Documento 409360
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UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica HMR/hmr. INGENIERIA DE EJECUCIÓN EN MECANICA PLAN 2001 GUIA DE LABORATORIO ASIGNATURA 15065 AUTOMATIZACIÓN NIVEL 07 EXPERIENCIA ATM-L06 “MOTORES CA Y VARIADORES DE FRECUENCIA” HORARIO: JUEVES: 9-10-11-12 MARTES: 9-10-11-12 UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica HMR/hmr. MOTORES CA Y VARIADORES DE FRECUENCIA 1. OBJETIVO GENERAL Familiarizar al alumno con los motores eléctricos asíncronos y con los variadores de frecuencia. 2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 2.1 Que el alumno comprenda el principio de funcionamiento de los motores eléctricos asíncronos, y la relación entre la frecuencia de excitación, el número de pares de polos y la velocidad de giro del eje de los motores. 2.2 Que el alumno interprete correctamente la información contenida en la placa de los motores eléctricos asíncronos, identificando la conexión de las bobinas y en número de pares de polos del mismo. 2.3 Familiarizar al alumno con las partes constitutivas de los motores eléctricos asíncronos y su funcionalidad. 2.4 Que el alumno comprenda y se familiarice con los circuitos de potencia y de comando de los motores asíncronos, tanto para partidas simples como estrella triangulo y con o sin inversión de giro. Reconociendo los componentes fundamentales y su función específica en cada circuito. 2.5 Que el alumno se familiarice con el campo de aplicación de los variadores de frecuencia, los criterios de selección y los circuitos de potencia y de comando correspondientes. 2.6 Que el alumno comprenda las distintas posibilidades de operación que ofrecen los variadores de frecuencia y la forma de definir uno en específico mediante la adecuada parametrización del mismo. 2 2.7 Que el alumno visualice las diferentes formas disponibles de comandar a los variadores de frecuencia, y por medio de estos, tener la capacidad de controlar los flujos energéticos aplicados al eje del motor. 3. INTRODUCCIÓN TEÓRICA 3.1 MOTORES ELECTRICOS TRIFASICOS 3.1.1 INTRODUCCIÓN: El motor eléctrico trifásico se compone fundamentalmente de un rotor y un estator. Ambas partes están formadas por un gran número de laminas ferromagnéticas, que disponen de ranuras, en las cuales se alojan los devanados estatóricos y rotóricos respectivamente. Al alimentar el bobinado trifásico del estator, con un sistema de tensiones trifásicas, se crea un campo magnético giratorio, el cual induce en las espiras del rotor una fuera electromagnética, y como todas las espiras forman un circuito cerrado, circula por ellas una corriente, obligando al rotor a girar en el mismo sentido que el campo giratorio del estator. Los motores eléctricos trifásicos son muy usados en la industria para accionar máquinas-herramientas, bombas, elevadores, ventiladores, sopladores y muchas otras máquinas; ya que en el sistema trifásico se genera un campo magnético rotatorio en tres fases, además de que el sentido de la rotación del campo en un motor trifásico puede cambiarse invirtiendo dos puntas cualesquiera del estator, lo cual desplaza las fases, de manera que el campo magnético gira en dirección opuesta. 3 3.1.2 CARACTERÍSTICAS DE CORRIENTE ALTERNA: LOS MOTORES ELÉCTRICOS DE Potencia: En el SI, la unidad de potencia es el joule por segundo, (watt (W)): 1 kW 1 HP 1kW = 1000 W = 747 W = kW 1.34 HP = 0.746 Voltaje: De este parámetro dependerá la obtención de un mejor aprovechamiento de la operación. Los voltajes empleados más comúnmente son: 127V, 220V, 380V, 440V, entre otros. Corriente: Los motores eléctricos consumen distintos tipos de corriente, que fundamentalmente son: corriente nominal, corriente de vacío, corriente de arranque y corriente a rotor bloqueado. Corriente nominal: En un motor, el valor de la corriente nominal es la cantidad de corriente que consumirá el motor en condiciones normales de operación. Corriente de vacío: Es la corriente que consumirá el motor cuando no se encuentre operando con carga y es aproximadamente del 20% al 30% de su corriente nominal. Corriente de arranque: Todos los motores eléctricos para operar consumen un excedente de corriente, mayor que su corriente nominal, que es aproximadamente de dos a ocho veces superior. Corriente a rotor bloqueado: Es la corriente máxima que soportara el motor cuando su rotor esté totalmente detenido. 4 Revoluciones por minuto (RPM) o velocidad angular: Las unidades de la velocidad angular es en radianes por segundo (rad/s), sin embargo la velocidad también se dar en revoluciones por minuto [RPM]. Para calcular las RPM de un motor se utiliza la ecuación: R.P.M . 120 F 60 F # Polos # ParesPolar es Donde: RPM : Revoluciones por minuto. F : Frecuencia de excitación. Factor de potencia: El factor de potencia o cos(Φ), se define como la razón que existe entre Potencia Real [P] y Potencia Aparente [S], siendo la potencia aparente el producto de los valores eficaces de la tensión y de la corriente: Factor de potencia cos P S El factor de potencia oscila entre 0.8 y 0.85. En la práctica el factor de potencia se expresa, generalmente, en tanto por ciento. 5 Factor de servicio: El factor de servicio de un motor se obtiene considerando la aplicación del motor, para demandarle más o menos potencia, y depende directamente del tipo de maquinaria impulsada: P # F ( E) I () F.P. Pr PF .S . F .S . Pr P Donde: P = Potencia #F = Número fases E = Tensión I = Corriente η = Eficiencia de F.P. = Factor de potencia NOTA: El numero de fase es 3 = 1.732 para sistemas trifásicos Pr = Potencia real F.S. = Factor de servicio Número de fases: Depende directamente del motor y del lugar de instalación, por ejemplo: Para motores con potencia menor o igual a 1 HP (a nivel domestico), se alimentan a corriente monofásica (220V.); cuando la potencia del motor oscila entre 1 y 5 HP lo más recomendable es conectarlo a corriente bifásica o trifásica (220V); y para motores que demanden una potencia de 5 HP o más, se utilizan sistemas trifásicos o polifásicos. Par: El momento del par de fuerzas o torque, se representa por un vector perpendicular al plano del par. 6 F F Par de torsión Par Nominal: Es el par que se produce en un motor eléctrico para que pueda desarrollar sus condiciones de diseño. Par de arranque: Es el par que va a desarrollar el motor para romper sus condiciones iniciales de inercia y pueda comenzar a operar. Par máximo: Es el par que puede desarrollar el motor sin perder sus condiciones de diseño, es decir, que es el limite en el que trabaja el motor sin consumir más corriente y voltaje, asimismo de que sus revoluciones son constantes, y conjuntamente esta relacionado con el factor de servicio. Par de aceleración: Es el par que desarrolla el motor hasta que alcanza su velocidad nominal. Par de desaceleración: Es el par en sentido inverso que debe emplearse para que el motor se detenga. Par a rotor bloqueado: Se considera como el par máximo que desarrolla un motor cuando se detiene su rotor. 7 Frecuencia: Es el número de ciclos o repeticiones del mismo movimiento durante un segundo, su unidad es el Hertz [Hz] Deslizamiento: El deslizamiento es la relación que existe entre la velocidad de los campos del estator y la velocidad de giro del rotor: z Vc Vr Donde: z Vc Vr = = = Deslizamiento Velocidad de los campos del estator Velocidad de giro del rotor En los motores de corriente alterna de inducción, específicamente de jaula de ardilla, el deslizamiento es fundamental para su operación, ya que de él depende que opere o no el motor. Eficiencia: Es igual al cociente de la potencia de salida entre la potencia de entrada: Ts Ps Te Pe 3.1.3ARRANQUE DIRECTO V/S ARRANQUE ESTRALLA-TRIANGULO Arranque directo de motores trifásicos: Es el sistema de arranque más simple obtenido en un solo tiempo, pues consiste en conectar directamente a la red, a través de un interruptor, contactor, etc, de un motor. Con este sistema el motor absorbe una corriente de arranque que oscila de 3 a 7 veces la intensidad nominal, el par de arranque es siempre superior al par nominal y permite el arranque rápido de una maquina a plena carga. 8 La ventaja que tiene es la simplicidad del material necesario para la puesta en marcha y un par de arranque muy energético. El inconveniente es la elevada corriente de arranque, que por lo tanto, puede provocar una caída de tensión, la cual deberá tenerse en cuenta, pues se debe limitara un 5 % con objeto de tener un buen cierre de los elementos de conexión (interruptores, contactores, etc) y no disminuir el par de arranque. Las protecciones contra sobrecargas y cortocircuitos deben soportar la corriente de arranque sin perder su eficacia durante el funcionamiento del motor. El campo de aplicación de este tipo de arranque es para motores de pequeña potencia o de potencia débil con relación a la potencia de la red y para maquinas que no necesitan una progresiva puesta en velocidad. Cuando llegan a igualarse el par del motor y el resistente, la velocidad se estabiliza junto con la corriente de la línea. Normalmente este sistema de arranque está limitado para la apuesta en marcha de motores con una potencia no superior a 4 o 5 caballos aproximadamente, así la intensidad de arranque puede ser absorbida por la línea de distribución. Curva de corriente v/s velocidad de giro del motor en arranque directo 9 Consumo de corriente v/s el tiempo en arranque directo. Circuito de potencia en arranque directo 10 Arranque de un motor trifásico en Estrella-Triángulo Los motores trifásicos absorben en el momento de arranque más intensidad de corriente que la nominal. Este aumento de intensidad en el arranque provoca una sobrecarga en la línea que a su vez origina una caída de tensión pudiendo ser perjudicial para otros receptores. En los motores de jaula de ardilla, la intensidad de arranque supera de 3 a 7 veces la nominal. Para evitar este aumento de intensidad se utiliza el arranque estrella - triángulo, que consiste en conectar el motor en estrella a la tensión correspondiente a triángulo, transcurrido unos segundos, cuando el motor casi ha alcanzado su velocidad nominal, se pasa a triángulo. Para que se pueda efectuar el arranque estrella - triángulo, la tensión de la línea debe ser igual a la correspondiente a la tensión en triangulo del motor, o sea la menor de la indicada en la placa de características del motor. La velocidad del motor se estabiliza cuando se equilibran el par del motor y el par resistente, normalmente entre el 75 y 85% de la velocidad nominal. En ese momento, los devanados se acoplan en triángulo y el motor rinde según sus características naturales. Un temporizador se encarga de controlar la transición del acoplamiento en estrella al acoplamiento en triángulo. El cierre del contactor de triángulo se produce con un retardo de 30 a 50 milisegundos tras la apertura del contactor de estrella, lo que evita un cortocircuito entre fases al no poder encontrarse ambos cerrados al mismo tiempo. Acoplamiento de los devanados del motor 11 Curva de comparación del consumo de corriente entre arranque directo y arranque estrella-triángulo. 3.1.4 MOTORES DE CARACTERÍSTICAS ESPECIALES Regulación de velocidad En los motores trifásicos con rotor en cortocircuito normalmente basta con que la velocidad sea bastante constante, pero a veces se necesita variar la velocidad, bien sea en forma gradual o escalonada, el procedimiento mas utilizado para esta regulación de velocidad es variar el numero de polos del estator, puesto que sabemos que la velocidad del motor depende de la frecuencia de la red y del numero de pares de polos. n f • 60 r. p. m p Luego los motores trifásicos con rotor en cortocircuito, variando el número de polos podemos obtener de una forma escalonada de dos, tres, cuatro velocidades, resultando este procedimiento de regulación de velocidad económico y buenas características mecánicas. 3.2 CONTACTORES Un contactor es un dispositivo con capacidad de cortar la corriente eléctrica de un receptor o instalación con la posibilidad de ser accionado a distancia, este tiene dos posiciones de funcionamiento: una estable o de reposo, cuando no recibe acción alguna por parte del circuito de mando, y otra inestable, cuando actúa dicha acción. Este tipo de funcionamiento se llama de "todo o nada". 12 Clasificación: Contactores electromagnéticos. Su accionamiento se realiza a través de un electroimán. Contactores electromecánicos. Se accionan con ayuda de medios mecánicos. Contactores neumáticos. Se accionan mediante la presión de un gas. Contactores hidráulicos. Se accionan por la presión de un líquido. Simbología y referenciado de bornes Los bornes de conexión de los contactores se nombran mediante cifras o códigos de cifras y letras que permiten identificarlos, facilitando la realización de esquemas y las labores de cableado. Los contactos principales se referencian con una sola cifra, del 1 al 6. Los contactos auxiliares están referenciados con dos cifras. Las cifras de unidades indican la función del contacto. * 1 y 2, contacto normalmente cerrados (NC). * 3 y 4, contacto normalmente abiertos (NA). * 5 y 6, contacto de apertura temporizada. * 7 y 8, contacto de cierre temporizado. o o o La cifra de las decenas indica el número de orden de cada contacto en el contactor. Las bobinas de un contactor se referencian con las letras A1 y A2. El contactor se denomina con las letras KM seguidas de un número de orden. Para elegir un contactor electromagnético se requiere conocer: La tensión nominal de funcionamiento del motor. La corriente de servicio que consume el motor. 13 3.3 ELEMENTOS DE PROTECCION DE LOS MOTORES (fusibles) Guarda motor y fusible magnético: Son dispositivos de protección contra cortocircuito, de corte tripolar. Los guardamotores magnéticos cumplen la función de protección el motor contra cortocircuitos, cumpliendo adicionalmente la función de seccionamiento. Los requisitos para que cumplan con la función de protección contra cortocircuito son básicamente una pronta detección de la corriente de defecto y una rápida apertura de los contactos. Fusible térmico: dispositivo de seguridad accionado por temperatura que permite desconectar el sistema en caso que la temperatura sobrepase un valor estimado como seguro para el sistema, al momento de aumentar la temperatura en la línea del fusible este se funde produciéndose así la apertura del circuito y la no conducción de corriente eléctrica por este. Relés térmicos: Son elementos de protección únicamente contra sobrecargas, cuyo principio de funcionamiento se basa en la deformación de elementos bimetalitos. Bajo el efecto del calor, para accionar, cuando 14 este alcanza ciertos valores, unos contactos auxiliares que desenergicen todo el circuito y energicen al mismo tiempo un elemento de señalización. Los relés térmicos deben proteger al motor pero deben también a su vez soportar la corriente de arranque durante el tiempo de arranque sin disparar. Protege el motor contra: Rotor bloqueado, sobrecarga y falla de fase. 3.4 BOTONERAS: Las botoneras y las lámparas de señalización desempeñan un papel clave en la comunicación hombre-máquina. Para poder cumplir su tarea, deben tener un alto grado de funcionalidad y robustez. 15 Botonera simple 3.5 Botonera doble Golpe de Puño CABLES DE CONEXIÓN Y SUS CALIBRES, (NORMA AWG) La dependencia entre el diámetro y el área del conductor permite establecer un método de clasificación para los cables. A determinados diámetros se les asigna un número, al que se conoce como el calibre del conductor, (AWG (American Wire Gauge), calibre americano para conductores), Diámetros Relativos de Varios Calibres AWG Existen dos tipos de conductores: El alambre (un solo conductor) y el cable (multialambres). En los equipos industriales se debe usar solo cables, ya que las vibraciones harían que los alambres se quiebren. 16 AISLANTE DEL CONDUCTOR: Según el material del aislante se tienen: Para ser usados bajo tierra, en lugares con alta humedad y/o temperatura, en entornos con ciertas substancias químicas o con radiación ultravioleta. AMPERAJE MÁXIMO: La norma define, para cada calibre, el valor de la corriente máxima, en amperes, que es permitido por el código eléctrico. El amperaje máximo especificado para un determinado calibre disminuye con la temperatura, (para más detalles dirigirse a la norma correspondiente). PÉRDIDAS DE POTENCIA: Los Srs. John Davey y Windy Dankoff dedujeron una fórmula que permite calcular un llamado “Índice de Caída de Voltaje” (ICV) que es utilizado para determinar el calibre adecuado del cable a usar. El valor del ICV está dado por la expresión: AxD ICV = —————————— x 3,281 %CV x Vnom. Donde A es el número de amperes en el circuito, D es la distancia en metros (en una sola dirección) entre los dos puntos a conectarse, %CV es el porcentaje de caída de voltaje y Vnom es el valor nominal del voltaje del sistema. 3.6 VARIADORES DE FRECUENCIA Están compuestos por los siguientes módulos: Etapa Rectificadora. Convierte la tensión alterna en continua mediante rectificadores basados en diodos, tiristores, etc. Etapa intermedia. Filtro para suavizar la tensión rectificada y reducir la emisión de armónicos. Inversor o "Inverter". Convierte la tensión continua en otra de tensión y frecuencia variable mediante la generación de pulsos. Los equipos más modernos utilizan IGBT´s “inteligentes” que incorporan un microprocesador con todas las protecciones por sobrecorriente, sobretensión, baja tensión, cortocircuitos, puesta a masa del motor, sobretemperaturas, etc. 17 Etapa de control. Esta etapa controla los IGBT para generar los pulsos variables de tensión y frecuencia. Y además controla los parámetros externos en general, etc. 4. METODO A SEGUIR: 4.1. Reconocer los componentes constitutivos del motor eléctrico disponible en el laboratorio e identificar sus características de acuerdo a la información entregada el la placa. 4.2 Para una aplicación dada por el profesor, los alumnos desarrollan los circuitos eléctricos de potencia y de comando del motor. Seleccionando los elementos constitutivos de cada circuito. Asistidos por el profesor, los alumnos implementan los circuitos de potencia y de comando del motor; para luego revisarlos, corregirlos y energizarlos. 4.3 4.4 Permanentemente asistidos por el profesor, los alumnos hacen las pruebas preestablecidas, (se miden las variables de voltaje, corriente de partida y corriente a plena carga, velocidad del eje del motor, entre otros) , para dar por terminada la primera parte de la experiencia. 18 4.5 El profesor define los requerimientos operacionales del sistema formado por el variador de frecuencia y el motor con su carga aplicada al eje del mismo, para que los alumnos propongan los circuitos de potencia y de comando correspondientes. 4.6 El profesor revisa los circuitos propuestos, (haciendo las correcciones correspondientes), para luego ser implementados por los alumnos asistidos por el profesor. 4.7 Mediante el cableado de control del variador de frecuencia, el profesor impide el giro del motor y energiza el sistema. En estas condiciones, los alumnos parametrizan el variador de frecuencia según los requerimientos funcionales especificados por el profesor. 4.8 El profesor revisa los datos ingresados al variador, en particular aquellos que establecen las velocidades extremas y las rampas de aceleración y de frenado, para luego hacer los ajustes y puesta en marcha del sistema. 4.9 Los alumnos realizan los ensayos de comando y de accionamiento definidos por el profesor, toman datos y evalúan la calidad del control resultante. 5.- VARIABLES A CONSIDERAR 5.1. Al ser accionado mediante contactores, medir el consumo de potencia eléctrica del motor a la partida y a plena carga, y evaluar el comportamiento dinámico en el eje del motor al encenderlo y apagarlo. Al ser accionado mediante el variador de frecuencia, cuantificar el consumo del variador y del motor al momento de la partida, de detención y de inversión del sentido de giro. 5.3. 6.- TEMAS DE INTERROGACIÓN 6.1. Tipos de motores eléctricos de corriente alterna y sus características funcionales fundamentales. Formas de controlar los motores asíncronos. 6.2. 19 6.3. 6.5. Criterios de selección de los componentes, (incluidos los cables), de los circuitos de potencia y de comando de los motores asíncronos. Criterios de selección de los variadores de frecuencia. Circuitos de potencia y de comando del sistema formado por el variador de frecuencia y el motor Parametrización de los variadores de frecuencia. 7.- EQUIPOS E INSTRUMENTOS A UTILIZAR Motor asíncrono trifásico, marca VERMAT de 0.37 kW de potencia y 1380 RMP, 220/380Vca, 50/60hz Variador de frecuencia. Osciloscopio. Multitester. Contactores, guarda motor, fusible térmico, fusible magnético. Otros elementos, (botones push-button, selectores, botón de emergencia, luces piloto, cables, regletas, enchufes para 220Vca y 380Vca, herramientas para hacer conexiones eléctricas, material fungible, etc.). 8. LO QUE SE PIDE EN EL INFORME: 8.1 Las características técnicas de los elementos y subsistemas empleados en el laboratorio. 8.2 Especificar técnicamente la funcionalidad de los elementos empleados en el desarrollo del laboratorio. 8.3. Redactar técnicamente el requerimiento de accionamiento especificado por el profesor en el laboratorio, con y sin variador de frecuencia. 8.4 El diagrama de alambrado de los circuitos de potencia y de control, el esquema físico y la parametrización del variador de frecuencia usada en el laboratorio. 8.5 Seleccionar los elementos pertenecientes a los circuitos de potencia y de comando existentes en el mercado para ser empleados en una aplicación especificada por el profesor. 8.6. Un análisis de los resultados, comentarios y conclusiones personales. 8.7. La referencia bibliográfica. 6.4. 6.5. 20 8.8 El apéndice con: a.1. Características técnicas de los componentes empleados. a.2. Alternativas comerciales de: Motores eléctricos asíncronos, variadores de frecuencia, contactores, guardamotores, fusibles magnéticos y fusibles térmicos. a.3. Desarrollo de los cálculos. a.4. Presentación de resultados. a.5. Gráficos. 9.- BIBLIOGRAFÍA 9.1 9.2 Apuntes de cátedra de la asignatura de Automatización (15065). Héctor Muñoz R. DIMEC-USACH. Catalogo de motores asíncronos. 9.3 Catálogo del variador de frecuencia. 9.4 Guías e informes de los laboratorios anteriores. 9.5 Manual de electricidad industrial Limusa 9.6 Apuntes de “circuitos eléctricos de automatización”. Departamento de Ingeniería Eléctrica. Usach. 9.7 Apuntes de “fusibles”. Departamento de Ingeniería Eléctrica. Usach. Sitios web: - http://www.alipso.com/monografias/2544_resumen/ - http://www.cenet-uchile.cl/PP1.htm - http://ar.geocities.com/fom22ar/Electricidad/estrella_triangulo.htm - http://www.epsea.org/esp/pdf2/ch08.pdf - http://www.cenet-uchile.cl/PP1.htm 21 - http://usuarios.lycos.es/mugresoft/introduccion_a_los_motores_electricos.ht m - http://www.coinsur.com/automatismos/interruptores/a_14_00.html - http://www.monografias.com/trabajos13/genytran/genytran.shtml - http://www.monografias.com/trabajos11/contact/contact.shtml - http://iie.fing.edu.uy/ense/asign/iiee/Documentos/Teorico/TEMA7COMANDOYPROTECCIONDEMOTORESELECTRICOS.pdf 22
