10. Controles de motores

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
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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
-
cables con el tipo y el tamaño adecuados (p. ej. blindados)
-
sistemas de toma a tierra bien diseñados
-
filtros entre el motor y el inversor
-
cojinetes aislados
-
conexión a tierra del eje (p. ej., mediante un escobilla de contacto)
-
etc.
Es aconsejable que los usuarios soliciten a los fabricantes
información sobre estos temas.
Gracias