Control velocidad

ESCUEL ESCUELA A PROF PROFESI ESIONA ONAL L DE INGENI INGENIER ER A MEC MEC NICA, NICA, MECÁNICA ELÉCTRICA Y MECATRÓNICA TEMA: APLICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CONTROL DE VELOCIDAD AL MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA

Prác. N°

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APLICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CONTROL DE VELOCIDAD AL MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA I.

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Fundamento Teórico: La principal razón por la que se utilizan con gran frecuencia motores de CC en el diseño de sistemas de control es la facilidad con que su desempeño se adapta para satisfacer las demandas del sistema. En pocas palabras un motor de CC permite modificar su velocidad a cualquier par conveniente sin efectuar ningún cambio en su construcción. Los métodos más usados para obtener el control de velocidad son: el de variando la corriente en la armadura, control del campo y controlando el voltaje de alimentación al motor.

a) Variando la corriente de la armadura: Con este método, el control de la velocidad se logra insertando una resistencia  en el circuito de la

armadura de un motor shunt, serie o compound.

En un motor shunt o compound, el devanado del campo se conecta directamente al voltaje pleno de línea. La resistencia adicional en el circuito de la armadura reduce la fuerza contraelectromotriz en el motor para cualquier corriente de la armadura que se requiera. Puesto que el flujo en el motor es constante y el par depende de la corriente de la armadura, la disminución en la fuerza contraelectromotriz da lugar a una caída en la velocidad del motor.

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La velocidad de un motor de CC puede expresarse en tertminos de la corriente de su armadura, como:



 −  =   ɸ

Para un motor serie o compound:

    +  De la ecuación anterior se puede observar evidentemente que cualquier incremento en el valor de la resistencia de control  disminuye la velocidad del motor. El método de control de la resistencia de la armadura, en consecuencia resulta apropiada para operar al motor a velocidad más baja que la especificada, al tiempo que se mantiene el par desarrollado. Las características velocidad-par de motores serie, shunt y compound para distintos valores de la resistencia de control se ilustran en la siguiente imagen:

Las resistencias de arranque también pueden utilizarse para propósitos de control de velocidad. Las desventajas de este método de control de la velocidad son las siguientes:   

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Perdida de potencia considerable en la resistencia de control  . Disminución en la eficiencia de motor. Deficiente regulación de la velocidad de los motores shunt y compound.


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El método de control de la resistencia de la armadura se basa en la reducción del voltajes aplicado a las terminales de la armadura de un motor de CC. Por lo tanto, debe ser posible controlar la velocidad de un motor de CC con a simple conexión de su armadura a una fuente de voltaje variable. Este método de la velocidad se conoce como método Ward-Leonard. 

7

Metodo Ward-Leonard: El

sistema Ward-Leonard se trata de un grupo motor-generador-motor destinado a lograr el control del sentido de giro y amplia regulación de la velocidad en motores de Corriente Continua, destinados al accionamiento de grandes guinches, grúas y cabrestantes navales, etc. El circuito corresponde a un sistema que usa alimentación de corriente alterna trifásica, para luego ser corregida en el motor de arrastre. Éste sistema es ventajoso debido a que con una corriente pequeña se gobierna el circuito de elevada potencia.

El motor trifásico de impulso toma energía de la red de corriente alterna (Generalmente de 3 x 380V 50Hz) y acciona simultáneamente a dos generadores de C.C.: de los cuales el más pequeño se denomina "Excitatríz", y está destinado a proporcionar la tensión de corriente continua necesaria para el control y la excitación de las dos restantes máquinas de C.C.; el segundo generador de C.C. -de elevada potencia y que se denomina "de mando"- posee sus bornes de la armadura directamente conectados a los bornes homólogos de la armadura del motor de accionamiento. Con los elementos así dispuestos la polaridad y el valor de la tensión en bornes del generador de mando dependen del sentido de la corriente que recorre su campo inductor, y por lo tanto de la posición del cursor doble del regulador-inversor de campo de dicho generador. Cuando el cursor doble se encuentra exactamente en su posición central la corriente de excitación del generador de mando vale cero, de tal


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manera por ser nula la tensión aplicada a la armadura del motor de accionamiento, éste no se mueve. Pero si se mueve el cursor a derecha e izquierda de la posición central se logrará aumentar gradualmente -con una u otra polaridad- la tensión aplicada a la armadura del motor de accionamiento, lo que origina en éste el control del sentido de giro de la corriente eléctrica y una muy amplia y gradual regulación de su velocidad. El reóstato de campo de la excitatriz, permite regular adecuadamente el valor de la tensión de excitación, al tiempo que el reóstato de campo del motor determina la máxima velocidad y par motor de éste. Normalmente el cursor de éstos dos últimos reóstatos de campo se mantiene invariablemente en una posición conveniente de tal manera que el control del sentido y velocidad de la máquina puede lograrse con la sola actuación del reóstato regulador-inversor (Es decir, aquel cuyo giro hacia derecha o izquierda logra aumentar con la polaridad deseada la tensión aplicada a la armadura del motor de accionamiento). En la actualidad, los sistemas Ward Leonard se alimentan invariablemente con Corriente Alterna trifásica, y para una mayor comodidad, eficiencia, seguridad y economía se ha reemplazado a la excitatriz por un sistema de rectificación controlado. De la misma manera se ha reemplazado al sistema regulador-inversor por controles electrónicos de elevada sensibilidad.

b) Método de control de campo: El método de control de campo consiste en controlar el flujo en el motor de CC. La corriente en el campo en un motor shunt puede considerarse introduciendo una resistencia externa en serie con el devanado del campo. Debido a que la corriente del campo es una fracción muy pequeña de la corriente total que consume un motor shunt, la potencia que disipa la resistencia externa es relativamente pequeña. Por lo tanto, el método de control del flujo es mejor desde el punto de vista económico que el de control de la resistencia de la armadura. Para controlar el flujo es un motor serie, se conecta una resistencia desviadora para el campo, en paralelo con el devanado del campo en serie. Si todas las bobinas de un devanado del campo en serie están conectadas en serie, también puede cambiarse el flujo en un motor serie si se conectan las bobinas en paralelo. La adición de una resistencia en serie con el devanado del campo shunt o en paralelo con el devanado del campo en serie ocasiona la disminución de la corriente en el campo y con ella la reducción en el flujo del motor. Como la velocidad de un motor es inversamente proporcional a su flujo una disminución de éste produce un incremento en su velocidad. En consecuencia, el método de control del flujo permite que un motor opere a una velocidad más alta que la especificada (nominal). Como el par desarrollado por un motor shunt es proporcional al producto de la corriente de la armadura y el flujo por polo, una disminución del flujo debe


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acompañarse por el aumento correspondiente en la corriente de la armadura para que el motor entregue el mismo par. Por consiguiente, este método de control de la velocidad resulta insatisfactorio para motores compound, ya que cualquier disminución de flujo producido por el devanado del campo en serie originado por el aumento en la corriente de la armadura.

c)

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Controlando el voltaje de alimentación al motor: Este método consiste en reducir el voltaje de alimentación al motor por medio de una resistencia variable que se conecta en serie con la fuente de alimentación, a más valor tenga esta resistencia menor será la velocidad del motor de CC.



 −  =   ɸ

Como se puede observar la velocidad de giro es directamente proporcional al voltaje de alimentación  y cualquier cambio de este afecta a la velocidad de giro.


II.

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Procedimiento de ejecución



Utilizando las herramientas y materiales adecuados, realizar el montaje del circuito del motor de CC, según indicaciones en el laboratorio.



Utilizando un reóstato en la entrada del circuito de alimentación del motor, variar la velocidad del motor, registrando 6 valores de velocidad y tensión de alimentación del motor, dibujar la curva velocidad-tensión.


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Tabla 1: Controlando el V de alimentación v1 (V)

v2 (V)

N (RPM)

1

52.50

53.40

3500

2

50.50

38.70

3000

3

48.50

26.00

2500

4

47.70

20.00

2000

5

47.50

17.50

1500

V vs N 4000 ) 3000 M P 2000 R ( N1000

0 -

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

V (V) V vs N



Usando un reóstato del circuito de excitación, regulando la tensión de alimentación a 40V, manteniendo constate esta tensión de alimentación, variar la velocidad del motor registrando valores, registrar la corriente de excitación para dibujar la curva velocidad-corriente de excitación.

Tabla 2: Variando la corriente de armadura

V1 (V)

I (A)

N (RPM)

1

52.90

0.12

3592

2

48.90

0.11

3092

3

46.70

0.10

2592

4

46.80

0.09

2092

5

46.70

0.09

1800

7


N vs I 4000 ) 3000 M P 2000 R ( N

1000 0 -

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

I (A) N vs I

Tabla 3: Actuando en el circuito de campo.

V1 (V)

I (mA)

N (RPM)

1

31.20

180.20

2875

2

32.60

144.50

3375

3

32.40

120.80

3875

4

31.50

92.60

4375

N vs I 5000 ) 4000 M3000 P R2000 ( N 1000

0 -

50.00

100.00

I (mA) N vs I

150.00

200.00

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III.

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Cuestionario

1. Mida los valores de la corriente de arranque y la corriente de operación en vacío de la máquina y explique el por qué de las diferencias. La corriente de arranque es mayor a la corriente de vacío puesto que para que un motor pueda empezar a funcionar debe vencer la inercia que lo mantiene inmóvil, por lo que en este movimiento consume más corriente, por eso es necesario prevenir la corriente de arranque que tendrá el motor pues es más alta a la nominal y de vacío, la cual es menor al trabajar sin carga. 2. Siguiendo las normas del Código Eléctrico Nacional elabore el diagrama completo de instalación del motor ensayado, para los diferentes métodos de control de velocidad.


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3. Explique ¿Cómo se regula la corriente de línea que toma el motor cuando se varía la carga aplicada al eje? De la ecuación podemos despejar el valor de la corriente:



 −  =   ɸ

Quedaría:





   ɸ 

De la segunda ecuación observamos que al variar la carga R esta afecta a la corriente  , cuanto mayor sea la carga la corriente de línea tendrá un valor bajo y al disminuir la carga la corriente de línea tendrá un valor elevado.

4. De los métodos de control de velocidad ensayados en el laboratorio, ¿Cuál es el más óptimo?, explique por qué. El método de control del campo es más óptimo porque afecta directamente al campo, al ser la corriente de campo muy pequeña de la corriente total que consume un motor shunt, la potencia que disipa la resistencia externa es muy pequeña. Este método permite trabajar al motor a una velocidad más alta que la velocidad nominal, pero este método no es bueno para motores compound. 5. ¿Qué ventaja o desventaja ofrece el control de velocidad con la tensión de la armadura? Explique la razón que justifica. Las desventajas del control de velocidad con la tensión de la armadura son las siguientes:   

7

Perdida de potencia considerable en la resistencia de control  . Disminución en la eficiencia de motor. Deficiente regulación de la velocidad de los motores shunt y compound.

No es bueno el control de velocidad con la tensión de la armadura porque si se incrementa la resistencia de control disminuye la velocidad del motor.


IV.

 





Uno de los mejores métodos para regular la velocidad del motor es el método de control de campo. A los motores se les esfuerza hasta en un 20% más porque si se le exige el motor se dañaría. El método de control de velocidad con la tensión de la armadura es seguro porque su velocidad máxima es por debajo de la velocidad nominal. Al usar el método de regulación de velocidad por el control de campo se debe tener en cuenta no usar más de un quinto de la corriente nominal del motor. El método de control de campo es bueno para motores shunt pero no para motores compound.

Bibliografía Máquinas eléctricas y trasformadores, Bhag S guru 3ra edición. Máquinas eléctricas Stephen J. Chapman 5ta edición. https://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_Ward-Leonard http://www.um.edu.ar/catedras/claroline/backends/download.php?url=L2

   

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Observaciones y conclusiones 

V.

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