10. Controles de motores Anibal T. De Almeida Día 2

Temario • Arranque • Arrancadores suaves • Variadores de velocidad

Controles de Motor - Arranque Consumo de energía para un periodo de aceleración: (A) Motor corriente, (b) Motor de número de polos variable, (c) Variadores de velocidad (VSD).

Arranque estrella-triángulo

Arrancador suave • Un arrancador suave tiene características diferentes de las de los otros métodos de arranque. Tiene tiristores en el circuito principal, y la tensión del motor se regula por medio de una placa de circuito impreso. El arrancador suave utiliza el hecho de que cuando la tensión del motor es baja durante el arranque, la corriente de arranque y el par de arranque también son bajos. • Durante la primera parte del arranque la tensión del motor es tan baja que sólo es capaz de ajustar el juego entre las ruedas de engranaje o de estirar las correas, las cadenas, etc. En otras palabras, elimina tirones innecesarios durante el arranque.

Arrancador suave • Gradualmente, la tensión y el par van aumentando hasta que la maquinaria empieza a acelerar. Uno de las ventajas de este método de arranque es la posibilidad de ajustar el par con exactitud según sea necesario, si la aplicación tiene carga o no. En principio, todo el par de arranque está disponible, pero con la gran diferencia de que el procedimiento de arranque le exige mucho menos a la maquinaria de accionamiento, lo que resulta en menores costos de mantenimiento. • Otra característica del arrancador suave es la función de parada suave, que es muy útil para parar bombas cuando el problema son los golpes de ariete en el sistema de tuberías en parada directa, como en los arrancadores de estrella-triángulo y en los directos. La función de parada suave se puede usar también para para las cintas transportadoras a fin de evitar que el material se deteriore cuando la cinta se para muy rápido.

Arrancador suave

Arrancador suave

Variadores de velocidad - VSD Para motores de inducción

VSD - Regeneración

Variadores de velocidad - VSD Rectificador Entrada desde línea principal

Vínculo de CC

Etapa de salida

Salida al motor

Inversor modulado por ancho de pulso

Corriente fundamental

Tensión fundamental

Diagrama del circuito y principio de control de los inversores PWM

Cicloconvertidores Frequency=10Hz

u(t)

i(t)

iRef(t)

u(t)

iRef(t)

i(t)

Frequency=20Hz

Variadores de velocidad - VSD Limitaciones del par y la potencia del motor en motores de inducción totalmente cerrados enfriados por ventilador y alimentados mediante un VSD VSI-PWM, suponiendo una temperatura de funcionamiento nominal constante del motor (frecuencia de conmutación > 5 kHz, punto de debilitamiento del campo a frecuencia nominal). Curvas par-velocidad para distintos tipos de cargas.

Par (Nm)

Variadores de velocidad - VSD

Control de V/f • La amplitud de la tensión se especifica como una función de la frecuencia real del motor. • Se puede ajustar la característica de V/f. Los tipos de características más comunes son las que tienen un par constante o, para las bombas y los ventiladores, la característica de la ley del cuadrado.

Variación de la tensión con la frecuencia Vn

Tensión de offset

Control de V/f Las siguientes medidas mejoran las propiedades del control de V/f: • La compensación del deslizamiento mantiene la velocidad constante cuando hay cambios de carga, usando un refuerzo de frecuencia dependiente de la corriente de la carga. La compensación del deslizamiento empieza a ser efectiva a partir de aproximadamente el 10% de la velocidad nominal del motor. Por lo tanto, permite que se logre mantener la velocidad con una precisión de aproximadamente 0,2 x deslizamiento nominal. Por ejemplo, para motores de 30 kW y más, el deslizamiento nominal es de aproximadamente 1,5%. • El control FCC (control de la corriente de flujo, compensación i*R extendida) también mejora la precisión del mantenimiento de la velocidad cuando hay cambios de carga. El FCC adapta la tensión -y por lo tanto, el flujo del rotor- a la carga. • El aumento de tensión en las frecuencias bajas ("refuerzo") optimiza el comportamiento de arranque. • La amortiguación de la resonancia atenúa las oscilaciones electromagnéticas en el rango entre 10 y 40 Hz para motores de inducción de hasta aproximadamente 160 kW. • El control limitante de la corriente se usa como protección de la entrada en pérdida.

Control vectorial

El control vectorial (también denominado control de campo orientado - FOC) es una técnica de control de motores polifásicos (motores de inducción y síncronos), que permite operar un motor trifásico con el mismo rendimiento dinámico que un motor de CC. El motor de inducción emula el comportamiento de un motor de CC orientando la corriente del estátor con respecto al flujo del rotor de manera que puede control el flujo y el par independientemente.

Control vectorial • El sistema de referencia de las ecuaciones de la máquina no se orienta con el estátor estacionario, sino con el campo magnético giratorio. • En este sistema de referencias giratorio, el campo pareciera ser estacionario. Ahora se pueden remitir las tensiones del motor - y especialmente las corrientes - a este sistema. • La corriente del motor se divide en la componente generadora del campo (corriente magnetizante id, en la dirección del campo) y la componente generadora del par (corriente activa iq, perpendicular al campo [eje de cuadratura]); ambas se pueden controlar independientemente una de la otra. • Usando operaciones con matrices, las cantidades del marco de referencia del eje giratorio d-q se transforman en el marco de referencia estacionario i1, i2, i3 y viceversa.

Control vectorial • El control de campo orientado exige como precondición que se conozca la alineación del campo magnético del motor. La misma se determina a partir de datos medidos (corriente, tensión, velocidad o posición del motor) en un modelo de motor o de flujo. • Los controles de circuito cerrado sin sensores, que no necesitan codificadores de posición y velocidad, también calculan estan cantidades.

Representación esquemática del control de campo orientado de un motor de inducción

Ventajas de los VSD • • • • • • • • •

Ahorros energéticos asociados con el control de la velocidad Aumento del rendimiento dinámico de los motores de inducción Alta eficiencia de los VSD (96-98%) y alta fiabilidad Alto factor de potencia (si se usa el extremo delantero activo) Tamaño pequeño y flexibilidad de ubicación Arranque suave (¡ahorros!) y frenado controlado/regenerativo Dispositivos de protección del motor Menor ruido acústico y mejores procesos de control Menos mantenimiento por desgaste de las partes mecánicas

Posibles desventajas de los VSD • Inyección de distorsión armónica en la red • Picos de tensión que producen fallas en el aislamiento del devanado en los motores antiguos • Corriente en los cojinetes que produce fallas prematuras

Tipos de VSD - Pros y contras Tipos de VSD Modulado por ancho de pulso (PWM)

Ventajas Buen factor de potencia en todo el rango de velocidad. Baja distorsión de la corriente del motor. Amplia rango de velocidad (100:1). Con capacidad para varios motores.

Inversor con fuente de tensión (VSI) de seis pasos

Buena eficiencia. Configuración del circuito sencilla. Amplia rango de velocidad (10-200%). Con capacidad para varios motores.

Inversor con fuente de corriente (CSI) de fuerza conmutada

Diseño de circuito simple y robusto Capacidad regenerativa. Protección contra cortocircuitos integrada. Amplia rango de velocidad (10-150%).

Desventajas Sin capacidad de regeneración. Limitado a los VSD por debajo de 1000 kW*. Ligeramente (aproximadamente 1%) menos eficiente que los inversores con fuente de tensión (VSI) o que los inversores con fuente de corriente (CSI). Factor de potencia pobre a velocidad bajas (a menos que se use un rectificador/interruptor chopper convertidor CA/CC). Sin capacidad de regeneración. El funcionamiento por debajo del 10% de la velocidad nominal puede producir cogging. Voluminoso. Factor de potencia pobre a velocidad o carga bajas. Posible cogging por debajo del 10% de la velocidad nominal.

Tipos de VSD Inversor de carga conmutada (LCI)

Tipos de VSD - Pros y contras

Ventajas

Diseño de circuito simple y económico. Capacidad de regeneración. Protección de cortocircuitos integrada. Accionamiento de La potencia del VSD es menor que la Kramer estático potencia del motor. Se puede agregar como retrofit a los motores de inducción de rotor devanado (W.R.I.M.) con resistor externo. Accionamiento de La potencia del VSD es menor que la Scherbius estático potencia del motor. Rango de velocidad más amplio (70-130% ). Se puede agregar como retrofit a un W.R.I.M. con resistor externo si son posibles los excesos de velocidad. Ciclo Puede funcionar hasta con velocidad cero. conversores Capacidad de alto par con control de campo orientado. Pueden usarse con motores de inducción y síncronos.

Desventajas

Factor de potencia pobre a velocidad baja. Sólo se puede utilizar con motores síncronos. Sólo se puede utilizar con W.R.I.M. Factor de potencia pobre a velocidades bajas. Solo velocidad subsíncrona (50-100%).

Más complejo y costoso que los accionamientos de Kramer. Sólo se puede utilizar con los W.R.I.M.

No pueden usarse con una frecuencia de entrada superior al 33%. Diseño de circuito complejo. Factor de potencia pobre a velocidad baja.

Tipos comunes de VSD y usos

THD Y ARMÓNICOS EN LA ENTRADA Y SALIDA DE UN VSD CON VSI-PWM Y DIODO RECTIFICADOR

REDUCCIÓN DE LA EFICIENCIA DEL MOTOR EN LOS MOTORES DE INDUCCIÓN ALIMENTADOS POR UN INVERSOR

Reducción de la eficiencia de los motores en los motores de inducción alimentados por un VSD Cuando se hace funcionar una máquina de CA con un suministro no sinusoidal, es inevitable que la máquina sufra pérdidas adicionales. Estas pérdidas se dividen en tres categorías principales •

•

•

Pérdidas en el cobre del estátor. Son proporcionales al cuadrado de la media cuadrática de la corriente. También hay que tener en cuenta pérdida adicionales debido al efecto superficial. Pérdidas en cobre del rotor. La resistencia del rotor es diferente para cada corriente armónica presente en el rotor. Esto obedece al efecto superficial y es especialmente pronunciado en los rotores de barras profundas. Dado que la resistencia del rotor es función de la frecuencia, las pérdidas de cobre del rotor deben calcularse independientemente para cada armónico. Aunque las pérdidas adicionales eran significativas en la época de los primeros inversores modulados por ancho de pulso, en los variadores modernos con frecuencias de conmutación por arriba de 3 kHz las pérdidas adicionales son mínimas. Pérdidas en el hierro. Aumentan por los componentes armónicos en la tensión de alimentación.

Pérdidas típicas de los motores energéticamente eficientes, los convertidores y los frenos electromecánicos.

Eficiencia y pérdidas de los motores con respecto a la carga, con arrancador directo y alimentado por un VSD DOL (arrancador directo)

con VSD

DOL (arrancador directo)

Eficiencia del motor (37 kW)

Fuente: LTE Canada 2009

Eficiencia del VSD (37 kW)

Fuente: LTE Canada 2009

Eficiencia del motor + VSD (37 kW)

Fuente: LTE Canada 2009

Precios relativos de motores y VSD

Transitorios de tensión en las terminales de los motores alimentados por inversores l cabo

VSD

Motor

(!) DESCARGA PARCIAL  VIDA ÚTIL ¡BUENA SOLUCIÓN!

Corriente de los cojinetes de los motores alimentados con un inversor

Corrientes circulantes

Corrientes de los cojinetes de los motores alimentados con un inversor

Corrientes de modo común

Corrientes de los cojinetes de los motores alimentados con un inversor

Se pueden adoptar varias medidas para mitigar las corrientes en los cojinetes de los motores alimentados con inversores: -

adecuada selección de la frecuencia de conmutación

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cables con el tipo y el tamaño adecuados (p. ej. blindados)

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sistemas de toma a tierra bien diseñados

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filtros entre el motor y el inversor

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cojinetes aislados

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conexión a tierra del eje (p. ej., mediante un escobilla de contacto)

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etc.

Es aconsejable que los usuarios soliciten a los fabricantes información sobre estos temas.

Gracias