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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA 2014

CIRCUITOS E INSTALACIONES ELECTRICAS INDUSTRIALES Página 1

GRUPO N° 8:

MORALES QUISPE, JORGE ARMANDO

SALCEDO MASGO, KATIA

MAMANI MAMANI, NOEMI

VALENZUELA GONZALES, ERIK

2014

Conceptos básicos y generalidades sobre el control de motores


INDICE:

I. INTRODUCCION:…………………………...............................................................3

II. VARIADORES DE FRECUENCIA.......................................................................... 4

III. FUNDAMENTOS TECNOLÓGICOS DE LA REGULACIÓN ELECTRÓNICA DE VELOCIDAD EN MOTORES… ……………………………………………………....... 7

IV. FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR ASÍNCRONO ALIMENTADO POR CONVERTIDORES DE FRECUENCIA…………………………................................8

V. CONTROL ELECTRÓNICO DE MOTORES C.A..............................................…10

VI.CONTROL DE LA TENSIÓN Y FRECUENCIA DE LÍNEA.…………….....................11

VII. Control de motores CD.........................................................………………………12

VIII. Centros de control de motores:.......................................................................... 13

IX. BIBLIOGRAFIA……………………………………………………………………………16

Conceptos básicos y generalidades sobre el control de motores

I. INTRODUCCION:

Para comprender como los accionamientos eléctricos y electrónicos pueden controlar un motor y como es la mejor aplicación de ellos, se debe tener una comprensión general de



los conceptos básicos sobre los motores eléctricos, ya que después de todo, no se necesitaría ningún tipo de accionamiento o controlador eléctrico, si no se tiene la aplicación en un motor eléctrico.Los motores eléctricos se encuentran prácticamente en cualquier parte, mueven aire y fluidos por medio de ventiladores y bombas en cualquier ciudad, hoy en día en las fábricas, el elemento de movimiento primario es probablemente un motor eléctrico, ya sea de corriente alterna (C.A) o de corriente directa (C.D), estos motores eléctricos convierten la energía eléctrica en energía mecánica, la cual finalmente desarrolla un trabajo.

Sin duda alguna los accionamientos a base de motores eléctricos son los más numerosos de la mayoría de las aplicaciones, y dentro de ellos los basados en motores de corriente continua han gozado de una total hegemonía en el campo industrial durante décadas. Sin embargo los motores con menor nivel de exigencias en el mantenimiento son los motores asíncronos de jaula de ardilla, debido a que carecen de colector, tienen una relación peso-potencia mucho menor que los de continua, y por tanto un coste significativamente más bajo. Por estas razones, dada su capacidad de soportar sobrecargas y su elevado rendimiento, es el motor más atractivo para la industria. Desde hace aproximadamente 20 años, el elevado desarrollo de la electrónica de potencia y los microprocesadores ha permitido variar la velocidad de estos motores, de una forma rápida, robusta y fiable, mediante los reguladores electrónicos de velocidad. La elección de la instalación de un convertidor de frecuencia como método de ahorro energético supone:

Reducción del consumo.

Mejor control operativo, mejorando la rentabilidad y la productividad de los procesos productivos.

Minimizan las pérdidas en las instalaciones.

Ahorro en mantenimiento (el motor trabaja siempre en las condiciones óptimas de funcionamiento).

II. VARIADORES DE FRECUENCIA

REPASO DE CONCEPTOS ELECTROTÉCNICOS: Como paso previo a la lectura de estos apuntes, sería conveniente un repaso a los conceptos básicos de los motores asíncronos de jaula de ardilla, sobre todo a los puntos de arranque, velocidad y frenado. Igualmente, a continuación se exponen, como repaso, algunos conceptos sobre máquinas asíncronas (generadores y motores).



Las máquinas eléctricas sirven para transformar la energía mecánica en eléctrica (generadores) o, inversamente, para transformar la energía eléctrica en mecánica (motores); es decir que la máquinas eléctricas son reversibles y pueden trabajar como generador o como motor. Estas máquinas asíncronas se basan en el principio de la acción de un campo magnético giratorio sobre un arrollamiento en cortocircuito.

Efecto de campo giratorio sobre una espira en cortocircuito. El sistema magnético de una máquina asíncrona consta de 2 núcleos: el núcleo exterior fijo que tiene la forma de un cilindro hueco y el núcleo cilíndrico interior giratorio.



La parte fija de la máquina se llama estator y la parte giratoria Rotor. ESTATOR: en las ranuras ubicadas en el lado interior del estator se coloca un arrollamiento trifásico, constituido por 3 arrollamientos iguales (uno por cada fase) desplazado 120º entre sí (para un motor con un solo par de polos). Por lo visto en campos giratorios, los efectos simultáneos de las 3 corrientes de una red trifásica originan un campo constante que gira a velocidad síncrona (ns). ROTOR: si en el interior del estator colocamos una espira en cortocircuito (Rotor) que pueda girar alrededor de un eje, se tiene que:

Al conectar el estator a la red se origina un campo giratorio que originará una fem inducida.

Esta fem inducida, a su vez hace circular una corriente en la espira en cortocircuito (rotor), y por la acción del campo magnético creará cuplas distribuidas a lo largo de la espira haciendo que ésta trate de seguir al campo giratorio.

Es obvio que la espira nunca podrá alcanzar al campo giratorio Debido a la cupla resistente, que está compuesta en prime r término por las pérdidas por rozamiento en los cojinetes, y en segundo término por la carga que mueve el eje del motor.

Es decir que siempre habrá una diferencia entre la velocidad “ns” Del campo giratorio y la del rotor “n” (o la del eje del motor).Por lo tanto, llamaremos velocidad relativa a la diferencia e entre ns y n, que para el caso de motores será positiva y para el caso de generadores Será negativa.



La magnitud característica que determina las condiciones de trabajo de la máquina asíncrona es el resbalamiento, definido como:

El resbalamiento es positivo cuando la máquina trabaja como motor y negativo cuando ésta trabaja como generador. EJEMPLO. Para un motor de un par de polos con frecuencia de línea de 50 Hz, girando en régimen a 2866 rpm (n), se tendrán los siguientes valores:

Si el motor está parado n = 0, entonces s =1 (100% resbalamiento)

Si el motor está en régimen n = 2866 rpm, entonces s = 0,044 (4,4% resbalamiento).

En el hipotético caso (que no significa ideal) que el rotor estuviera síncrono con el campo magnético giratorio, se tendría n = ns = 3000 rpm, entonces s = 0 (0% resbalamiento).

Además:

Recordando que:

Dónde:

f: es la frecuencia de la línea (Hz). p: es el número de pares de polos.

Luego, se tiene que:



III. FUNDAMENTOS TECNOLÓGICOS DE LA REGULACIÓN ELECTRÓNICA DE VELOCIDAD EN MOTORES.

Un regulador electrónico de velocidad está formado por circuitos que incorporan transistores de potencia como el IGBT (transistor bipolar de puerta aislada) o tiristores, siendo el principio básico de funcionamiento transformar la energía eléctrica de frecuencia Industrial en energía eléctrica de frecuencia variable. Esta variación de frecuencia se consigue mediante dos etapas en serie. Una etapa rectificadora que transforma la corriente alterna en continua, con toda la potencia en el llamado circuito intermedio y otra inversora que transforma la corriente continua en alterna, con una frecuencia y una tensión regulables, que dependerán de los valores de Consigna. A esta segunda etapa también se le suele llamar ondulador. Todo el conjunto del convertidor de frecuencia recibe el nombre de inversor.

El modo de trabajo puede ser manual o automático, según las necesidades del proceso, dada la enorme flexibilidad que ofrecen los reguladores de velocidad, permitiendo hallar soluciones para obtener puntos de trabajo óptimos en todo tipo de procesos, pudiendo ser Manejados por ordenador, PLC, señales digitales o de forma manual.

La mayoría de las marcas incluyen dentro del propio convertidor protecciones para el motor, tales como protecciones contra sobre intensidad, sobre temperatura, fallo contra desequilibrios, defectos a tierra, etc., además de ofrecer procesos de arranque y frenados suaves mediante rampas de aceleración y de frenado, lo que redunda en un aumento de la vida del motor y las instalaciones. Como debe saberse, el uso de convertidores de frecuencia añade un enorme potencial para el ahorro de energía disminuyendo la velocidad del motor en muchas aplicaciones. Además aportan los siguientes beneficios:

Mejora el proceso de control y por lo tanto la calidad del producto.

Se puede programar un arranque suave, parada y freno (funciones de arrancador progresivo).

Amplio rango de velocidad, par y potencia. (Velocidades continuas y discretas).

Bucles de velocidad.

Puede controlar varios motores.

Factor de potencia unitario.

Respuesta dinámica comparable con los drivers de DC.

Capacidad de bypass ante fallos del variador.

Protección integrada del motor.



Marcha paso a paso (comando JOG).

Con respecto a la velocidad los convertidores suelen permitir dos tipos de control:

Control manual de velocidad. La velocidad puede ser establecida o modificada manualmente (display de operador). Posibilidad de variación en el sentido de giro.

Control automático de velocidad. Utilizando realimentación se puede ajustar la velocidad automáticamente. Esta solución es la ideal para su instalación en aplicaciones en las que la velocidad demandada varía de forma continua.

IV. FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR ASÍNCRONO ALIMENTADO POR CONVERTIDORES DE FRECUENCIA.

Los inversores con circuito intermedio de tensión son los más usados en aplicaciones prácticas, siendo su campo predominante el de las pequeñas y medianas potencias. Un inversor se elige en función de parámetros tales como:

Accionar a un solo motor o varios. Banda necesaria de regulación y su precisión. Consecuencias sobre la red eléctrica del convertidor adoptado. ¿Tiene sentido económico prever un retorno de energía? (Frenado regenerativo). Velocidad de respuesta para adaptarse a los cambios de consigna.

Para aprovechar al máximo el motor hay que controlarlo de modo que el flujo se aproxime lo más posible al nominal para el cual ha sido diseñado. Cuando el motor está regulado con flujo constante e igual al nominal presenta unas curvas características como las siguientes:

Curvas de par-velocidad de un motor asíncrono alimentado a flujo constante.



Una forma de lograr que el flujo sea constante de manera aproximada, es hacer que la tensión y la frecuencia varíen de forma proporcional. Sin embargo esto es sólo aproximado, y a medida que las frecuencias van bajando los flujos disminuyen también por lo que el par para bajas frecuencias disminuye de forma importante.

Curvas de par-velocidad en régimen permanente para un motor asíncrono alimentado con tensión y frecuencia variable. Para lograr el funcionamiento con flujo constante es preciso que a bajas frecuencias la tensión sea más elevada que lo que dicta la ley sencilla de la proporcionalidad. Cuando la regulación necesaria para modificar la velocidad supera la frecuencia nominal (50 Hz), el flujo ha de disminuir, ya que la tensión no debe ser elevada para no sobrepasar las posibilidades dieléctricas del bobinado del motor. En este caso las curvas de par para frecuencias elevadas decrecen, por lo que habrá que verificar que los menores pares disponibles cumplen los requisitos de la máquina accionada a alta velocidad.

V. CONTROL ELECTRÓNICO DE MOTORES C.A



5.1 MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA. Introducción de su funcionamiento, parámetros y curvas características. Punto desarrollado en las transparencias. 5.2 REGULACIÓN DE LA VELOCIDAD. Aunque son de sobra conocidas las ventajas del motor de inducción en cuanto a robustez, sencillez, coste y mantenimiento, su uso generalizado en aplicaciones de regulación de velocidad no ha llegado hasta esta última década. Ello ha sido gracias al: 1) Desarrollo de dispositivos electrónicos de potencia (IGBT) de fácil control, alta frecuencia de conmutación y capacidad media de potencia. 2) Desarrollo de sistemas de control digital (DSP) con gran potencia computacional y recursos propios de microcontroladores de gama alta (convertidores A/D, E/S digitales, temporizadores, watchdog, unidades de captura y comparación) que permiten la implementación en tiempo real de complejos algoritmos de control. 3) Disminución de coste de los dispositivos 1) y de los sistemas 2). Para comprender los principios básicos de la regulación de la velocidad de los motores asíncronos, se recuerda que la velocidad de giro de estas máquinas en r.p.m. viene expresada por:

Acuerdo con la expresión anterior existen tres procedimientos para cambiar la velocidad n a saber: a) Variar el número de polos de la máquina b) Cambiar la frecuencia de alimentación f1. c) Modificar el deslizamiento s. Los procedimientos prácticos para variar la velocidad de un motor asíncrono se basan fundamentalmente en el control de la frecuencia y del deslizamiento, y este a su vez se puede controlar indirectamente ajustando la tensión de Alimentación aplicada a la máquina.



VI. CONTROL DE LA TENSIÓN Y FRECUENCIA DE LÍNEA.

De acuerdo con la ecuación anterior y conforme a lo dicho, un método para variar la velocidad de giro de un motor asíncrono es, cambiar la frecuencia de alimentación f¡ que llega al estator, pues ésta modifica la velocidad de sincronismo del campo magnético giratorio y por ende la velocidad mecánica de giro que es cercana a aquélla en virtud del pequeño valor del deslizamiento en este tipo de máquinas. Sin embargo hay que tener en cuenta que el flujo magnético en el entrehierro es directamente proporcional a la f.e.m. inducida en cada devanado del estator e inversamente a la frecuencia.

Por consiguiente una reducción en la frecuencia de alimentación f1 produce un aumento del flujo magnético φm. Para evitar la saturación del núcleo magnético debido al aumento del flujo, deberá aumentarse proporcionalmente la f.e.m. E1. Sin embargo la forma más sencilla de regular esta f.e.m. es controlando la tensión de alimentación V1, tal y como podemos comprobar en el circuito equivalente de la máquina asíncrona y la ecuación del flujo que lo define.

De este modo al variar la frecuencia de alimentación f1 siempre que se cambie al mismo tiempo la tensión aplicada V1 se conseguirá una buena regulación de la velocidad del motor.

La realización práctica de este sistema de control requiere el uso de dos convertidores electrónicos: un rectificador controlado y un inversor. El rectificador controlado transformará la tensión trifásica de la red en una etapa intermedia de c.c., de tal modo que se puede regular la tensión que llega al inversor modificando el ángulo de encendido de los tiristores del rectificador controlado. El inversor produce una tensión trifásica cuya frecuencia depende de la secuencia de impulsos que se aplican a las puertas de sus tiristores, de este modo al motor asíncrono llega una tensión variable en frecuencia y tensión.



Las características par-velocidad de este sistema de regulación se muestran en la siguiente figura. Se considera que a la frecuencia nominal o frecuencia base, la tensión aplicada al motor es la tensión nominal. Por debajo de esta frecuencia, el flujo se mantiene constante, variando la frecuencia pero haciendo que sea constante el cociente tensión/frecuencia con lo que se consigue que el par máximo sea el mismo para todas las curvas par-velocidad que resultan para las frecuencias inferiores a la nominal o base.

VII. Control de motores CDLas técnicas de control de motores CD son herramientas que se utilizan para controlar la velocidad, el torque y el suministro de potencia de los motores de corriente continua. El control de motores puede llevarse a cabo mediante tiristores y un conocimiento básico de electrónica de potencia.

La mayoría de motores utilizados en la industria se conectan directamente a las líneas de distribución eléctrica, y se alimentan con corriente alterna o corriente directa. Las terminales de los devanados del motor se conectan directamente a las líneas de suministro eléctrico, y sus características de operación se mantienen inalterables, al tener una tensión de entrada constante. El motor trabaja en condiciones nominales cuando se alimenta con la tensión indicada en la placa de operación, entregando potencia constante a la carga conectada en el eje.

La naturaleza de la carga que se acopla al eje del motor define el comportamiento de esta máquina. Para el caso de una carga liviana, el motor desarrollara una velocidad relativamente alta y un par de giro bajo. Por el contrario, si se dispone de una carga pesada o difícil de mover, el motor se moverá a una velocidad menor y entregara más par, pues una mayor carga lo exige. Sin embargo, si la carga se mantiene constante, la operación del motor también se mantendrá constante, sin posibilidades de controlar la velocidad debido a que la tensión de suministro no se ve modificada.

Existen casos en la industria que requieren el manejo de las características de operación de los motores. Este control se suele hacer mediante tiristores . La combinación del motor, los tiristores de control y demás componentes electrónicos asociados son conocidos como el sistema de control de velocidad, sistema de accionamiento o sistema de excitación de motor.



VIII. Centros de control de motores:Un Centro de Control de Motores (CCM) es un tablero que alimenta, controla y protege circuitos cuya carga esencialmente consiste en motores y que usa contactares o arrancadores como principales componentes de control. Los CCMs se proporcionan con alambrado Clase I o Clase II; con cualquiera de las clases el usuario puede especificar el arreglo físico de las unidades dentro del centro de control de motores (sujeto a los parámetros de diseño).



Centros de control de motores de bajo voltaje:



Centros de control de motores 8PX3 de Siemens:



IX. BIBLIOGRAFIA:

http://ab.rockwellautomation.com/es/moto r-control/motor-control-centers

http://literature.rockwellautomation.com/idc/groups/literature/documents/sg/2500-sg001_-es-p.pdf

http://www05.abb.com/global/scot/scot209.nsf/veritydisplay/30ac837a2179d220c1257912003f388e/$file/MNS%20catalogo%20tecnico_1TXA902005B0701-0511.pdf







http://ab.rockwellautomation.com/es/motor-control/motor-control-centers

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