES ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------138


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7.1. PRINCIPIO DE OPERACIN DEL CICLOCONVERTIDOR -----------------------------------------------138 7.2. INTERRUPCIN DE LA ENERGA -----------------------------------------------------------------------------141 7.2.1. DESCONEXIN DEL SUMINISTRO DE ENERGA ----------------------------------------------141 7.2.2. APERTURA DEL DISYUNTOR DE ALIMENTACIN SIN SEAL PARA EL

SISTEMA DE COMANDO SIN ACOPLE -----------------------------------------------------------145 7.2.3. INTERRUPCIN DE ENERGA , SIN REDUCCIN INMEDIATA DE

TENSIN----------------------------------------------------------------------------------------------------150 7.2.4. MARCHA DURANTE PEQUEOS CORTES DE ENERGA-----------------------------------152 7.2.5. CORTE EQUIVOCADO DE UN TIRISTOR, EN UN PUENTE

ANTIPARALELO -----------------------------------------------------------------------------------------154 7.2.6. FALLA A TIERRA EN CABLES O MOTOR-------------------------------------------------------155 7.2.7. TIRISTORES FALLADOS QUE NO PUEDEN BLOQUEAR TENSIN

INVERSA----------------------------------------------------------------------------------------------------156 7.2.8. CORTOCIRCUITO EN LOS TERMINALES DEL MOTOR -------------------------------------159 7.3. PRECAUCIONES PARA CORTOCIRCUITOS ---------------------------------------------------------------161 8.GENERADOR---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------165 8.1. INTRODUCCIN----------------------------------------------------------------------------------------------------165 8.1.1. FLUJOS DE POTENCIA Y PERDIDAS--------------------------------------------------------------166 8.1.2. PANORAMICA VISION DEL USO DE MAQUINAS ELECTRICAS ------------------------168 8.1.3. CONVERSION ELECTROMAGNTICA ------------------------------------------------------------169 8.1.4. VOLTAJE INDUCIDO (e) -------------------------------------------------------------------------------170 8.1.5. FUERZA ELECTROMAGNETICA (f)----------------------------------------------------------------171 8.2. MAQUINA SINCRONICA ELEMENTAL (DE POLOS SALIENTES Y ENTREHIERRO

VARIABLE) ----------------------------------------------------------------------------------------------------------171 8.3. MAQUINA TRIFSICA ------------------------------------------------------------------------------------------174 8.4. CARACTERSTICAS Y VALORES DE DISEO ------------------------------------------------------------176 8.4.1. GENERADORES SIMPLES DE AC-------------------------------------------------------------------176 8.4.2. REACCIN DE LA ARMADURA--------------------------------------------------------------------181 8.5. EL CONCEPTO DE BUS INFINITO-----------------------------------------------------------------------------183


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8.5.1. SINCRONIZACION --------------------------------------------------------------------------------------184 8.6. POTENCIA Y CARACTERISTICAS DE PAR----------------------------------------------------------------188 8.7. IMGENES -----------------------------------------------------------------------------------------------------------192 9. TRANSFORMADORES -------------------------------------------------------------------------------------------------------194 9.1 GENERALIDADES ---------------------------------------------------------------------------------------------------194 9.1.1. DEFINICIN -----------------------------------------------------------------------------------------------194 9.1.2. DISPOSICIN CONSTRUCTIVA DE LOS TRANSFORMADORES -------------------------194 9.1.3. CONDICIONES NORMALES DE SERVICIO-------------------------------------------------------196 9.2. CARACTERISTICAS NOMINALES ---------------------------------------------------------------------------201 9.3. OBJETO----------------------------------------------------------------------------------------------------------------209 9.3.1. TRANSFORMADOR IDEAL --------------------------------------------------------------------------211 9.3.2. POTENCIA EN UN TRANSFORMADOR IDEAL------------------------------------------------214 9.4. TRANSFORMADORES TRIFSICOS-------------------------------------------------------------------------215 9.4.1. CONEXIONES DE TRANSFORMADORES TRIFSICOS-------------------------------------217 9.4.2. CARACTERSTICAS DE FUNCIONAMIENTO --------------------------------------------------218 9.4.3. PRDIDAS Y RENDIMIENTO-------------------------------------------------------------------------219 9.5. AUTOTRANSFORMADORES ----------------------------------------------------------------------------------219 9.6. PREGUNTAS Y RESPUESTAS SOBRE TRANSFORMADORES ---------------------------------------220 9.7. RGIMEN ELCTRICO Y TRMICO DE LA FUSIN ELCTRICA------------------------------------235 9.7.1. PRCTICA DE LA FUSIN ELCTRICA DE LOS CONCENTRADOS

DE COBRE --------------------------------------------------------------------------------------------------238 9.8. SISTEMA ELCTRICO DEL HORNO DE ARCO------------------------------------------------------------242 9.9. IMGENES -----------------------------------------------------------------------------------------------------------246 10. INSTALACIONES DE CORRIENTE ALTERNA DE ALTA TENSIN -----------------------------------------251 10.1. SISTEMA ELCTRICO-------------------------------------------------------------------------------------------251 10.1.1. TENSIN NOMINAL DE UN SISTEMA----------------------------------------------------------251


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10.1.2. TENSIN MXIMA DE UN SISTEMA ----------------------------------------------------------251 10.1.3. CLASIFICACIN ---------------------------------------------------------------------------------------251 10.2. INSTALACIN ELCTRICA-----------------------------------------------------------------------------------252 10.2.1. CLASIFICACIN ---------------------------------------------------------------------------------------253 10.3. PLANTA ELCTRICA -------------------------------------------------------------------------------------------253 10.4. CLASIFICACIN DE LAS INSTALACIONES ELCTRICAS POR SU FUNCIN----------------253 10.4.1. CENTRALES DE GENERACIN (HIDRULICAS, TRMICAS, TURBOGS) --------254 10.4.2. ESTACIONES ELCTRICAS-------------------------------------------------------------------------256 10.4.2.1. DEFINICIONES--------------------------------------------------------------------------------257 10.4.3. COMPONENTES DE LA ESTACIN ELCTRICA---------------------------------------------258 10.4.3.1. EQUIPOS PRINCIPALES -------------------------------------------------------------------259 10.5. LNEAS DE ALTA TENSIN TRANSMISIN ---------------------------------------------------------268 10.5.1. DISTRIBUCIN -----------------------------------------------------------------------------------------270 10.6. CABLES --------------------------------------------------------------------------------------------------------------270 10.7. CABINAS DE TRANSFORMACIN-------------------------------------------------------------------------270 10.8. TABLEROS DE DISTRIBUCIN - CENTROS DE POTENCIA -----------------------------------------271 10.9. COMPENSACIN -------------------------------------------------------------------------------------------------272 10.10. UTILIZACIN----------------------------------------------------------------------------------------------------273 10.11. ACCIONAMIENTOS ELCTRICOS ------------------------------------------------------------------------274 10.12. HORNOS ELCTRICOS DE ARCO --------------------------------------------------------------------------274 10.13. FUNDAMENTO DEL USO DE TENSIONES ELEVADAS EN LA ELECTROTECNIA DE

POTENCIA---------------------------------------------------------------------------------------------------------275 10.14. IMGENES --------------------------------------------------------------------------------------------------------278 11.TERMINOLOGA ELCTRICA--------------------------------------------------------------------------------------------281 11.1. DIFERENCIA DE POTENCIAL V------------------------------------------------------------------------------281 11.2. CORRIENTE ELCTRICA I -------------------------------------------------------------------------------------281


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11.3. POTENCIA P--------------------------------------------------------------------------------------------------------282 11.4. ENERGA W ---------------------------------------------------------------------------------------------------------283 11.5. ELEMENTO RESISTIVO, INDUCTIVO Y CAPACITIVO ------------------------------------------------283 11.5.1. RESISTENCIA R-----------------------------------------------------------------------------------------284 11.5.2. AUTOINDUCCIN L ----------------------------------------------------------------------------------284 11.5.3. CAPACIDAD C------------------------------------------------------------------------------------------285 11.6. CIRCUITOS DE CORRIENTE ALTERNA -------------------------------------------------------------------286 11.6.1. ONDA SENOIDAL--------------------------------------------------------------------------------------287 11.6.2. FRECUENCIA Y PERIODO---------------------------------------------------------------------------287 11.6.3. RESISTENCIA EN C.A---------------------------------------------------------------------------------288 11.6.4. REACTANCIA INDUCTIVA -------------------------------------------------------------------------288 11.6.5. REACTANCIA CAPACITIVA -----------------------------------------------------------------------289 11.7. CIRCUITO SERIE--------------------------------------------------------------------------------------------------289 11.8. CIRCUITO PARALELO ------------------------------------------------------------------------------------------291 11.9. POTENCIA ELCTRICA-----------------------------------------------------------------------------------------293 11.9.1. POTENCIA EN REGIMEN PERMANETE SENOIDAL: POTENCIA ACTIVA (P) ----------------------------------------------------------------------------------------------294 11.9.2. POTENCIA APARENTE (S)--------------------------------------------------------------------------297 11.9.3. POTENCIA REACTIVA (Q) --------------------------------------------------------------------------297 11.9.4. TRIANGULO DE POTENCIAS ----------------------------------------------------------------------298 11.9.5. POTENCIA COMPLEJA-------------------------------------------------------------------------------299 11.9.6. CORRECCION DEL FACTOR DE POTENCIA---------------------------------------------------300 11.10. CIRCUITOS TRIFSICOS-------------------------------------------------------------------------------------301 11.10.1. SISTEMAS TRIFSICOS ---------------------------------------------------------------------------302 11.10.2. TENSIONES EN EL SISTEMA TRIFSICO----------------------------------------------------303 11.10.3. CARGAS EQUILIBRADAS EN UN SISTEMA TRIFSICO -------------------------------304


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11.10.4. CARGA DESEQUILIBRADA CONECTADA EN TRIANGULO---------------------------307 11.10.5. CARGA DESEQUILIBRADA CONECTADA EN ESTRELLA CON CUATRO

CONDUCTORES--------------------------------------------------------------------------------------308 12. IMGENES VARIAS ---------------------------------------------------------------------------------------------------------310 REFERENCIAS


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INDICE DE IMAGENES

1.1. Sistema bsico de energa ----------------------------------------------------------------------------------------- 5 1.2. Diagrama simplificado de un centro de carga-----------------------------------------------------------------11 1.3. Diagrama simplificado de una sala de interruptores --------------------------------------------------------16 1.4. Diagrama simplificado de una subestacin -------------------------------------------------------------------17 1.5. Secciones transversales de los conductores en mas usados en minera ------------------------------22 1.6. Sistema simple de distribucin radial aplicado al destape de mina--------------------------------------33 1.7. Sistema secundario selectivo de distribucin aplicado al destape de mina ---------------------------34 1.8. Sistema de distribucin radial de dos barras aplicadas al destape de mina ---------------------------34 1.9. Sistemas de distribucin radial en destape de mina usando lneas areas ----------------------------35 1.10. Sistema de distribucin para un open pit ilustrando el anillo principal-------------------------------35 1.11. Sistema de distribucin radial simplificado para una mina subterrnea de carbn ----------------36 1.12. Distribucin secundario selectiva aplicado a minera subterrnea----------------------------------38 1.13. Distribucin radial simple aplicada a una planta de procesamiento mineral-------------------------43 1.14. Distribucin secundario selectivo aplicado a una planta de procesamiento de carbn -------44 1.15. Esquema de una instalacin al intemperie ------------------------------------------------------------------72 1.16. Acople de cables ---------------------------------------------------------------------------------------------------74 1.17. Arreglo de una subestacin porttil --------------------------------------------------------------------------74 1.18. Subestacin mvil -------------------------------------------------------------------------------------------------75 1.19. Cables planos de uso minero -----------------------------------------------------------------------------------75 2.1. Estator y campo rotante--------------------------------------------------------------------------------------------76 2.2. Distribucin del devanado estator y corrientes--------------------------------------------------------------77 2.3. Esquema elemental del principio de funcionamiento con rotor en corto circuito--------------------77 2.4. Esquema elemental del principio de funcionamiento con rotor bobinado-----------------------------79 2.5. Smbolos normalizados---------------------------------------------------------------------------------------------79 2.6. Aspecto de un rotor en cortocircuito---------------------------------------------------------------------------82


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2.7. Aspecto de un rotor bobinado -----------------------------------------------------------------------------------83 2.8. Esquema del aspecto exterior-------------------------------------------------------------------------------------83 2.9. Corte esquemtico del motor con rotor en corto circuito o rotor jaula ---------------------------------84 2.10. Rotor en corto circuito--------------------------------------------------------------------------------------------85 2.11. Rotor bobinado-----------------------------------------------------------------------------------------------------85 2.12. Corte por un plano normal al eje de giro. Disposicin general de los componentes ------------86 2.13. Formas constructivas de las ranuras del rotor--------------------------------------------------------------87 2.14. Tipos de carcazas --------------------------------------------------------------------------------------------------87 2.15. Esquema de un motor asincrnico con rotor en corto circuito -----------------------------------------88 2.16. Esquema del motor con rotor bobinado----------------------------------------------------------------------88 2.17. Caja terminal para la conexin del motor a la red -----------------------------------------------------------89 2.18. Caja terminal para el caso de un motor trifsico asincrnico con rotor bobinado -----------------89 2.19. Placa de bornes de un motor trifsico asincrnico con rotor jaula (serie) ---------------------------90 2.20. Placa de bornes de un motor trifsico asincrnico con rotor jaula (paralelo)-----------------------90 2.21. Conexiones tpicas-------------------------------------------------------------------------------------------------91 2.22. Conexin de un motor trifsico asincrnico a induccin con rotor bobinado----------------------91 2.23. Curva de C vs s-----------------------------------------------------------------------------------------------------93 2.24. Esquema de conexin y curva de C vs s para arranques directos -------------------------------------93 2.25. Esquema de conexin y curva de C vs s para arranque estrella - tringulo -------------------------94 2.26. Esquema de conexin y curva de C vs s para arranque con autotransformador-------------------96 2.27. Esquema de conexin y curva de C vs s para arranque con resistencias en serie -----------------97 2.28. Esquema de conexin y curva de C vs s para arranque con resistencias en el rotor--------------98 2.29. Esquema de conexin del control por variacin de resistencia rotrica------------------------------99 2.30. Esquema de conexin del control por variacin de frecuencia -----------------------------------------101 2.31. Esquema de conexin del control por variacin del numero de polos--------------------------------102 2.32. Esquema de conexin del control por montaje en cascada ----------------------------------------------103


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3.1. Motor trifsico conectado en forma monofsica ------------------------------------------------------------104 3.2. Devanados de un motor monofsico ---------------------------------------------------------------------------105 3.3. Motor de rotor exterior---------------------------------------------------------------------------------------------105 3.4. Motor de rotor en forma de anillo -------------------------------------------------------------------------------106 3.5. Motor de rotor en jaula de ardilla --------------------------------------------------------------------------------107 3.6. Arranque con resistencia en fase auxiliar----------------------------------------------------------------------107 3.7. Interruptor centrfugo ----------------------------------------------------------------------------------------------108 3.8. Utilizacin de un conmutador de arranque--------------------------------------------------------------------108 3.9. Arranque con condensador en serie con la fase auxiliar---------------------------------------------------109 3.10. Cambio del sentido de rotacin --------------------------------------------------------------------------------109 3.11. Conexin monofsica de los motores trifsicos------------------------------------------------------------110 4.1. Esquema de funcionamiento del motor sincrnico ----------------------------------------------------------111 4.2. Representacin segn normas IRAM --------------------------------------------------------------------------113 4.3. Dos alternadores en paralelo -------------------------------------------------------------------------------------113 4.4. Diagrama simplificado del alternador para una fase---------------------------------------------------------114 4.5. Diagrama para tres estados diferentes de excitacin -------------------------------------------------------115 4.6. Diagrama de cupla vs. ngulo de carga ------------------------------------------------------------------------116 4.7. Diagrama de corriente adsorbida en funcin de la excitacin--------------------------------------------117 4.8. Motor s incrnico con arranque como asincrnico---------------------------------------------------------118 4.9. Motor sincrnico con arranque como asincrnico con jaula --------------------------------------------119 5.1. Curva velocidad del motor vs. torque --------------------------------------------------------------------------122 6.1. Diagrama esquemtico de un Partidor Suave de Estado slido ------------------------------------------132 6.2. Inversor CSI-PWM--------------------------------------------------------------------------------------------------134 6.3. Ondas de modulacin trapezoidal-------------------------------------------------------------------------------135 6.4. Eliminacin Selectiva de Armnicas (SHE) --------------------------------------------------------------------136 8.1. Diagrama de bloques de dispositivos electromecnicos de conversin de energa ----------------165


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8.2. Sistema electromecnico de conversin de energa---------------------------------------------------------166 8.3a. Diagrama de flujo de potencia de un generador------------------------------------------------------------167 8.3b. Diagrama de flujo de potencia de un motor------------------------------------------------------------------168 8.4. Sistema de generacin, transmisin, distribucin, y consumo de energa ----------------------------168 8.5. Conductor movindose en un campo magntico------------------------------------------------------------170 8.6. Conductor con corriente movindose en un campo magntico------------------------------------------171 8.7. Estructura de una mquina sincrnica. (b) Estator laminado. (c) Detalle de la flecha --------------172 8.8. Conexin de la fuente de campo (a) (fsico), (b) (esquemtico)------------------------------------------173 8.9. Mquina trifsica de dos polos salientes----------------------------------------------------------------------174 8.10. Diagrama de un generador simple de AC (monofsico) -------------------------------------------------178 8.11. Diagramas de un generador simple (trifsico) --------------------------------------------------------------180 8.12. Excitacin del generador con diferentes factores de potencia------------------------------------------182 8.13. Bus Infinito----------------------------------------------------------------------------------------------------------183 8.14. Diagrama esquemtico para la sincronizacin de un generador con el bus infinito---------------185 8.15. Figura 8.15. Conjunto Turbogenerador-----------------------------------------------------------------------192 8.16. Estator mostrando los distribuidores de agua y conexin final del devanado ---------------------193 8.17. Esquema bsico de una unidad rectificadora de seis secciones ---------------------------------------193 9.1. Tipos de ncleos ----------------------------------------------------------------------------------------------------196 9.2. Dibujo esquemtico de un arrollamiento alternado ---------------------------------------------------------196 9.3. Estructura de los arrollamientos ---------------------------------------------------------------------------------196 9.1. Esquema y Smbolos de un transformador ideal-------------------------------------------------------------212 9.4. Esquema de conexin de un autotrafo monofsico ---------------------------------------------------------220 9.5. Esquema de conexin de un autotrafo trifsico--------------------------------------------------------------220 9.6. Transmisin de calor------------------------------------------------------------------------------------------------237 9.7. Esquema elctrico de un horno de arco------------------------------------------------------------------------243


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9.8. Transformador trifsico, con aislamiento en aceite, de 315 Kva, 10000 4% / 400 V, parcialmente cortado -----------------------------------------------------------------------------------------------------246 9.9. Dibujo esquemtico de los accesorios de un transformador con aislamiento de aceite -----------247 9.10. Trafos rurales -------------------------------------------------------------------------------------------------------247 9.11. Trafo seco -----------------------------------------------------------------------------------------------------------248 9.12. Selector de tomas de un regulador bajo carga y para regulacin en vaco --------------------------248 9.13. Trafo 132/33/13,2 Kv (Yyd), 15/15/10 Mva ------------------------------------------------------------------250 9.14. Trafo con ventilacin forzada (izq.); Vista de los rele de Buchholz (der.)----------------------------250 10.1. Tensin compuesta -----------------------------------------------------------------------------------------------251 10.2. Tensin media ------------------------------------------------------------------------------------------------------251 10.3. Clasificacin de sistemas elctricos por niveles de tensin---------------------------------------------252 10.4. Corte de una turbina hidrulica---------------------------------------------------------------------------------254 10.5. Seccin de una central trmica ---------------------------------------------------------------------------------255 10.6. Turbina de gas------------------------------------------------------------------------------------------------------255 10.7. Circuito de alimentacin de una central termoelctrica ---------------------------------------------------256 10.8. Circuito de una estacin de interconexin y de transformacin ---------------------------------------256 10.9. Equipos involucrados en una estacin-----------------------------------------------------------------------257 10.1 0. Diagrama unifilar de equipos principales de una estacin---------------------------------------------259 10.11. Vistas de un interruptor de alta tensin--------------------------------------------------------------------260 10.12a. Vista de un seccionador rotativo de tres columnas con cuchillas de puesta a tierra ----------261 10.12b. Vista de un seccionador rotativo de dos columnas con cuchillas de puesta a tierra ----------261 10.13. Vista de un transformador de tensin-----------------------------------------------------------------------263 10.14a. Vista de un transformador de corriente con ncleo en alto ------------------------------------------264 10.14b. Vista de un transformador de corriente con ncleo ubicado abajo --------------------------------264 10.15. Descargador de sobretensin---------------------------------------------------------------------------------265 10.16. Capacitor de acoplamiento-------------------------------------------------------------------------------------266


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10.17. Transformador de tensin capacitivo (como capacitor de acoplamiento) -------------------------266 10.18. Bobina de bloqueo o trampa de onda-----------------------------------------------------------------------266 10.19. Transformador de potencia------------------------------------------------------------------------------------267 10.20. Soportes metlicos de lneas ----------------------------------------------------------------------------------269 10.21. Soportes de hormign de lneas ------------------------------------------------------------------------------269 10.22. Unifilar de sistema de distribucin---------------------------------------------------------------------------270 10.23. Cabina de transformacin--------------------------------------------------------------------------------------271 10.24. Tableros de distribucin ---------------------------------------------------------------------------------------272 10.25. Esquema de funcionamiento de horno elctrico----------------------------------------------------------275 10.26. Unifilar de una instalacin de transmisin simple--------------------------------------------------------275 10.27. Interruptor SF6 132 Kv ------------------------------------------------------------------------------------------278 10.28. Descargadores de sobretensin 132 Kv--------------------------------------------------------------------279 10.29. Seccionador de barra 132 Kv ----------------------------------------------------------------------------------279 10.30. Transformador trifsico de potencia ------------------------------------------------------------------------280 10.31. TI y TV--------------------------------------------------------------------------------------------------------------280 11.1. Sentido de la corriente elctrica --------------------------------------------------------------------------------282 11.2. Sentido de la potencia --------------------------------------------------------------------------------------------283 11.3. Cada de tensin en una resistencia---------------------------------------------------------------------------284 11.4. f.e.m. inducida en una inductancia ----------------------------------------------------------------------------285 11.5. Carga de un capacitor---------------------------------------------------------------------------------------------286 11.6. Generador simplificado y forma de onda generada--------------------------------------------------------286 11.7. Onda senoidal ------------------------------------------------------------------------------------------------------287 11.8. Frecuencia y periodo----------------------------------------------------------------------------------------------287 11.9. Forma de onda de tensin y corriente en un circuito resistivo (no hay desfasaje)----------------288 11.10. Forma de onda de tensin y corriente en un circuito inductivo (La v adelanta a i en 90)-----288 11.11. Forma de onda de tensin y corriente en un circuito capacitivo (La i adelanta a v en 90) ----289


ndice

xv

11.12. Circuito serie ------------------------------------------------------------------------------------------------------290 11.13. Circuito compuesto por una resistencia y una inductancia en serie --------------------------------290 11.14. Diagrama de impedancias, Diagrama fasorial VI y Diagrama fasorial de tensiones --------------291 11.15. Circuito paralelo --------------------------------------------------------------------------------------------------292 11.16. Circuito con 3 resistencias una inductancia y un capacitor en paralelo----------------------------293 11.17. Diagrama fasorial VI, suma resultante de fasores de intensidad y Circuito equivalente -------293 11.18. Esquema de un circuito pasivo -------------------------------------------------------------------------------293 11.19. Forma de onda de la potencia activa en circuito inductivo--------------------------------------------294 11.20. Forma de onda de potencia en un circuito capacitivo --------------------------------------------------295 11.21. Potencia en circuito resistivo ---------------------------------------------------------------------------------296 11.22. Forma de onda de potencia en un circuito resistivo-----------------------------------------------------296 11.23. Tringulo de Potencia para un circuito inductivo--------------------------------------------------------298 11.24. Tringulo de Potencia para un circuito capacitivo-------------------------------------------------------298 11.25. Tringulo de potencia-------------------------------------------------------------------------------------------299 11.26. Tringulo de potencia inicial y corregido ------------------------------------------------------------------301 11.27. Generacin de un sistema trifsico y forma de onda de las tensiones ------------------------------302 11.28. Secuencia CBA ---------------------------------------------------------------------------------------------------302 11.29. Conexin estrella (a) y tringulo(b)--------------------------------------------------------------------------303 11.30. Tensiones de lnea y fase para las dos secuencias ------------------------------------------------------304 11.31. Circuito trifsico en tringulo ---------------------------------------------------------------------------------304 11.32. Diagrama fasorial-------------------------------------------------------------------------------------------------304 11.33. Circuito estrella con conductor neutro ---------------------------------------------------------------------306 11.34. Diagrama fasorial-------------------------------------------------------------------------------------------------306 11.35. Circuito triangulo desequilibrado----------------------------------------------------------------------------307 11.36. Diagrama fasorial-------------------------------------------------------------------------------------------------307 11.37. Circuito estrella con conductor neutro desequilibrado-------------------------------------------------308


ndice

xvi

11.38. Diagrama fasorial-------------------------------------------------------------------------------------------------308 12.1. Shuttler car elctrico ----------------------------------------------------------------------------------------------310 12.2. Motor sincrnico para molino a bolas con embrague neumtico--------------------------------------310 12.3. Corte de un motor de induccin--------------------------------------------------------------------------------311 12.4. Rotores de motores sincrnicos de alta y baja velocidad -----------------------------------------------313 12.5. Instrumentos de medicin para montaje e n tableros ------------------------------------------------------313 12.6. Seccionador bajo carga 13,2 Kv --------------------------------------------------------------------------------314 12.7. Seccionador fusible tipo XS-------------------------------------------------------------------------------------314 12.8. Cmara de interrupcin de un interruptor en vaco--------------------------------------------------------315 12.9. Ciclo de interrupcin de un cortocircuito--------------------------------------------------------------------315

Universidad Nacional del Comahue 1 Facultad de Ingeniera Asentamiento Universitario Zapala Mquinas Mineras

Electrificacin de Minas

1. ENERGA ELCTRICA Y SU UTILIZACIN

1.1. INTRODUCCIN. Tradicionalmente, los sistemas de energa elctrica de minas

han representado un escaso inters para el ingeniero en minas, quien ha tendido a evitarlos,

o para el ingeniero en electricidad, que le ha prestado poca atencin. Sin embargo,

actualmente, los sistemas de energa en minas son complejos y estn sujetos a numerosas

regulaciones legales, y ya no es posible tratar el tema con la indiferencia mostrada en el

pasado. El equipo minero es normalmente mvil y autopropulsado; la mayora es

impulsado elctricamente mediante cables porttiles, y por seguridad deben estar

conectados a tierra. Las mquinas y los equipos de distribucin de energa pocas veces son

estacionarios, y deben resistir niveles extremos de polvo, humedad y vibracin. La energa

elctrica generada por la maquinaria minera, es cclica y puede ser sumamente variable.

Los desplazamientos continuos dentro de la escena minera, donde la distribucin de energa

debe re ubicarse constantemente y esta sujeta al mal uso tanto por parte de los operarios

como de la maquinaria misma, implica un riesgo potencial de seguridad siempre. El diseo

y mantenimiento de dichos sistemas representan una exigencia y un desafo. Requieren de

un especialista con conocimientos de ingeniera en minas y electricidad. Adems, la

direccin eficiente de la mina necesita que la persona responsable de la produccin y la

seguridad est tambin familiarizada con el sistema elctrico de la mina.

La intencin de este captulo es proporcionar al ingeniero una introduccin al uso de

la energa elctrica en minera. Se han incluido numerosas pautas, pero debido a que este

tema es demasiado extenso, no se pueden presentar ejemplos concretos. Para profundizar

este tema deben consultarse las referencias bibliogrficas, y en particular, otros trabajos de

los mismos autores.

1.1.1. HISTORIA DEL USO DE LA ELECTRICIDAD EN LA MINERA. La electricidad se

introdujo en la minera apenas antes del comienzo de siglo XX en forma de corriente

continua (CC) para el acarreo ferroviario. La corriente continua fue utilizada entonces

debido a que en ese tiempo la mayora de los sistemas eran impulsados por generadores de



corriente continua. La corriente continua tiene numerosas ventajas para el acarreo, la ms

importante es el hecho de que los motores serie de corriente continua tienen una capacidad

de traccin excelente. Las bateras funcionaron como las primeras fuentes de energa; de

esta forma los vehculos impulsados a batera eran sumamente mviles a pesar de que

estaban limitados por rieles. Sin embargo, poco tiempo despus se introdujo el cable de

tranva en varias minas. Al permitir que el cable actuara como un conductor y el riel como

otro, result la forma ms sencilla de distribucin de energa conocida hasta entonces en la

industria minera. De este modo el uso de sistemas de corriente continua con una tensin de

25o a 550 V se afianz firmemente en las minas.

En minas subterrneas, las primeras mquinas impulsadas elctricamente, fueron las

cortadoras de carbn, que se introdujeron a principios de 1920. Aunque la corriente

continua no ofreca ventajas especiales, estaba disponible y la mquina estaba equipada con

motores de corriente continua y conectada al sistema. La cortadora de carbn fue seguida

casi inmediatamente por el cargador, accionado tambin por un motor de corriente

continua. En minas con acarreo ferroviario, cables de remolque provean de energa al cable

del tranva y el riel a la mquina.

El siguiente aumento significativo en el consumo de energa se dio con la

introduccin del transporte frreo de corta longitud, casi 20 aos despus de que se usara la

cortadora de carbn por primera vez. De hecho, cuando se invent el primer tren corto

(shuttle car) era impulsado a batera. Posteriormente se agreg un equipo de devanado

automtico para manejar el cable de remolque con el objeto de superar las deficiencias de

las bateras. Los cables de remolque tambin se conectaron al sistema de energa de

arrastre, y cuando se combin este equipo con las cortadoras y los cargadores se gener una

demanda adicional en el sistema de distribucin de corriente continua.

A fines de los aos 40, cuando las primeras mquinas mineras de trabajo continuo

empezaron a ser utilizadas intensivamente en las minas de carbn, se cont con la CC para

proporcionar la energa. Los equipos mineros continuos consuman ms energa que la

suma de las mquinas mineras convencionales que reemplazaban, y debido a que la

potencia requerida causaba altas demandas de corriente, la corriente continua result ser



poco satisfactoria en la mayora de los casos. La demanda de corriente existente trajo

consigo enormes cadas de tensin en el sistema de distribucin. Como resultado, el sistema

de suministro de CC fue separado del sistema de acarreo, aunque finalmente se demostr

que hasta esto era inadecuado. Durante perodos pico de operacin, las tensiones en las

mquinas eran por dems inferiores a los valores previstos y hasta una eficiencia moderada

resultaba imposible. Se necesitaron cables de mayor tamao para proporcionar la energa

requerida lo que gener problemas adicionales para el manejo de los mismos. El uso de

distribucin y motores de corriente alterna (trifsica CA) pareca una respuesta obvia

aunque tuvo que esperar una dcada para ser implementada debido a que algunas

compaas mineras eran reticentes al cambio. En muchos casos, esto se deba a las leyes

que en algunos estados de EE.UU. limitaban la mxima tensin en minas subterrneas.

Cuando finalmente se permitieron tensiones ms altas, pudo comprenderse cun

econmico era el uso de CA; rpidamente se pas de CC a CA tanto para la distribucin

como para las cargas de mayor potencia en minas subterrneas. Como resultado de las

conversiones, el sistema de energa en mina tiene generalmente dos niveles, distribucin y

utilizacin que se ilustran en la figura 1.1. Aqu la subestacin transforma la tensin de

utilizacin a los niveles de distribucin, a menudo a tensiones mayores de 1000 V. La

energa de esta tensin es distribuida a travs de conductores de la subestacin a la estacin

transformadora, por esto se denomina sistema de distribucin. La estacin transformadora

de mina o centro de carga, de hecho es una subestacin porttil, transforma la tensin para

los niveles de utilizacin, normalmente a baja tensin (en la prctica minera en EE.UU., se

define en 660 V o menos), o a una tensin promedio (661 a 1000 V). Es a este nivel o

tensin fase que normalmente se le da la energa a los equipos. A pesar de esta referencia a

los niveles de tensin, debe observarse que la distribucin y utilizacin describen funciones

de un segmento del sistema de energa, no un rango de tensin especfica.

Inicialmente, la distribucin de la CA primaria se hizo con 2100 o 4160 V. En la

mayora de las minas, estos niveles se aumentaron posteriormente a 7200 V, y algunas

operaciones aumentaron las tensiones hasta 12470 o 13200 V. La razn principal para

aumentar la tensin era que, para la misma carga, la corriente sera respectivamente ms



baja, y ocasionara prdidas, de distribucin menores. Desde el comienzo, la corriente

alterna de 440 Vera la ms aceptada para la utilizacin, a pesar del demostrado xito de los

equipos mineros continuos, su potencia fue aumentada progresivamente. La potencia

adicional producida ocasion un incremento en el tamao de los cables, hasta que el peso

fue casi ms de lo que el personal poda manejar. Para compensar, la opcin ms comn era

aumentar las tensiones establecidas del motor a 500 V. Recientemente, se han fabricado

mquinas con motores de tensiones de 950 V, 2400 V y 4160 V para lograr superar los

problemas de arrastre de cables. Los dos tensiones ms elevadas han logrado recientemente

mayor aceptacin para los sistemas mineros de alta capacidad en las explotaciones por tajos

largos. (Morley, Kohler, y Smolnikar, 1988; Morley, Novak, y Davidson, 1989).

Considerando que los motores serie de corriente continua se utilizaban

universalmente para el acarreo frreo subterrneo, los primeros motores grandes usados en

minera de superficie eran los de devanado en derivacin de CC debido a su caracterstica

de velocidad constante. La distribucin inicial para las palas elctricas era tambin de

corriente continua debido a la naturaleza de la generacin de energa. Los sistemas de

corriente alterna fueron superiores con los sucesivos adelantos tecnolgicos, y se probaron

motores de CA con cierto xito. Sin embargo, en el ao 1927, la invencin del conjunto

motor-generador (m-g) AC / CC y la invencin del controlador de velocidad del bobinado

elctrico Ward-Leonard llev al abandono de estos esfuerzos. El nuevo sistema de mando

permiti que se variara y controlara la velocidad del motor al variar la tensin de la

armadura mientras se mantena el voltaje constante a travs del campo de derivacin. Los

conjuntos (m-g) funcionaron como unidades de conversin de energa en tableros,

estableciendo el uso de distribucin de CA en minas a cielo abierto. Los conjuntos motor-

generador accionados por motores a induccin de CA o sincrnicos, el controlador Ward-

Leonard, y los motores de CC establecieron la norma, y an en la actualidad dicha

combinacin es todava utilizada en mquinas mineras excavadoras.

La distribucin y utilizacin de la tensin en minas a cielo abierto aument para

igualar los rpidos incrementos de la potencia en la maquinaria minera. Hasta mediados de

los aos 50, los niveles que se usaban en minas eran de 4160 y 2300 V; posteriormente con



Fuente Elctrica

Subestacin Casillas de Interruptores Estacin Transformadora de Mina

Carga a la Mina

Nivel de Tensin de UtilizacinNivel de Tensin de Distribucin

Transmisin Distribucin Utilizacin

el advenimiento de cargas mayores se demostr que 7200 Vera ms aconsejable (Rein,

1968). Sin embargo, este nivel result ser inadecuado cuando se introdujeron mquinas

mayores de 100 yd3 (76 m3), y la tensin de 13800 V para minas y excavador se

estandariz. Con mquinas de ms de 200 yd3 (153 m3) de capacidad, la tensin de

utilizacin establecido era de 23000 V, pero incluso con el sustancial aumento en la

distribucin, algunas cargas hasta los 1000 HP (746 Kw.) siguieron siendo manejadas con

480 V. La produccin con palas mecnicas hasta las 18 yd3 (14 m3) permaneci en los

4160 y 7200 V, mientras que en general los 4160 V se establecieron para maquinaria con

1500 HP o menos, y como resultado ms de un nivel de tensin podra ser requerido en una

mina cuando eran empleados excavadores de diferentes tamaos.

Figura 1.1. Sistema bsico de energa



1.1.2. TERMINOLOGA. Varios trminos son usados para describir las operaciones

elctrico de un sistema de potencia. Estos trminos no slo son aplicables al diseo,

operacin, y mantenimiento, pero tambin en compaa de facturacin. Si se suman todas

las potencias de los equipos en operacin, el resultado proveer la potencia instalada.. La

medida podra expresarse en caballos de fuerza, pero unidades elctricas de kilovatios

(Kw), kilovolt-amperios (Kva), o amperios (A) es ms conveniente. (Los caballos de fuerza

conectados pueden convertirse fcilmente a kilovatios conectados multiplicndolo por

0,746.) Muchas cargas operan intermitentemente, sobre todo los equipos en la produccin

minera, con condiciones de carga variable. Generalmente, la demanda de energa a la fuente

frecuentemente es menor que la potencia instalada. Este hecho es importante en el diseo

de cualquier sistema de energa, por lo cual el sistema debe disearse para carga conectada

realmente usada, en lugar de la potencia instalada. Obviamente, estas consideraciones

tienen gran impacto en la inversin del sistema o el capital requerido para construir el

sistema.

Debido a la importancia de evaluar las demandas de los equipo, el Instituto de

Ingenieros Elctricos y Electrnicos, Inc. (IEEE) tiene definiciones normalizadas para las

combinaciones de carga y sus proporciones. Algunas de las definiciones importantes son

las siguientes (Anon., 1986):

1. Demanda es la carga elctrica para un complejo entero o una sola parte de un

equipo promediados sobre de un intervalo de tiempo especificado. El tiempo o el intervalo

de la demanda generalmente es 15 min., 30 min., o 1 hr., y la demanda generalmente se

expresa en kilovatios, kilovolt-amperios, o amperios.

2. Pico de carga es la mxima carga consumida o producida por una parte o un grupo

de equipos en un periodo de tiempo declarado. Puede ser la carga mxima instantnea, la

carga mxima promedio, o la carga mxima conectada sobre un periodo de tiempo.

3. Mxima demanda es la mayor demanda que ha ocurrido durante un periodo de

tiempo especificado.

4. Factor de demanda es la relacin entre la mxima demanda y la potencia instalada.



5. Factor de diversidad es la relacin entre la suma de las mximas demandas

individuales de cada parte del sistema o subdivisin y la mxima demanda del sistema

completo.

6. Factor de carga es la relacin entre la carga promedio y el pico de carga, ambos

sobre el mismo periodo de tiempo designado. Esto tambin puede ser igual a la relacin

entre la energa consumida y la potencia instalada en un mismo periodo de tiempo.

7. Demanda coincidente es cualquier demanda que ocurre simultneamente con otra

demanda. Todas estas definiciones pueden aplicarse a las unidades de energa, potencia

aparente, o corriente. As ellos son requeridos para el diseo del sistema, y algunos

ejemplos ilustrarn su versatilidad.

Considere una lnea que alimenta varias secciones mineras en una mina del

subterrnea. La suma de las cargas conectadas en el cable, multiplicada por el factor de

demanda de estas cargas, proporciona la mxima demanda que el cable debe transmitir. Si

se calcula con la corriente, sta sera la mxima corriente. Factores de demanda buenos para

los sistemas en minas van de 0.7 a 0.8 y dependiendo del nmero de secciones en

operacin. El menor valor se usa cuando hay menos unidades en produccin (por ejemplo,

de dos a cuatro). El factor de la demanda puede extenderse para incluir estimaciones de

carga promedio. Por ejemplo, la suma de las cargas promedio en el cable multiplicado por

el factor de la demanda proporciona la carga promedio en el cable. La principal aplicacin

aqu es aproximar la corriente que se espera que circule en un conductor. Si, por ejemplo,

10 secciones mineras idnticas tuviesen una carga de 53 A, se esperaran que los

conductores que alimentan todas estas secciones llevaran:

( ) ( ) ( )promedio Cargademanda deFactor * totalpromedio Carga = o

A 4428,0*A 35*10 =



El factor de demanda y el factor de diversidad puede aplicarse a muchos otras

sectores de las mina, como estimar capacidades de transformadores, circuitos de proteccin,

y la carga que la compaa debe proporcionar.

El factor de carga puede usarse para estimar las cargas reales requeridas por los

equipos. Aqu la potencia instalada multiplicada por el factor de carga es una aproximacin

de la potencia real consumida. Debe notarse que el factor de carga promedio en minas

subterrneas tiende a ser bastante bajo, principalmente debido a la naturaleza cclica de

funcionamiento de las mquinas, pero tambin al empleo de motores de alto caballos de

fuerza necesarios para realizar funciones especficas y operando a veces por un lapso

pequeo de tiempo. Por ejemplo, en una extraccin continua una mina puede tener todo los

motores operando, as tenga una potencia instalada de 385 HP o (0.746) (385) = 287 Kw. El

factor de carga promedio podra ser 0.6; por consiguiente, la potencia real utilizada es

(0.6)*(287) = 172 Kw. El factor de carga tambin puede aplicarse a combinaciones de

equipos.

La demanda mxima de energa normalmente forma una de las base que las

compaas de energa usan para determinar la facturacin de energa; a menudo, un mes es

el periodo de tiempo especificado. Se instalan a frecuentemente medidores de energa en la

compaa de energa y en la industria.

1.2. CRITERIOS DE DISEO. La meta del ingeniero es proporcionar un sistema

elctrico eficaz, confiable de mxima seguridad y del menor costo posible. El tipo de

informacin que el ingeniero necesita para saber si la potencia puede ser entregada por una

compaa o no son: el tamao de la mina, la expansin potencial anticipada, los tipos de

equipos a ser usado, los mtodos de extraccin a ser empleados. Tambin se designa la

cantidad de capital para el sistema elctrico.

El diseos del sistema debe contemplar ciertos criterios mnimos.



La IEEE (Anon., 1986) ha definido el criterio bsico para sistemas elctricos

industriales que deben aplicarse a las minas:

1. La seguridad al personal y propiedad.

2. Confiabilidad de operacin.

3. Simplicidad.

4. Mantenimiento.

5. Capacidad de interrupcin adecuada.

6. Capacidad de limitacin de corriente.

7. Operacin selectiva del sistema.

8. Regulacin de tensin.

9. Potencial para la expansin.

10. Costo de inversin.

De stos, las seguridades, confiabilidad, y simplicidad estn estrechamente

relacionadas, y la mayora depende de un buen mantenimiento preventivo. En los ambientes

de condiciones extremas como los de una mina del subterrnea, stos son de preocupacin

vital. La mayora el mantenimiento de rutina debe ser capaz de ser realizado por personal

no-tcnico, ya que ser hecho a menudo por los mismos mineros. Se les debe proporcionar

entrenamiento para estas tareas.

Capacidad de interrupcin adecuada, capacidad de limitacin de corriente, y la

operacin selectiva del sistema provee seguridad y confiabilidad. Las primeras dos

caractersticas aseguran proteccin durante un disturbio. La limitacin de corriente, con

referencia a tierra, es quizs la proteccin ms significante para la seguridad personal. La

operacin selectiva del sistema es un concepto de diseo que minimiza los efectos de

perturbaciones del sistema. La regulacin de tensin - la fluctuacin de la tensin que es el

resultante de la variacin de las cargas elctricas - es un factor limitante en el diseo del

sistema, particularmente el subterrneo, y es a menudo la principal restriccin para la

expansin de la mina. Debe ser anticipado que cuando el tamao de la mina aumenta, esto

podra involucrar un aumento en el suministro de energa a travs lneas adicionales.



Mientras el costo de inversin es importante, nunca debe ser el factor determinante,

dado que el alto costo de los equipos, proyectados para aumentar al mximo la seguridad y

confiabilidad, pueden compensar fcilmente el gran costo de inversin a travs de la

reduccin de los costos de operacin.

Usando los datos disponible, la tarea del ingeniero elctrico de la mina es seleccionar

una combinacin de equipos sobre otros; proporcionar diagramas de los circuitos; estimar

costos de equipos, operacin, y mantenimiento; fijar las especificaciones para el sistema; y

recibir y evaluar las propuestas de los proveedores. Para el xito, el ingeniero requiere

firme conocimiento en sistemas de potencia en minas, pero este no puede ser basado en un

sistema de energa de minas estndar porque no existe un estndar: no hay dos minas que

sean iguales. El ingeniero debe recurrir a los conceptos fundamentales, un conocimiento de

lo que ha trabajado en el pasado, y una comprensin clara de las restricciones legales.

1.3. EQUIPOS DE DISTRIBUCIN DE ENERGA. En general, ellos pueden listarse como

(Anon., 1964; Lordi, 1961):

1. Estacin transformadora de mina (Mine power center).

2. Sala de interruptores (Switchhouses).

3. Subestaciones principales.

4. Subestaciones porttiles.

5. Distribucin (conductores y conectores).

6. Generacin.

1.3.1. TIPOS DE EQUIPOS

ESTACION TRANSFORMADORA DE MINA (O CENTRO DE CARGA EN MINA). La estacin

trasformadora de mina es una de las unidades ms esenciales del sistema para las minas del

subterrneas y, en una forma ms simple, para las minas a cielo abierto. Su principal

funcin es convertir la tensin de distribucin a la tensin de utilizacin para operar

equipos a lo largo de la mina. Tambin debe incorporar circuitos de proteccin para

asegurar una operacin segura, eficaz, y confiable.



Interruptores

Acoplamiento de alta tensin

Seccionador Fusible de alta tensin

Transformador de potencia

Interruptor principal del

circuito

Acoplamientos de salida

Como abajo

Como abajo

Como abajo

Conductor conectado a

tierra

Monitor de tierra

Malla de puesta a tierra

Res

isto

r co

nect

ado

a tie

rra

Descargadorde

sobretensin

Conductor piloto

Conductor a tierra

transformador de control

Al circuito de control

Proteccin de falla a tierra

Los componentes elctricos del centro de carga normalmente son de estructuras

metlicas, es decir, esta alojado en una estructura de acero de alta resistencia que deber ser

montado sobre ruedas, patines, rieles. Tienen horquillas de remolque o de perno pasante en

cada extremo de la estructura para permitir remolcarlo a medida que avanza o retrocede la

explotacin minera. Se instalan a menudo parachoques o proteccin metlica para proteger

los componentes montados externamente, como acoples, de daos por equipos mviles.

Pueden usarse estructuras similares en minas a cielo abierto, pero aqu el centro de carga

ms simple puede consistir en componentes al aire libre agrupados en un remolque con un

cerco o compuertas para evitarla entrada sin autorizacin.

Figura 1.2. Diagrama simplificado de un centro de carga

La figura 1.2 muestras los componentes interiores tpicos de un centro de carga, una

discusin de varios dispositivos sigue a continuacin. Debe notarse que un centro de carga

estndar no existe debido a la variedad de prcticas mineras y los numerosos tipos de

equipo minero usado. El centro de carga puede alimentar slo un motor o tantos como 20

maquinas; puede ser totalmente AC, DC, o una combinacin de AC y DC. La tensin de

distribucin recibida por el centro de carga puede ser 4,16, 7,2, 12,47, 13,2, o 13,8 Kv. La

tensin de utilizacin de AC puede ser 480, 600, 995, 1040, 2300, o 4160 V o una



combinacin de una de las tensiones ms altas con una de las tensiones ms bajas. La

tensin de corriente directa (continua) puede estar en 300 o 600 V, pero casi siempre es 300

V. Como resultado de esta variedad, los fabricantes construyen las unidades en a pedido

para satisfacer las necesidades individuales y especificaciones del cliente.

Compartimiento de Alta tensin El seccionador o interruptor bajo carga tipo areo,

es operado mecnicamente. Su funcin principal es permitir un medio rpido de

desconexin del primario del transformador del centro de carga. Un resorte cargado o un

mecanismo de barra de torsin proporciona una operacin de interrupcin rpida,

independientemente de la velocidad del mecanismo. Con ventanas de observacin en la

celda del centro de carga, el interruptor pueda servir como corte visible.

Fusibles limitadores de corriente son usados generalmente en los centros de carga

para proteger el devanado primario del transformador. Con corrientes de falla alta, operan

muy rpidamente, y slo una porcin de la energa del corto-circuito disponible pasa.

Descargadores de sobretensin se usan para proteger el transformador de

sobretensiones transitorias, que puede ser causadas por relmpagos, sobretensiones por

operacin de interruptores, algn tipo de falla. Las funciones de un descargador son

descargar la energa asociada a sobretensiones transitorias, limitar e interrumpir la corriente

que sigue la corriente transitoria a travs del descargador, y para regresar a un estado de

aislacin sin interrumpir el suministro de energa a la carga. El tipo de descargador debe ser

coordinado con el nivel de aislamiento (nivel de impulso bsico) del transformador.

Transformadores - El transformador principal puede ser considerado el corazn del

centro de carga, ya que su funcin primaria es convertir la tensin de distribucin a

utilizacin. La seleccin apropiada es indispensable de los puntos de vista de seguridad,

eficiencia, y confiabilidad. IEEE (Anon. ,1979) ha establecido clasificaciones y

especificaciones para determinar caractersticas del transformador como una ayuda en el

diseo y aplicacin, y estas normas son de uso general en la industria minera. Un

transformador puede ser clasificado por el sistema de aislacin lquido o seco. Los aislantes

lquidos incluyen aceite mineral o los fluidos sintticos, y los transformadores secos son de

tipo ventilado o estn rellenados con gas. Los ventilados son usados casi exclusivamente en



los centro de carga de las minas. Los transformadores secos usados en los centros de carga

en mina deben tener clase de aislacin 220 (una caracterstica siempre dada en grados

Celsius). Esta clasificacin pone una temperatura mxima aceptable absoluta en el

transformador cuando est operando continuamente bajo plena carga a tensin y corriente

nominal.

No hay ninguna frmula fija por determinar la capacidad nominal de un

transformador para un centro de carga. Para cargas constantes, es comn usar una regla

general como 1 KVA / HP de carga conectada. Sin embargo, la operacin minera no

produce una carga constante (es decir, todos los motores conectados no estn operando al

mismo tiempo); usando esta regla normalmente se produce un sobredimensionamiento del

transformador. La experiencia pasada y factores de demanda establecidos por los

fabricantes y operadores, junto con la potencia de las cargas conectadas, son esenciales para

determinar la capacidad del transformador. Para secciones mineras subterrneas tpicas, la

potencia aparente (Kva) pueden quedar dentro del rango de 50 a 80% de la potencia

conectada (HP). Durante aos, los fabricantes de centros de carga han llegado a cierta

norma o capacidades tpicas del transformador, creadas principalmente por la reiterada

demanda de la industria. Muchos fabricantes proporcionan capacidades mltiplo de 50 Kva.

Como un ejemplo de dimensionamiento de un transformador, considere la siguiente

seccin minera continua:

1. 370 HP continuos en mina (avances, bombas, tranva, y los motores de corte)

2. Dos transportes de 125 HP (traccin, transportes, y motores de bombas)

3. Un barreno para bulones de anclaje de 80 HP (traccin y motores de la bomba)

4. Equipamiento auxiliar de 50 HP (Ventiladores, herramientas de mano, bombas de

desague, etc.).

La carga total conectada es la suma de las cargas individuales o 750 HP. Si el factor

de demanda se ha determinado en 75%, la carga efectiva (mxima demanda) sera:

HP 562HP 750*57,0 =



Entonces, se seleccionara uno de 600 Kva. Sin embargo, la flexibilidad siempre debe

ser considerada en aplicaciones mineras y, como resultado, puede ser necesario seleccionar

el de capacidad prxima ms alta, o 650 Kva., acomodar cargas adicionales anticipadas.

Todos los transformadores de los centros de carga son trifsicos, siendo o tres

transformadores monofsicos de 1/3 de la capacidad requerida cada uno, o uno trifsico con

la posibilidad de reemplazar un devanado daado. Estos ltimos se prefieren porque tienen

igual confiabilidad, costo ms bajo, eficiencia ms alta, ocupa menos espacio, y tiene

menos interconexiones expuestas que las tres unidades monofsicas.

Las conexiones preferidas para transformadores de potencia estndar de dos

devanados son el primario en tringulo (delta D) y el secundario en estrella (y) y

normalmente son las conexiones usadas en los centros de carga. El secundario en estrella

provee un medio fcil para la resistencia de tierra, y el primero en tringulo provee

aislamiento del circuito de distribucin con el de utilizacin con respecto a las corrientes de

tierra. La conexin triangulo - estrella tambin estabiliza el punto neutro secundario y

minimiza la produccin de armnicas. En ciertas situaciones, una conexin del secundario

en tringulo puede especificarse o puede requerirse, y el primario puede ser tringulo o

estrella en este caso. Si se necesita el neutro conectando a tierra, un reactor de neutro es

necesario.

Los centros de carga normalmente son refrigerados por conveccin natural, y los

paneles laterales del compartimiento del transformador normalmente tienen persianas para

permitir circulacin de aire. Los bobinados del transformador se disean para que el calor

generado se exponga a una cantidad adecuada de enfriamiento para soportar las cargas

esperadas. Las reas efectivas de refrigeracin son dentro del bobinado, el exterior del

bobinado, y los conductos de refrigeracin dentro de los bobinados. El movimiento de aire

por conveccin lleva el calor generado por el bobinado.

Compartimiento de baja o media tensin Interruptores en celdas son normalmente

usados para proteger los equipos de utilizacin y sus cables asociados para las aplicaciones

hasta 1000 V. Tensiones mayores (mayores que 1000 V) requieren interruptores de vaco o

aceite. Tambin se usan interruptores de celdas para 300 V en aplicaciones dc.



Los interruptores pueden proporcionar protecciones de cortocircuito y protecciones

de sobrecarga. Cada interruptor normalmente tiene una desconexin por baja tensin que es

un solenoide auxiliar que acciona el mecanismo siempre que la tensin de su bobina caiga

debajo de 40 a 60% de su valor nominal. Otra proteccin externa del interruptor, como la

falla a tierra o monitor de tierra, puede usar la desconexin de baja tensin para abrir el

circuito. La seleccin de los interruptores esta basada en la tensin, frecuencia, capacidad

de interrupcin, la valor de corriente- continua, y configuraciones de disparo.

La figura 1.2 muestra la proteccin de tierra en cada circuito de alimentacin. El rel

de secuencia cero es el mtodo ms comn de falla a tierra. Con este mtodo, los

conductores del tres lneas se pasan a travs de un transformador de corriente tipo ventana ,

y el secundario del transformador es conectado al rel de disparo. Los contactos

normalmente abiertos del la proteccin se conectan en serie con la desconexin por baja

tensin. Si una falla a tierra ocurre, el transformador de corriente nota un desequilibrio en

los conductores, y la corriente es inducida en su bobinado secundario que activa la

desconexin. Los contactos del rel de proteccin abren entonces y corta la alimentacin de

la bobina del rel de baja tensin, lo que resulta en la desconexin del interruptor.

La Figura 1.2 tambin muestra el monitor de tierra en cada circuito de salida. Su

propsito es supervisar continuamente la continuidad del conductor conectando a tierra.

Los monitores de uso comn son del tipo impedancia o continuidad. El de impedancia

requieren tener un conductor del piloto dentro del cable. El monitor se calibra con la

impedancia del anillo formado por el cable piloto y la cable de tierra. El dispositivo

entonces monitorea los cambios en impedancia con respecto de la calibracin inicial. Si la

impedancia aumenta ms all del valor prefijado, el monitor dispara abriendo el interruptor.

El monitor de continuidad, tambin llamado inalmbrico, no requiere a un conductor piloto.

El monitor genera una frecuencia del audio que se acopla al conductor de tierra por medio

de una bobina transmisora. El cable piloto es eliminado usando a los conductores de la lnea

como un camino del retorno. Filtros dentro de la ubicacin del monitor y dentro de la

mquina supervisada es necesario para acoplar y desacoplar las seales de audio de los



Acople de alta tensin

Seccionador

Descargador de

sobretensin

Interruptorde alta tensin

Proteccin de fallas a tierra

Proteccin de sobrecorriente

y de cortocircuito

Acoples de salida

Conductor de potencia


Conductor piloto

Conductor a tierra

Circuito para control

Transformador de control

Monitor de tierra

Malla de puesta a tierra

Conductor piloto

Conductor a tierra

conductores de la lnea. Si el conductor de tierra est abierto, la bobina del receptor no

recoger una seal, y el monitor causar la desconexin del interruptor.

SALA DE INTERRUPTORES. La sala de interruptores son equipos porttiles que protegen

y mantienen un medios de derivacin de los circuitos de distribucin. Los componentes

(Figura 1.3) estn en un contenedor de metal, de construccin similar a los de centros de

carga. Los componentes interiores consisten en unidades de interrupcin y desconexin

visible. Como con en los centros de carga, la funcin principal del seccionador es de

desconectar manualmente los equipos conectados. El aspecto del seccionar es proporcionar

proteccin en el sistema de la distribucin y permitir derivar. El componente principal es el

interruptor de alta tensin. Se han usado de vaco y de aceite, pero los mas usados son los

de vaco.

Los discos de Induccin y, ms recientemente, relees de estado slido se usa son

usados para las protecciones. Estos relees tienen un rango de ajuste para la corriente y el

retraso de tiempo, por lo tanto, pueden aplicarse a una variedad de situaciones. Los relees

de proteccin de la sala de celdas deben coordinarse con otros hacia circuitos anteriores o

posteriores. No como en los interruptores del centro de carga, la proteccin de

sobrecorriente y cortocircuito no son una parte integral del interruptor. En cambio, se usan

transformadores de corriente en conjunto con el disco de induccin o los relees de estado

slido para proporcionar proteccin de sobrecorriente y de cortocircuito.

Figura 1.3. Diagrama simplificado de una sala de interruptores



Y

Seccionador

Proteccin de sobrecorriente y

corto circuito

Tansformador de potencia

Descargador de

sobretensin

Jabalina a tierra

Resistor de coneccin a tierra

Al circuito de control

transformador de control

Entrada del conductor de

potencia

Al cerco perimetral y estructuras metlicas

de la subestacin

Malla a tierra

Proteccin de fallas a tierra

A la jabalina a tierra Conductor

piloto

Conductor a tierra

Descargador de

sobretensin


Seccionador

Interruptor de alta tensin

Monitor de tierra

Circuito de salida para

la mina

Proteccin de sobrecarga y corto

circuito

Proteccin de falla a tierra

El nombre de equipo se modifica dependiendo del numero de interruptores y circuitos

de salida protegidos: por ejemplo, una doble sala da celdas que contiene dos interruptores y

circuitos. Debido a las limitaciones del tamao, las unidades en minas subterrneas son

raramente ms grandes dos, pero las minas a cielo abierto con frecuencia incorporan cuatro

interruptores. El diagrama esquemtico para minas subterrneas y cielo abierto son

prcticamente el mismo: la nica diferencia bsica es la repeticin de componentes

interiores para corresponder al nmero de interruptores.

SUBESTACIONES. Es prctica comn en la minera comprar todos o la mayora la

energa a las compaas de transporte, si tienen disponibilidad. Como las tensiones de

utilizacin van de 24 a 230 Kv., una subestacin principal (primaria) se requiere para

transformar los niveles de entrada a una tensin ms baja para distribucin en la mina. Se

muestran componentes tpicos en Figura 1.4. Las subestaciones principales pueden ir de

500 Kva de capacidad a 480 V, para slo bombas y transporte, a 50.000 Kva para una

operacin en superficie de gran tamao y la planta de procesamiento (Rienda, 1968).

Adems del transformador, las subestaciones contienen un complejo de interruptores, el

aparatos de proteccin, y dispositivos de tierra, todos que sirven una funcin de seguridad.

Figura 1.4. Diagrama simplificado de una subestacin



La naturaleza del funcionamiento minero y sus requisitos de potencia dicta cuntas

subestaciones principales se requieren y donde ellos deben ser instaladas. De stas pueden

ser propietarias por la empresa de transporte o la empresa minera; la decisin de la posesin

es normalmente dependiente en la economa. Sin embargo, si la potencia instalada es mayor

que 1000 HP (746 Kw.), la posesin por parte de la minera es a menudo ms favorable.

Las subestaciones principales son instalaciones normalmente permanentes con

componentes montados sobre bases de hormign. Las estructuras terminales de los

conductores de potencia, normalmente hechos de acero galvanizado pero tambin de

madera, soportan los conductores y cables que mantienen las conexiones con los

transformadores y interruptores. Los aisladores, normalmente hechos de porcelana vidriada

o vidrio, aslan a los conductores de los apoyos.

Subestaciones porttiles o unidad son populares para los requisitos de carga pequeos

y, en instalaciones ms grandes, pueden servir para transformar la tensin primaria a otra de

menor valor para la distribucin. El termino unidad significa que la subestacin y el equipo

de potencia se disea y se construye como un paquete. En una superficie el despliegue

minero, un draga grande puede requerir 24 Kv. mientras que las palas y otros equipos

mineros necesitan 4160 V.

Transformadores de la subestacin Los transformadores de la subestacin en

superficie son casi siempre con lquido (aceite) y construido a las normas de IEEE (Anon.,

1987). Las capacidades normalmente van de 5000 a 30.000 Kva. Adems de la mina, las

cargas pueden incluir una planta de preparacin y las cargas de la superficie , como

bombas, ventiladores, talleres de mantenimiento, y oficina y baos. Cuando existe una mina

subterrnea, se recomienda que se use un trasformador aparte para el sistema de potencia

subterrneo.

La seleccin de la capacidad del transformador debe ser basada en una estimacin de

la carga elctrica. Hasta 2000 o 3000 Kva., un la regla general de 1 Kva./HP de carga

conectada es quizs satisfactorio. Esto provee mas capacidad que la adecuada y permitir

pequeo crecimiento de la carga. Nota que en el peor caso el factor de la demanda de 0,75 a

0,85 es tomado en cuenta. Tal sobredimensionamiento tambin permitir un factor de



potencia adverso. Cuando los requisitos son mayores que esto, una estimacin de carga ms

precisa, se requiere si se quieren lograr costos de equipo ptimos. Considerando la

capacidad comn que se necesita para la mayora de las operaciones mineras, un anlisis de

flujo de carga debe realizarse. En algunos casos, podra determinarse por Kva conectados

(aproximadamente 0.75 por HP conectados) para permitir el crecimiento del factor de

demanda que siempre existe.

La prctica antigua en la industria era usar tres transformadores monofsicos para el

reemplazo fcil de unidades falladas, y uno auxiliar era a menudo incluido para facilitar el

cambio. Sin embargo, las tcnicas industriales mejoradas han producido transformadores,

hacindolos los componentes ms confiables; as la prctica comn hoy es instalar unidades

trifsicas (Vadee y Kunsman, 1978).

Equipos de proteccin. Para proveer un corte visual para mantenimiento, Seccionador

1 electrificación de minas - ing. marquina

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