1 EL 6011 TRACCION ELECTRICA REGULACIÓN DE VELOCIDAD

UNIVERSIDAD DE CHILE
FACULTAD DE CIENCIAS FISICAS Y MATEMATICAS
ESCUELA DE INGENIERIA Y CIENCIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA
EL 6011 TRACCION ELECTRICA
REGULACIÓN DE VELOCIDAD
MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA CONEXIÓN SERIE
Variar la tensión de armadura añadiendo resistencias
Ic = I
I
Ra
+
Cam
po
Rc
V
-
φ (Ic) = φ (I)
φ
Ar
ma
dura
+
E
-
cte
recta
Ic = I
V= E + RI = Kn φ + RI
n = (V - RI)/K φ (t)
τ = k1 φ I




I= (V-kN φ )/R
(V- RI)/K’
(V- RI)/cte
τ = K 2 I2
Hipérbola
I bajas n altas
I alta n bajas
Recta
K3 I
I bajas = K2 V2/(R+ K’ n)
I altas = K3 (V- k4n)/ R2eq
I bajo I = V-K’nI/R => I = V/(k+K’n)
I alto I = V-K4n/R
Problema
Un motor serie con una potencia P m = 10 kW con un η = 0,85 y una tensión de 220 V,
debe ser regulado de forma que su velocidad sea reducida en un 50 %. ¿Qué resistencia
de regulación debe emplearse?
P m = 10 kW
Potencia mecánica P m = EI
Pm = V I η
η = 0,85
V = 220 V
10000 = 220 I 0,85 => I = 53,48 A
E= 10000/53,48 = 186,99 Volts
E= Kn φ
n = E/(K φ ) para n/2 => E/2, pues φ no varía ya que I no varía
Por lo tanto 186,99/2 = 93,49 Volts
 V= E 1 + R1I
 V= E 2+( R1+R) I
0 = E2 - E1 + RI
0 = -93,49 + 53,48
R= 93,49/53,48 = 1,74 Ω
V2= (V-(R1+R)I)/(V-R1I) V1
1
n1= V-R1I/ K φ
n1/n2= (V-R1I)/(V-(R1+R)I)
n2=(V-(R1+R)I)/ K φ
n1/(n1/2)= (V-R1I)/ (V-(R1+R)I)
V -2 (R1+R)I= V-R1I
2V-2 R1I-2RI= V-R1I
V-R1I= 2RI
R= (V-R1I)/ 2I
CONTROL REOSTÁTICO
El procedimiento más simple en el cual se piensa inmediatamente para hacer partir un
motor serie funcionando bajo tensión constante, es conectarlo a la línea intercalando en
el circuito un reóstato del cual se eliminan poco a poco las resistencias a medida que la
fuerza contra electromotriz del motor crece con la velocidad
Este procedimiento ofrece una suficiente flexibilidad
Desventaja es la perdida de energía en resistencias. Algunos artificios permiten reducir
notablemente esta pérdida
Examinemos primero el caso de partida de un motor de tracción serie conectado a la
tensión disponible con un reóstato en serie.
La consideración de adherencia nos conduce a no sobrepasar jamás un cierto valor del
torque motríz, dado por el peso adherente en el eje correspondiente, y en consecuencia
no aceptar jamás una intensidad superior a un valor límite Im, para no provocar el
patinaje.
Por otra parte, se fija un límite inferior Io de tal manera que la corriente durante la
partida varíe entre Io e Im
REGULACIÓN DE LA VELOCIDAD DE UN MOTOR SERIE DE CORRIENTE
CONTINUA
Variación de la tensión de alimentación
τ
τ1
U
Una característica τ = f(n) definida
para un valor U de la tensión de
alimentación al motor
U’
P1
n1
P2
n2
n
Evolución del torque y de la velocidad de rotación cuando la tensión de alimentación
varía: U
I P1
n1 τ 1
U’ I P2
n2 τ 2 manteniendo la intensidad constante (con resistencias)
I=cte => φ =cte
U= RI+E
E1 = K n1 φ
E2= Kn2 φ
2
E1 / E2 = n1 / n2
(U – RI)/(U’ –R’I)=n1/n2
RK : suma resistencia armadura y campo
RK I es despreciable ≈ algunos volts
Por lo tanto U/U’=n1/n2
En corriente continua, la variación de tensión en los
bornes del motor se obtiene: 1). Por eliminación
progresiva del Reóstato de partida colocado en serie con el motor y 2). Por cambio de
acoplamiento ( de serie a paralelo ).
Por ejemplo, una locomotora que tiene 4 motores; éstos pueden estar acoplados en serie,
en serie paralelo o en paralelo
Según el caso, cada uno de los motores es alimentado bajo una tensión: U/4, U/2, U
REGULACIÓN DE VELOCIDAD
TRANSICIÓN SERIE PARALELO, METODO DEL PUENTE
El método usado es el método del puente, la transición se efectúa sin ninguna variación
del esfuerzo motor.
Esquemas que representan las diferentes fases
+ 600 V
M1
+600 V
M2
A)
+300V
M1
M2
B1)
+ 300V
+600V
A + 300V
M1
M2
B2)
M2
C)
B
+600V
+600V
M1
+600V
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-
En A) están los dos motore en serie. Se han eliminado todas las resistencias del
reóstato (paso fin de serie)
-
En B1) se dispone una derivación independiente constituida por las resistencias del
reóstato.
En la mitad (punto medio) de este reóstato que es simétrico, el potencial es 300V
(igual que en mitad del circuito de los motores)
-
En B2) se han unido (reunidos) estos dos puntos, lo que no aporta (significa)
ninguna modificación de las corrientes en los aparatos ya que estos dos puntos están
al mismo potencial.
-
La conexión A-B es recorrida por la diferencia de las corrientes que circulan en los
motores y en las resistencias. Esta {última corriente (en las resistencias) no puede
variar, pero la corriente que circula en los motores sí puede variar y depende de la
velocidad de estos Existe una velocidad para la cual la corriente en la conexión A-B
es nula.
-
Se escoge ese momento y se puede entonces cortar A-B sin dificultad y los motores
se encontrarán acoplados en paralelo, sin que haya variado la corriente que la
atraviesa, etapa C).
-
En la práctica se puede admitir cortar una cierta intensidad al suprimir la corriente
A-B, y resulta solamente una ligera variación del esfuerzo motor.
-
La fase B1), no se utiliza, sólo se ha usado aquí para exponer el método.
Curva característica de tracción
Newton
F tracción
Fr
25 km/h v máx (70 km/h)
Curva de I partida de un coche motriz de un tren cargado
I(A)
1200
1000
800
600
400
200
5
10
15
4
t (seg)
v1
t(seg)
15 a 50 seg Inercial
Tracción
15 a 30 seg
depende de las
condiciones geográficas
del trazado
Frenado
A veces hay 2a impulsión.
Este sistema de regulación es muy desventajoso cuando el motor tiene que ser puesto
en marcha y regulado con frecuencia.
En este caso es preferible el empleo de dos motores
Estos motores van montados en serie cuando deben funcionar a pequeña velocidad y en
paralelo para gran velocidad (tranvías metro)
Las pérdidas por regulación son así bajadas a la mitad
V/
V/2
Para la conexión serie los dos motores reciben la mitad de la tensión y sus velocidades
quedarán reducidas a ≈ 1/2 sin ninguna perdida por regulación
Para aumentar el número de revoluciones se montan los motores en paralelo
Rr
Para seguir aumentando la velocidad se va reduciendo Rr
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Otro sistema de regulación
R arranque
R campo
Rr
Regulación mediante resistencia en paralelo con el inducido
Rarranque : Reóstato de arranque, solo sirve para el arranque y se encuentra fuera del
circuito durante el servicio normal
Rr Resistencia regulable Rr mostrando en | | con el inducido que regula la corriente de
inducido y por lo tanto n y τ
Ventaja : Por el campo pasa siempre la corriente total de carga , por lo tanto el motor
fuciona siempre con plena excitación y por lo tanto con fuerte (alto torque) aún a n
pequeños. Con esta regulación
CASO METRO, TRENES CON MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA
1. Los cuatro motores de cada coche motriz en serie
+ Vcc 750 V
riel
2. Los motores conectados en serie paralelo
+ Vcc 750 V
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En el motor serie de corriente continua, el flujo magnético es creado únicamente por un
enrollado de campo (inductor) recorrido por la corriente del inducido (armadura). El
campo y la armadura en serie
El sentido de rotación está determinado por las
conexiones relativas del campo y la armadura
armadura
M
campo
E= (P/a).xNxnx φ x 10-8 [V.]
Fuerza contra electromotriz: E
P: Nro. de pares de polos
a: Nro de pares de vías de enrollamiento del bobinado de armadura
V: nro total de conductores periféricos que componen e bobinado de armaduras
n: velocidad de rotación r. p. seg.
φ : Flujo real útil por polo expresado en (maxwells)
Torque τ = (P/a)x ((NxIx φ )/2 π )x10-8 (Joules)
φ en función de I resulta de la característica magnética , o característica en vacío y de
la característica de reacción magnética de armadura de la máquina , y pude en primara
aproximación ser considerada como constante , igual a . Id= (Io + Im)/2
A la partida se emplea la totalidad de la resistencia del reóstato, el motor parte bajo una
corriente Im. su fuerza electromotriz aumenta y la intensidad disminuye
Cuando la I alcanza un valor I0 , se disminuye la resistencia del reóstato a un valor tal
que la intensidad alcance de nuevo el valor Im, y así hasta el momento en que se elimina
totalmente la resistencia del reóstato
Supongamos que en este punto trabajan dos motores de tracción, que están conectados
en serie
Reóstato
U/2
U/2
Lo explicado antes pasa para cada motor en que la tensión de alimentación es U/2
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Al pasar a la conexión paralelo:
Reóstato
En el reóstato U/2
U
Ahora la tensión de alimentación de cada motor es U/2 también para el reóstato, luego a
la misma velocidad n1 = nu/2 se pasa a otra curva característica de U/2 a U, por medio de
eliminar resistencias del reóstato y se llega al punto de operación U, en que n = nu
Si aún quedase posibilidad de eliminar resistencias, se aumenta la velocidad
diminuyendo R
τ
R1 > R2 > R3 > R4 > R5 > R
R1
R2 R3 R4 R5 R6
U
Si no hubiese reóstato al pasar los motores en !!
U/2
T
resistente
n
nU/2
arranque
motores en serie
nU
llegando a punto de
operación
paso a
punto de operación de
conexión
cada motor alimentado
paralelo
con tensión U
nU /2
nU
I
n
I(A)
1200
Corriente perdida de un coche
motriz cargado
300
t (seg)
5
15
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CADENA DE TRACCIÓN
Se denomina a todos estos pasos desde la partida hasta la velocidad de régimen y
viceversa CADENA DE TRACCIÓN.
FUNCIONES DE UNA CADENA DE TRACCIÓN
-
Control de aceleración (tracción) velocidad = f(I)
-
Contrtol de desaceleración (Frenado)
-
Conmutación tracción frenado
Inversión sentido de marcha
Y tornearse. Existe otro método en el caso de trenes de ruedas de fierro, en que el
problema del desgaste es aun mayor pues hay mucho roce con los rieles., Sobre todo en
curvas
En este caso se puede usar una máquina reperfiladora que efectúa el trabajo sin
desmotar la ruedas
CONTROL ELECTRÓNICO DE VELOCIDAD
G
Tiristores A
Anodo: A
Cátodo K
Electrodo de cebado G
K
I
V
.
El tiristor está bloqueado en estado de no conducción mientras la tensión v en sus
bornes sea negativa
Cuando se toma valores positivos sigue en estado de b
.
Cuando v es positivo, si se hace pasar un impulso positivo de corriente entre la
puerta G y el cátodo, el tiristor pasa al estado de conducción
.
Mientras es conductor el tiristor se comporta como un diodo. Sólo se bloquea
cuando la corriente directa se anula (en realidad cuando se hace inferior a un valor
muy débil llamado i corriente de mantenimiento de la conducción). Una vez cebado
el tiristor la puerta G pierde todo poder de control sobre el mismo.
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Característica simplificada
vB
I
O
C
OA: Tensión negativa tiristor en bloqueo
OB: Tensión positiva, sin impulso en la puerta G
Después que v toma valores positivos: tiristor
en bloqueo
OC: después de enviar un impulso siendo v
Positiva tiristor en conducción
I
A
Esta caracterísica simplificada desprecia:
Zona CA, la corriente inversa de fuga ( i negativa y muy débil)
Zona CB, la corriente directa de fuga (i positiva y muy débil)
Zona CC, la caída de tensión directa (v positiva del orden de 1 volt.)
La tensión directa que un tiristor puede soportar con corriente de puerta nula es del
mismo orden que la tensión inversa máxima
Descarga de un circuito resistivo e inductivo a través de un diodo
i
K cerrado. Desde D qeuda polairizado
k
R
inverso, por lo tanto no conduce
E
D
E= Ri + Ldi/dt
Soluciones
i
k abierto
E/R=A
-
L
1. Ldi/dt= -Ri
Ldi/i= -Rdt ln i = (-R/L)t + cte
2. i=E/R i=Ae-(R/L)t + E/R
i=(E/R)(e-(R/L)t +1)
t -> ∞ i0= E/R ->
i0= E/R tiende a desaparecer Ri + Ldi/dt=0 solución i=Ae-(R/L)t i(0)=
El diodo D dispuesto de esta forma, reemplaza con ventaja
i=(E/R)e-(R/L)t
a una resistencia de descarga para evitar la sobretensión de
ruptura al abrirse un circuito inductivo.
El desarrollo de la electrónica de potencia ha creado nuevas posibilidades para el
control de los motores de tracción
La ventaja son pérdidas muchos menores. Sobre todo se limitan significativamente
las perdidas en las resistencias de arranque. Estas pedidas alcanzan valores de 15% a
25% de la energía total consumida por el vehículo durante el viaje
La confiabilidad y la resistencia al trabajo permanente de los elementos de
electrónica de potencia es mayor que en los Contactores y Controladores mecánicos
La aplicación de los elementos de la electrónica de potencia en los vehículos
eléctricos permite limitar las sobre cargas de los elementos del circuito de los
motores de tracción y por consecuencia disminuir las fallas y los costos de
mantenimiento
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Convertidores corriente continua - corriente continua
La red de distribución de tracción entrega un voltaje continuo, la energía es entregada
por SS/EE de Rectificación en base a puentes de diodo.
El arranque y la regulación de la velocidad de los vehículos con la propulsión de
tiristores se hace en base al cambio del voltaje de alimentación de los motores
El principio general de la regulación de voltaje es el de la figura siguiente
iD
C R
iL
U
iM
E
M
D
El motor M se alimenta de la red de alimentación con el voltaje constante U a través de
CR. Al regular la relación en que CR
T resistente
n
n
está cerrado y la suma de los tiempos (abierto +cerrado): Cuando el contactor está
cerrado y cuando está abierto se obtiene la regulación mediante el voltaje medio
El dispositivo CR es un tiristor
Un esquema de “troceador” o chopper que se usa en tracción eléctrica
DT
iL
iS
RL
T1 iT 1
LK (RK)
U
+
Ck
D
iM
E
M
D0
iD
T2
RM
iT 2
LM
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CHOPPER
Los troceadores a “Chopper” son equipos capaces de aplicar a una carga una tensión
continua de menor valor medio Vc ajustable, teniendo como alimentación una fuente de
tensión continua fija V
Tiene ventajas sobre la alternativa de R variable entre la fuente y la carga en lo referente
a perdidas
v
+
V
+
pulsador
-
Vc
V
-
Vc
t1
T
t2
Dos posibilidades:
1° Con el periodo T constante y t1 variable . El intervalo t1 corresponde al estado
interruptor cerrado
2° Con el periodo T variable y t1 constante . En cualquier caso Vc = V(t1/T)
OTRA CADENA DE TRACCIÓN.
Existe el Chopper de cuatro cuadrantes que permite:
Tracción
Marcha
Atrás
marcha
adelante
Frenado
+
M
-
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COMPARACIÓN CADENA DE TRACCIÓN
Convencional, conmutación
electromecánica
Ventajas
-
Tecnología conocida y poco
sofisticada, por lo tanto menor
capacitación, menor
calificación del personal
Chopper 4 cuadrante
-
Desventajas
-
-
Alto costo de mantenimiento
preventivo
Mayor probabilidad de
obsolescencia
(plazo de entrega de repuestos
mayor de 2 años
-
Menor mantenimiento preventivo. Pocos contactores
Economía de energía aproximadamente 25%
Recuperación de energía hasta pocos Km/h, menor
desgaste de sistemas de freno mecánico. 5 a 12 Km/h
Tecnología actual ya probada
Tracción sin sacudidas , frenado mejor regulado
Pre.. automático más funcional, mayor rendimiento
de neumáticos, mayor confort para los viajeros
Coherente con otras técnica modernas. Tecnologías
informática
Tecnología menos conocida, requiere mayor costo de
capacitación
-
ALA/Otoño 2012
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