UNIDAD II
Variador de velocidad de motor DC
Índice 1. Introducción 2. Objetivos 3. Contenidos de la unidad II 3.1. Fundamentos 3.1.1.Variador de velocidad 3.1.2.Inversion de giro en motores DC 3.1.3.Frenado de motores DC 3.2. Etapa de potencia 3.2.1.Variador a tiristores 3.2.2.Variador a transistores 3.3. Etapa de control 3.3.1.Control realimentado 3.3.2.Transductores de velocidad y corriente 3.3.3.Conceptos de control 3.4. Criterios para la puesta en marcha 3.4.1.Comprobación del estado de la etapa de potencia 3.4.2.Comprobación del estado de la etapa de control 3.4.3.Instalación del variador 3.4.4.Puesta en marcha 4. Ejemplos 4.1. Sintonización manual con un multímetro 4.2. Sintonización manual con un osciloscopio 5. Resumen 6. Preguntas de autocomprobación
“VARIADOR DE VELOCIDAD DE MOTOR DC”
1. INTRODUCCION Las características de funcionamiento de los motores DC de excitación independiente y el desarrollo de la electrónica de potencia, han permitido fabricar equipos variadores de velocidad que controlan prácticamente todos los parámetros importantes del motor, permitiendo su uso en todo tipo de aplicaciones industriales. Dichas aplicaciones van desde el control de velocidad del motor hasta el control de su posición (servo-variadores). Los motores DC tienen numerosos inconvenientes, pues necesitan alimentaciones de potencia en continua. Además para la misma potencia, estas máquinas son de dimensiones y costos mayores que los motores de inducción y necesitan más mantenimiento debido al conmutador. Las ventajas de los motores DC es que pueden proporcionar altos pares de arranque, su margen de velocidad es grande por encima y por debajo de los valores nominales y su procedimiento de regulación es más sencillo y económico que los correspondientes a los motores de inducción. Por las razones expuestas líneas arriba, se siguen usando los motores DC y por lo tanto los variadores de velocidad para dicho tipo de motor han seguido desarrollándose sobre todo en lo que respecta a su etapa de control (comunicación por computadora, panel digital de programación, auto-sintonía, etc.), pues su etapa de potencia (rectificadores controlados mediante tiristores o transistores) permanece invariable. 2. OBJETIVOS El objetivo de esta unidad es la de identificar las principales etapas que conforman a un variador de velocidad de motor DC de excitación independiente, así como analizar los bloques de regulación y ajustes que son necesarios para su correcto funcionamiento. 3. CONTENIDO DE LA UNIDAD II 3.1. FUNDAMENTOS 3.1.1. VARIACION DE VELOCIDAD De las ecuaciones (1-1) y (1-2) de la Unidad I se tiene que la velocidad depende de: (
)
Por lo tanto, el control de la velocidad de un motor DC se consigue mediante la variación del voltaje de armadura ( ) o por variación del flujo magnético del campo (proporcional a ). Hasta antes de la llegada de los variadores electrónicos de velocidad para motores DC, las formas de regular la velocidad eran por procedimientos que se citan a continuación:
a. Por variación de la tensión en bornes de armadura
:
Control reostático de la tensión de armadura. Tracción eléctrica. Empleando un elevador/reductor. Modificando el acoplamiento de dos motores por medio de engranajes. Sistema Ward-Leonard.
b. Por variación de flujo de campo:
Reóstato de regulación de campo.
3.1.2. INVERSION DE GIRO DE MOTORES DC La inversión de giro de un motor DC se necesita en gran cantidad de aplicaciones. Para cambiar el sentido de giro hay que variar el campo magnético en uno de los dos circuitos del motor (armadura o campo). En la práctica, la variación del sentido del campo magnético se hace sobre el bobinado de armadura tal como se muestra en la figura 1. En este caso la posición del interruptor nos permite cambiar el sentido de la polaridad del voltaje DC que recibe la armadura y por lo tanto cambiará el sentido de giro del motor.
3.1.3. FRENADO DE MOTORES DC El frenado o parada rápida es una de las maniobras más importantes a realizar en el mando de un motor. Dicho objetivo se puede lograr por:
Frenado por recuperación de energía o también llamado regenerativo. Frenado reostático o también llamado dinámico. Frenado por inversión de corriente de armadura.
3.2. ETAPA DE POTENCIA Usualmente, una unidad de potencia de estado sólido convierte la energía AC de la planta a un voltaje DC ajustable. Este voltaje alimenta a la armadura del motor. La velocidad del motor DC varía proporcionalmente al voltaje de armadura asumiendo:
EL motor es suficientemente grande para alimentar a la carga conectada. La corriente de campo del motor es constante.
Los motores DC tienen dos componentes principales: armadura y campo. La interacción de los campos magnéticos de ambos componentes provoca la rotación del rotor. La etapa puede ser implementado mediante el uso de:
Tiristores Transistores
3.2.1. VARIADOR A TIRISTORES Los Rectificadores Controlados de Silicio (SCR) normalmente llamados “tiristores”, usados en la unidad de potencia convierten voltaje AC a un voltaje DC controlado. El SCR conduce corriente cuando un pequeño impulso de voltaje es aplicado a su terminal “gate”, ver figura 2.
La mayoría de variadores a tiristor diseñados para operar con alimentación AC monofásica, tienen 4 tiristores. Las unidades que operan con alimentación trifásica son frecuentemente construidos con seis tiristores, ver figura 3. Una variante de dicho diseño incluye el reemplazo de la fila inferior de tiristores por diodos rectificadores y adicionando un diodo de conmutación a través de la salida de armadura DC.
La fuente del campo mostrada en la figura 3 se encuentra implementada por un puente de diodos, por lo tanto el campo recibe un voltaje DC fijo de valor igual a su nominal. La armadura recibe voltaje DC variable, con la finalidad de que el motor trabaje en la región de torque constante tal como se vio en la figura 16 de la unidad I. Para desconectar físicamente al motor de la unidad de potencia de estado sólido, se utiliza un contactor (M), ver figura 4. Al energizar la bobina de control del contactor M, el puente rectificador a tiristores alimenta a la armadura haciendo que dicha máquina trabaje como motor impulsando a la carga acoplada a su eje. Cuando se desea tener control de frenado de dicho motor, se puede frenar rápidamente por medio de una resistencia de frenado dinámico (Dynamic Brake: DB) a través de la armadura del motor, ver figura. 4. La bobina de control del contactor M debe ser desenergizada para permitir que la resistencia DB actúe como una carga de la armadura, la cual por acción de la inercia de su carga, se ha convertido en generador. Dicho frenado dinámico sólo es efectivo mientras la armadura se encuentre en movimiento.
Adicionando otro grupo de tiristores (denominados sección reversa) conectados con polaridad invertida, ver figura 5, el variador obtiene capacidades regenerativas y puede operar en los cuatro cuadrantes, ver figura 6. Dicha configuración ofrece operación bidireccional sin el uso de contactores de inversión y frenado regenerativo controlado.
El frenado regenerativo se entiende como el retorno de energía desde el motor (durante el instante de frenado se comporta como generador) hacia la fuente de alimentación AC. Dicha energía debe ser de algún modo absorbida por la fuente. La figura 6 nos muestra que durante el frenado, la polaridad de la armadura no cambia pero si el sentido de la corriente. Esto quiere decir que para el frenado regenerativo el voltaje de alimentación a la armadura se debe hacer menor que la tensión contra-electromotriz. Ver ecuación (1-1) de la Unidad I. Los variadores a tiristores son los normalmente utilizados en la industria pues pueden controlar motores DC de fracciones de potencia hasta decenas de MW.
3.2.2. VARIADOR A TRANSISTORES Los Variadores a transistores son usados en aplicaciones de baja potencia con motores de fracciones de HP, y sobre todo para el control de posición en servo-mecanismos debido a la rapidez en respuesta que tiene su etapa de potencia implementado con transistores, los cuales trabajan a velocidades de kHz. Ver figura 7. Los motores DC usados son del tipo imán permanente, es decir que su campo es un material magnético sólido, el cual proporciona flujo magnético a la armadura, la cual es bobinada y tiene conmutador y escobillas similar a lo ya estudiado. El tiempo de vida de los motores de imán permanente depende del tiempo que permanezca el flujo magnético nominal para el que fue fabricado. Si disminuye el flujo magnético del motor, éste pierde su torque nominal y su trabajo no será eficiente pudiendo sobrecargarse con exceso de corriente.
3.3. ETAPA DE CONTROL 3.3.1. CONTROL REALIMENTADO Se presenta el Diagrama de Bloques del variador de velocidad de motor DC en el cual presentamos las principales partes que la conforman. Ver figura 8.
Las partes numeradas se detallan a continuación: #1. Valor de referencia de velocidad ingresando al bloque comparador. Normalmente es un valor de voltaje proporcionado por un potenciómetro o señales normalizadas 0-10V / 4-20mA provenientes de un controlador. #2. Error de velocidad Es el resultado de la comparación de las señales denominadas valor de referencia de velocidad y realimentación de velocidad. #3. Bloque regulador de velocidad. Reacciona con características proporcional-integral (PI) ante el error de velocidad que recibe a su entrada. La señal 4 es la salida. #4. Valor de referencia de torque. Denominado así porque se compara con la realimentación de corriente, la cual es proporcional al torque que desarrolla el motor. #5. Error de torque. Es el resultado de la comparación de las señales denominadas valor de referencia de torque y realimentación de corriente. #6. Bloque regulador de torque. Reacciona con características proporcionalintegral (PI) ante el error de torque que recibe a su entrada. La señal 7 es la salida #7. Mando disparo de tiristores. Es la señal DC que se transforma en pulsos de disparo luego de ingresar al circuito de disparo. El ángulo de disparo es tal que la potencia DC recibida por la armadura del motor sea la necesaria para mantener la velocidad del motor al valor de referencia deseado. #8. Realimentación de corriente. Es la señal que representa a la corriente de armadura, medida en forma directa por medio de un transformador de corriente DC o en forma indirecta por medio de una resistencia de pequeño valor (resistencia shunt). #9. Realimentación de corriente. Es la señal de medida de corriente de armadura pero en forma indirecta por medio de transformadores de corriente AC ubicados en la entrada de la etapa de potencia. Dicho valor de corriente debe ser rectificado por medio de puente de diodos y transformado en VDC por medio de una resistencia. #10. Realimentación de velocidad. Es la señal de medida de velocidad en forma indirecta por medio de tomar una muestra del voltaje de armadura (ver siguiente ecuación 2-2). Dicho valor tiene un error inherente de velocidad medida debido a la caída , razón por la cual el variador pierde precisión al tratar de controlar la velocidad. Para minimizar dicho problema se aplica la técnica de Compensación
#11. Realimentación de velocidad. Es la señal de medida de velocidad en forma directa. El medidor de velocidad se acopla directamente al eje del motor. Existen dos tipos de dichos medidores los que se denominan: Tacogenerador (Dinamo-Tacométrica) y Encoder. El tacogenerador proporciona una señal tipo voltaje analógico DC proporcional a la velocidad del eje del motor y con polaridad dependiendo del sentido de giro. Usar el tacogenerador permite una precisión de velocidad del orden de ± 0,1%. El encoder proporciona cuatro señales digitales desfasadas de a dos, los cuales proporcionan información de velocidad, sentido de giro y posición. Usar el encoder permite una precisión de velocidad del orden de ± 0,01%. Se tiene los siguientes ejemplos: a) Las instrucciones desde una estación de control de operador u otra entrada, son enviadas hacia el regulador, ver figura 9. El regulador compara las instrucciones con las realimentaciones de voltaje y corriente y envía la señal apropiada hacia el circuito de disparo. Dicha etapa acondiciona los pulsos de disparo que activarán a los Transistores o tiristores, causando su conducción. En algunos diseños, el regulador y circuito de disparo están unidos en un solo circuito digital.
La realimentación de voltaje da una indicación de la velocidad del motor, y la corriente indica el torque del motor tal como se vio en la ecuación (1-1) y (1-2) de la Unidad I. De dichas ecuaciones y despreciando la caída en la inductancia La se tiene:
De la ecuación anterior observamos que la realimentación de voltaje de armadura Va es una forma indirecta de medir la velocidad n en el motor.
Lo ideal sería medir el valor del voltaje contra-electromotriz Ea pero, eso es imposible, por lo tanto lo mejor es medir el voltaje de armadura aplicado y restar de ella un voltaje igual a la caída I a ra ; esto es posible gracias a que la caída de voltaje en los extremos de cualquier resistencia es proporcional a la caída en la resistencia de la armadura. Los ajustes típicos en el regulador incluyen: mínima velocidad, máxima velocidad, límite de corriente (torque), compensación IR (carga) y ajuste de la tasa de aceleración. b) Para un control más preciso de la velocidad, un encoder o tacogenerador pueden ser montados en el motor para dar una señal de realimentación, ver figura 10, que es proporcional a la velocidad actual del motor. La calidad de estos y del regulador determina la precisión total del variador.
En la figura 9 se observa que las bobinas de campo y armadura son alimentadas por circuitos independientes. Generalmente la alimentación que recibe el campo es constante, por lo que se facilita la característica de control de torque, la cual dependerá únicamente de la corriente aplicada a la armadura. En la figura 11 se representa el modo de control mencionado, el cual es del tipo “Control Vectorial” pues se tiene la habilidad de controlar independientemente las corrientes que producen el flujo y torque en un motor con el propósito de controlar con precisión su torque y potencia. El ángulo “d” es de 90° debido a la posición mecánica entre el conmutador y las escobillas, por lo tanto el torque es directamente proporcional a la corriente de armadura (Ia) ya que If es constante. Observe que al aumentar la carga del motor, la velocidad tiende a disminuir y por lo tanto el variador debe ser capaz de proporcionar mayor Ia al motor para compensar dicho incremento de carga y así mantener la velocidad constante.
3.3.2. TRANSDUCTORES DE VELOCIDAD Y CORRIENTE Los transductores son elementos que cambian una magnitud física a otra, es decir. Entre los transductores que se utilizan para medir velocidad tenemos: 3.3.2.1.
Magnitud física de velocidad angular se puede cambiar a una magnitud física de voltaje. Magnitud física de corriente se cambia a voltaje. Magnitud física de movimiento angular se cambia a voltajes senoidales. ENCODER Los encoder están divididos en dos grupos: incremental y absoluto. Encoder Incremental, cuentan simplemente el paso de una división del círculo y entregan salidas pulsantes que permiten almacenar la cuenta y conocer el sentido de rotación. Este método es conocido como sistema de salida “A Quad B” y se muestra en la figura 12.
En este método, el sentido de giro se deduce de la presencia de los frentes de los trenes de impulsos A y B. Una transición de 0 a 1 en “A” se produce antes que una transición de la misma forma en “B” en un sentido de rotación, y lo contrario sucede si el giro es en sentido opuesto, ver figura 13. Durante la rotación del eje, cada vez que pasa por la posición cero se genera un impulso sincrónicamente con A y B. Los encoder incrementales producen estos impulsos a partir de dispositivos fotoeléctricos. La ventaja del encoder incremental es que la posición inicial no es conocida en el instante de la puesta en marcha.
Algunos valores nominales de los encoder incrementales son: 1024 pulsos por revolución, 300 pulsos por revolución, etc. Encoder Absoluto, proporcionan una salida digital paralelo que es generada por un patrón situado sobre un disco rotativo acoplado al eje. Los sensores empleados en este caso pueden ser contactos eléctricos o un sistema fotoeléctrico. Pueden utilizarse diversos códigos, siendo el binario y el Gray los más corrientes y es posible alcanzar resoluciones y precisiones muy altas, del orden de 16 bits (20 segundos de arco) y superiores. Este método tiene el inconveniente de su elevado costo y presenta el problema de la transmisión de los datos en paralelo si el encoder se halla distante del sistema electrónico de medida.
3.3.2.2.
RESOLVER Resolver, es un transformador rotativo cuya tensión analógica de salida está relacionada únicamente con el ángulo de su eje. Es, por lo tanto, un transductor de posición absoluta con un ángulo de rotación de 0 a 360°. Ver figura 14. El resolver como transductor de medida de ángulo presenta diversas ventajas. En primer lugar, es un dispositivo mecánico robusto que puede soportar ambientes agresivos de polvo, aceite, temperaturas extremas y radiaciones. En segundo lugar, por ser un transformador introduce separación de señal y el rechazo natural de modo común de las interferencias eléctricas.
Esta característica, asociada con el hecho de que sólo se necesitan cuatro hilos para la transmisión de datos angulares, hace al resolver único en la medida de ángulos e idealmente apropiados para operar en las duras condiciones ambientales propias de la industria pesada y aeroespacial. Actualmente se dispone de resolvers sin escobillas, que no necesitan establecer ningún contacto con el rotor, lo que aumenta en gran medida la duración y fiabilidad del dispositivo. 3.3.2.3.
TACÓMETROS Tacogenerador (Tach) o Dínamo Tacométrica (DT), es una máquina eléctrica DC que convierte energía mecánica a energía eléctrica, es decir que trabaja como generador DC. Sus partes son: Estator conformado por un imán permanente que proporciona el flujo magnético ∅F, y Rotor construido de un núcleo laminado ranurado, sobre el cual se tienen bobinados de alambres de cobre, los que terminan en el conmutador y escobillas necesarios para transformar el voltaje inducido en salida disponible DC. Verfigura 15.
El eje del tacómetro se acopla con el eje del motor del cual se va a tomar la medida de velocidad. Al girar el motor, su eje arrastra al del tacómetro, el cual responde en su salida con un voltaje DC directamente proporcional a la velocidad del motor. Se tiene la siguiente ecuación que relaciona la velocidad de entrada n (en RPM) y el voltaje DC de salida Vout del tacómetro:
La polaridad de la salida depende del sentido de giro. Las unidades comúnmente usadas para la placa de datos del tacómetro son por ejemplo, 20V/RPM. 3.3.2.4.
TRANSFORMADOR DE CORRIENTE AC Conformado por un núcleo laminado toroidal alrededor del cual se encuentra el bobinado inducido que viene a ser el secundario. Por el agujero del núcleo toroidal va el cable de la corriente a medir (Iprimario), dicha corriente es AC; la corriente de salida se denomina Isecundario, y también es AC pero de un valor menor, de acuerdo a la relación de transformación según su placa de datos. La corriente secundaria debe ser rectificada mediante puente de diodos y convertida a voltios tal como se muestra en la figura 2-13.
Se tiene la siguiente relación:
Donde k1 es la relación de transformación (IPRIMARIO/ISECUNDARIO) nominal y R es la resistencia de conversión de corriente a voltaje. El transformador de corriente AC va colocado en la línea de alimentación a la etapa de potencia y su finalidad es medir en forma indirecta la corriente DC que consume la armadura. 3.3.2.5.
TRANSFORMADOR DE CORRIENTE DC Se basa en el fenómeno de “efecto Hall” en el que los portadores de carga que se mueven a través de un campo magnético son forzados hacia un lado del medio del conductor, luego la distribución no uniforme de la carga produce una diferencia de potencial de lado a lado, el cual se denomina Voltaje Hall. En la figura 2-14 se muestra una aplicación como medidor de flujo de potencia.
3.3.2.6.
RESISTENCIA SHUNT Conformado por una barra de cobre o bronce, la cual es colocada en serie con el conductor cuya corriente DC se desea medir. Ver figura 215.
Se basa en el principio de caída de voltaje que produce una resistencia al ser atravesada por una corriente (Ley de Ohm). La ecuación que representa la relación es:
Donde k2 es la relación de transformación en mV/Amperios nominales dada en la placa de datos de dicha resistencia shunt. Se especifica del siguiente modo: k2=20mV/50A, k2=50mV/50A, etc. Lo cual quiere decir, para el primer caso, que al pasar una corriente máxima de 50ADC existe una caída de voltaje igual a 20mV en los bornes de la resistencia shunt. Su ventaja es el costo económico. La desventaja es que no tiene aislamiento entre etapa de potencia y etapa de control; además es necesario amplificar la señal de salida del orden de mV a V. En algunas aplicaciones, para conservar el aislamiento entre etapa de potencia y control, se utiliza una tarjeta convertidora DC/DC la cual cumple también la función de amplificar la señal de proporcional a la corriente que va a recibir la etapa de control. 3.3.3. CONCEPTOS DE CONTROL Control de Procesos Es un método por el cual un “Proceso” de fabricación puede ser controlado de forma continua y automática, con resultados regulares y coherentes. El control de procesos define el sistema general, sus componentes, y sus respectivas capacidades. El control de procesos puede tener los siguientes nombres.
Control de lotes (batch) continuos.
Control de bucle cerrado.
Control de bomba.
Control de nivel.
Control térmico de zona.
Control automático.
Se tienen las siguientes ventajas:
La capacidad de fabricar un producto con exactitud repetible. El uso más eficaz y eficiente de las instalaciones de la planta. Permite al operador dedicarse a trabajos más productivos y que requiera mayor destreza. Se reducen las tareas aburridas y se evita que haya trabajadores expuestos a operaciones peligrosas. Mayor productividad, menor desperdicio.
Control de bucle abierto (sin realimentación) Se denomina así a un sistema de control que no detecta su propia salida y por lo tanto no hace correcciones en el proceso. No hay retroalimentación al sistema de control que le permita a éste regular el proceso. Control de bucle cerrado (con realimentación) Ofrece al usuario la capacidad de programar una determinada operación de modo que se realice en forma regular y coherente. Un sistema de control que haya sido correctamente preparado hará ello independientemente de casi todas las influencias (perturbaciones) externas. El control Proporcional-Integral-Derivativo (PID) tiene como fin específico mantener la regularidad del proceso y compensar las perturbaciones externas. Diagrama de Bloques de un Sistema Realimentado Los sistemas de control se representan usualmente mediante una serie de bloques interconectados. Los bloques representan las funciones específicas del sistema. Ver figura 2-16.
Todo sistema realimentado puede dividirse en cuatro operaciones básicas: 1. Medición de la variable controlada. La variable controlada puede ser temperatura, velocidad, espesor, presión de agua, etc. Como elemento de medición se usa un sensor, y la medición obtenida se convierte luego en una señal compatible con las entradas del control, por lo general voltaje (0-10V) o corriente (4-20mA). Esta señal representa a la variable controlada. 2. Determinación del error. Esto se realiza en la sección de comparación.
3. La señal de error Es usada luego por el control para cambiar el torque o la velocidad del motor. 4. La variable controlada Se emplea después el torque o la velocidad del motor para reducir la señal de error accionando el control de manera que el valor real de la variable controlada se aproxime al valor de referencia (Vref). Es importante notar que los sistemas de control realimentados son accionados mediante el error; es decir, deberá existir un error antes que el sistema trate de hacer la corrección respectiva. Definición de “P” (Ganancia Proporcional) Es la amplificación que se aplica a la señal de error del proceso y que va a resultar en una determinada salida del control. La ganancia proporcional se define como:
Donde: Aout= Salida del control KP= Ganancia proporcional ε= Señal de error del proceso La ecuación (2-7) se puede interpretar como:
La amplitud de la salida del control es función del error del proceso, multiplicado por la ganancia proporcional. Para una determinada magnitud del error, cuanto mayor sea la ganancia proporcional, mayor será la salida. Para un determinado valor de la ganancia proporcional, cuanto mayor sea el error, mayor será la salida.
Ver figura 2-17 para aclarar la definición de ganancia proporcional.
Definición de “I” (Ganancia Integral) La ganancia integral (al igual que la ganancia proporcional) es una amplificación de la señal de error del proceso, pero depende del tiempo. Un error de estado estacionario que se mantienen durante un largo período de tiempo es conocido como desviación (offset o desequilibrio). La ganancia integral compensa esta desviación o error a largo plazo. La ganancia integral se define como: ∫ Donde: Aout= Salida del control. ε= Señal de error del proceso. ∆t = Cambio en el tiempo. La interpretación de la ecuación (2-8) es:
La salida del control (Aout) es igual a la ganancia integral (ki), multiplicada por el error acumulado durante un intervalo de tiempo t. El error de largo plazo se acumula a través del tiempo y la ganancia integral permite compensar y reducir el error de largo plazo.
En general, si usted usara en un proceso tan solo el control proporcional, la salida del control nunca haría que la variable controlada sea exactamente igual al valor de referencia. Siempre habría una pequeña cantidad de error. La característica integral detecta esta desviación de largo plazo y corrige la salida del control para reducir el efecto de tal desviación.
Ver figura 2-19 para mejor interpretación de dicha variable.
Definición de “D” (Ganancia Diferencial) El elemento diferencial es proporcional a la tasa de cambio del error del proceso. La ganancia diferencial se proporciona para reducir la sobremodulación (overshoot o sobreimpulso) del control de procesos durante perturbaciones repentinas de gran magnitud. El elemento diferencial responde únicamente durante las condiciones transitorias. La ganancia diferencial se define como:
Donde: KD= Ganancia diferencial. ∆ε = Cambio en la señal de error del proceso dividida por el cambio del tiempo ∆t La interpretación de la ecuación (2-9) es:
Al producirse un gran cambio en el error del proceso durante un período fijo de tiempo, el término diferencial ejercerá un efecto grande sobre la salida de control. Un pequeño cambio en el error del proceso durante un período fijo de tiempo ejercerá menor efecto sobre la salida del control.
En la mayoría de las aplicaciones la ganancia diferencial es raramente usada. De ser necesaria, se la deberá emplear con sumo cuidado, puesto que podría provocar inestabilidad.
Ver figura 2-20
Definición de “PID” (Proporcional, Integral, Derivativo) Es la suma total de los tres elementos de ganancia, y puede expresarse como sigue: ∫ Se puede interpretar la ecuación anterior:
La ganancia Proporcional es una ganancia de estado estacionario y está siempre activa. La ganancia Integral estará activa solamente ante desviaciones por errores de largo plazo. No estará activa en el bucle de control cuando los errores son de breve duración. La ganancia diferencial estará activa solamente ante desviaciones por errores transitorios, de corto plazo. No estará activa en el bucle de control cuando los errores son de larga duración.
3.4. CRITERIOS PARA LA PUESTA EN MARCHA Antes de proceder a la puesta en marcha del variador, es imprescindible haber leído el manual respectivo, en donde el fabricante nos proporciona información sobre las pruebas previas a efectuar en las etapas de potencia y control. El método que presentamos a continuación puede servir como una referencia de pruebas usadas sobre todo en variadores del tipo analógicos. Dichas pruebas deben ser realizadas estando el variador sin alimentación de energía. 3.4.1. COMPROBACION DEL ESTADO DE LA ETAPA DE POTENCIA Destape el equipo variador y compruebe el estado de los diodos y tiristores que conforman la etapa de potencia. Observará que se tienen dos partes, las cuales corresponden a los circuitos de alimentación de armadura y campo. Utilice un multímetro digital en escala de diodos, ver figura 2-22. Es importante que tenga conocimiento del tipo de rectificador controlado implementado por el fabricante.
Revise el estado de los fusibles, los cables de conexión, las borneras de fuerza, los empalmes, los puentes que sirven para adaptar la etapa de potencia para diversos niveles de voltajes de alimentación (110VAC, 220VAC, 380VAC, 440VAC), los sensores de corriente y velocidad, etc. Por medio de observación minuciosa determine si existen restos de suciedad, polvo o humedad. Proceda a la limpieza con un trapo seco que no deje pelusa o en todo caso con una brocha de pelo de cerda para evitar problemas de carga estática. Terminado el procedimiento, el equipo variador debe ser ensamblado nuevamente y preparado para la siguiente fase.
3.4.2. COMPROBACION DEL ESTADO DE LA ETAPA DE CONTROL Sin aplicar energía y con ayuda del manual del fabricante, efectuar los empalmes de conexión a las borneras de potencia y control. La bornera de potencia se puede describir generalmente como sigue: (Ver figura 2-23)
En donde: Las borneras L1, L2 y L3 es la entrada de alimentación VAC del nivel de voltaje ajustado en el procedimiento anterior (se a tomado como ejemplo un variador de velocidad trifásico que son los más usados a nivel industrial). Dichos voltajes de línea alimentan a los circuitos rectificadores de armadura y campo. Las borneras +A y –A son la salida del rectificador que se encargará de alimentar a la armadura con voltaje DC. Las borneras +F y –F son la salida del rectificador que se encargará de alimentar con voltaje DC al campo del motor. Durante la comprobación de la etapa de potencia, las salidas de armadura y campo de la bornera de potencia se conectan a unas lámparas que simularán, por el momento, la función de dichas bobinas. La bornera de control (ver figura 2-24) se describe como sigue:
Normalmente: La bornera L1, L2 y L3 es el mismo voltaje que alimenta a la bornera de potencia (salvo indicación en contrario del fabricante). La entrada “Run” permite habilitar el funcionamiento del Variador. El potenciómetro Vreferencia es la señal de referencia de velocidad (en sentido de giro horario el punto deslizante debe unirse con +V) La bornera +DT y –DT es la entrada de la señal de realimentación de velocidad que normalmente se conecta al tacogenerador, pero en este caso de prueba, se reemplaza por una fuente de alimentación DC de valor adecuado. El procedimiento de prueba de la etapa de control es: Ajuste el potenciómetro Vreferencia y la fuente DC al mínimo (sentido antihorario). El interruptor Parada/Marcha debe estar abierto. Alimentar con voltaje VAC ambas borneras. La lámpara que representa a la bobina de campo se encenderá inmediatamente. Cierre el interruptor Parada/Marcha. La lámpara que representa a la armadura debe permanecer apagada (a menos que su ajuste de velocidad mínima sea diferente de cero). Gire ligeramente en sentido horario el potenciómetro Vreferencia hasta observar que la lámpara de armadura comience a iluminar. Dicho incremento de iluminación aumenta lentamente (indicándonos que el variador tiene rampa de aceleración) hasta que alcanza el máximo voltaje posible de armadura según placa de datos del variador. Gire lentamente en sentido horario la fuente DC hasta observar que la lámpara de armadura comienza a apagarse lentamente (indicándonos que tiene rampa de desaceleración) hasta iluminación mínima. Si el variador responde de la forma indicada líneas arriba se concluye que la etapa de control se encuentra operativa. Apague el variador y desconecte los empalmes de prueba.
3.4.3. INSTALACION DEL VARIADOR Luego de seguir el procedimiento de prueba, se continúa con la instalación del variador en el lugar designado para el caso, teniendo en cuenta las condiciones de puesta a tierra, distancias con otros equipos, facilidad de operación para el usuario, ventilación etc., tal como indica el fabricante en su manual de instalación. Como ejemplo ver figura 2-25.
No olvide que el motor a ser impulsado por el variador debe haber sido previamente revisado comprobando que no tenga problemas mecánicos, falta de asentamiento de escobillas, bajo aislamiento, falta de ventilación forzada, etc. Siempre es recomendable verificar la placa de datos del motor y variador. Normalmente el voltaje de salida máxima del variador debe ser mayor que el del motor para poder ser capaz de proporcionar 150% de torque adicional durante breves segundos ante cargas de gran inercia.
3.4.4. PUESTA EN MARCHA La puesta en marcha se realiza con el motor DC instalado como carga del variador. Las conexiones de las borneras de Potencia y Control deben ser realizadas según las indicaciones del fabricante del variador para un óptimo resultado en el control de velocidad del motor. En la actualidad los variadores de velocidad digitales facilitan la puesta en marcha pues disponen de un teclado y su pantalla respectiva donde se observan los valores de parámetros a ser ajustados. A continuación mostramos los principales parámetros que normalmente deben ser ajustados para conseguir un óptimo rendimiento del equipo variador de Velocidad
Realimentación de velocidad Normalmente los fabricantes disponen la posibilidad de usar realimentación por armadura, tacogenerador o encoder. Se debe escoger cualquiera de ellas. Todo dependerá de la exactitud con la que se quiere tener el control de velocidad. Velocidad Mínima Es un potenciómetro interno del variador que se ajusta por única vez. El potenciómetro Vreferencia debe estar al mínimo (sentido antihorario) para poder ajustar la velocidad mínima de común acuerdo con la persona encargada de la supervisión del proceso industrial del que formara parte el variador Velocidad Máxima Al igual que el caso anterior, es un potenciómetro interno del variador. Su ajuste se efectúa por única vez. El potenciómetro Vreferencia debe estar al máximo (sentido horario) para poder ajustar la velocidad máxima. Rampa de aceleración Potenciómetro interno y ajustable por única vez. Su valor depende del proceso industrial a controlar. Se debe consultar con el responsable. Rampa de desaceleración Igual que el caso anterior. Límite de corriente Potenciómetro interno y ajustable por única vez. Su valor debe ser tal que no permita al variador proporcionar corriente de armadura mayor al valor nominal del motor. Por lo tanto es una protección tanto para el motor como para la etapa de potencia del variador. Para ajustar correctamente se procede como sigue: a. Potenciómetros Vreferencia y límite de corriente al mínimo. b. Retire alimentación de campo del motor o trabe el eje. c. Coloque una pinza amperimétrica en la armadura del motor. d. Alimente con energía al variador. e. Potenciómetro Vreferencia incremente lentamente al máximo. La corriente de armadura no debe subir demasiado. f. Ajuste lentamente en sentido horario el potenciómetro de límite de corriente hasta que el valor medido de la corriente de armadura sea igual al valor nominal visto en placa de datos del motor. g. Selle el potenciómetro de límite de corriente para que no se pueda manipular. Retorne el potenciómetro Vreferencia al mínimo. h. Apague el variador y destrabe el eje del motor o instale nuevamente el campo.
Compensación IxR Potenciómetro interno ajustable por única vez. Sólo se debe usar cuando la realimentación de velocidad es por medio de voltaje de armadura. El procedimiento a seguir es: a). Encienda el variador, compensación IxR debe estar al mínimo. Maniobre Vreferencia hasta que la velocidad del motor sea un valor conocido. Anote dicho valor. El motor debe estar en vacío ó a carga mínima. b). Aplique carga máxima al motor. Anote su velocidad, la cual debe ser menor que el valor en vacío. Incremente ligeramente el potenciómetro de compensación IxR hasta lograr que la velocidad del motor se acerque a su valor en vacío. Realice más pruebas para diferentes cargas y luego selle el potenciómetro compensación IxR. Ajuste de Estabilidad Los potenciómetros de estabilidad o sintonía deben estar ajustados tal como lo indica inicialmente el fabricante del variador. Luego encienda el variador y manipule la velocidad del motor hasta un valor intermedio. Aplique carga al motor y observe la reacción del cambio de velocidad del motor. El variador debe controlar la velocidad del motor sin causar oscilaciones ante cambios de carga. Siga las indicaciones del fabricante. 4. EJEMPLOS A continuación presentamos algunos ejemplos de sintonización de variadores, con los que pretendemos dar una idea de algunos procedimientos a seguir para lograr que el sistema controlado trabaje de manera óptima. 4.1. SINTONIZACION MANUAL CON UN MULTIMETRO Sintonización Manual Inicial de los Sistemas en General 1. Ajuste la ganancia integral (k I ) a 0. 2. Ajuste la ganancia diferencial (k D ) a 0. 3. Ajuste la ganancia proporcional (k P ) en 20% de su máximo valor. 4. Habilite el control y hágalo funcionar con carga constante. Ajuste el potenciómetro de valor de referencia al punto medio de su rotación. 5. Observe la señal de realimentación con un multímetro. 6. Incremente (k P ) lentamente hasta que la realimentación del proceso comience a aumentar. El objetivo es hacer que la realimentación alcance ½ de su rango total de escala completa. En caso que ocurran oscilaciones, reduzca un poco (k P ) y continúe el paso siguiente. 7. Cambie el valor de referencia en un 20% aproximadamente, y observe la señal de realimentación del proceso (o el motor, si resulta conveniente). 8.-Si la respuesta ha sido estable, incremente (k P ) hasta que la realimentación del proceso oscile un poco al efectuarse el paso 7. Disminuya luego lentamente (k P) hasta que la realimentación del proceso sea estable. Este parámetro estará definido.
NOTA: Mientras se opera con carga constante, el valor realimentado no será igual que el valor de referencia. Esto será sintonizado luego. Ver figura 2-26.
9. Habilite el control y hágalo funcionar con una carga constante. Ajuste la señal de referencia a la mitad de su máximo valor. Maniobre (k I ) a un valor pequeño, por ejemplo 0,1 Hz. Observe la señal de realimentación del proceso, la que deberá aumentar lentamente durante un período de varios segundos hasta alcanzar exactamente el valor de referencia. Aumente (k I ) para reducir el tiempo que lleva eliminar el error de estado estacionario. Si el sistema comienza a oscilar o se hace inestable, reduzca (k I ) . Una ganancia integral del proceso que sea demasiada alta creará fácilmente inestabilidad en casi cualquier sistema. Use el mínimo valor de ganancia que resulte necesario para lograr la operación apropiada. Ver figura 2-27.
10. Si el sistema sigue inestable o responde poco, revise el dimensionamiento del motor y el control con respecto a la carga. Compruebe también si el parámetro Velocidad Máxima es suficientemente alta. En algunos casos dicho parámetro puede ser el factor limitante, o quizás el conjunto de motor y control resulte demasiado pequeño para la aplicación.
4.2. SINTONIZACION MANUAL CON UN OSCILOSCOPIO Un aumento en la ganancia proporcional (k P ) resultará en una respuesta rápida, y una ganancia proporcional excesiva ocasionará sobremodulación (sobreimpulso u overshoot) y oscilaciones transitorias (ringing). Al disminuir la ganancia proporcional se obtendrá una respuesta más lenta, y mermarán la sobremodulación y las oscilaciones transitorias provocadas por una ganancia proporcional excesiva. Si la ganancia proporcional y la ganancia integral se ajustan con valores que son demasiado próximas uno al otro, puede también ocurrir una condición de sobremodulación. El valor en Hz de la ganancia integral puede definirse como cualquier magnitud desde 0 a 10Hz. Al definirse (k I ) como 0, se elimina la compensación integral, resultando en un bucle de tasa proporcional. Esta selección es ideal para aquellos sistemas en que debe evitarse la sobremodulación y que no requieran un grado sustancial de “rigidez” (la capacidad de la unidad de mantener la velocidad de referencia pese a las cargas de torques variables). Al incrementarse el valor de la ganancia integral se aumenta la ganancia de baja frecuencia y la rigidez de la unidad; una ganancia integral excesiva va a producir sobremodulación ante mandos de velocidad transitorios y puede resultar en oscilaciones. El ajuste típico es de 1 a 4Hz. Para sintonizar manualmente el control de velocidad proceder de la siguiente manera, observando con osciloscopio la señal de la variable medida: 1. La ganancia integral debe estar al mínimo (Se define “0” como sin ganancia integral y “10” como máxima ganancia integral). 2. La ganancia diferencial al mínimo. 3. Ajuste el parámetro (k P) hasta lograr una respuesta adecuada a los mandos escalonados del valor de referencia. 4. Aumente (k I ) para incrementar la rigidez de la unidad. Es conveniente monitorear la respuesta escalonada de la realimentación usando un osciloscopio de almacenamiento. Las figuras siguientes ilustran como se verá en un osciloscopio la respuesta de la realimentación bajo diversos ajustes de las ganancias. Estas formas de onda muestran la respuesta durante un mando del punto de ajuste escalonado desde cero hasta 4/5 de la escala completa.
La figura 2-28 muestra la respuesta de un bucle de tasa proporcional cuando la ganancia integral está definida en 0 Hz. El valor de la ganancia proporcional es, sin embargo, demasiado bajo.
La figura 2-29 es un ejemplo de una ganancia proporcional excesiva: note las oscilaciones transitorias en la respuesta de la realimentación del proceso.
La figura 2-30 muestra la respuesta óptima para este sistema en particular (Ganancia proporcional del proceso= 100, y ganancia integral= 2,00 Hz).
En la figura 2-31 la ganancia integral fue puesta demasiado alta (2,00 Hz) para el valor de la ganancia proporcional (10). Como resultado, hay oscilaciones transitorias y sobremodulación excesiva. Por lo tanto deberá aumentarse la ganancia proporcional del proceso o reducirse la ganancia integral del proceso.
5. RESUMEN En la presente unidad se han mostrado las partes que conforman un variador de velocidad de motor DC: Etapa de Control y Etapa de Potencia. Respecto de la etapa de potencia se pueden dividir en dos: Etapa de Potencia implementada con Transistores, usadas en aplicaciones de baja energía y con necesidad de respuestas dinámicas muy rápidas tal como el caso de control de posición; y luego la Etapa de Potencia implementada con Tiristores, usadas en aplicaciones de gran energía para la industria en general. De la Etapa de Control se tienen dos partes principales: Regulador de Velocidad y Regulador de Torque. Del correcto ajuste o sintonía de cada uno de dichos reguladores dependerá la óptima respuesta del sistema de control ante cambios de carga que tratarán dedesestabilizarlo. Se comprobó que el motor DC de excitación independiente, debido a sus propias características, es muy fácil de controlar pues el parámetro torque es prácticamente proporcional a la corriente de armadura (pues la corriente de campo es normalmente mantenido constante), denominándose “Control Vectorial” al modo de control empleado. Dicha característica permite un control muy fino de su velocidad, cuya precisión también depende del tipo de transductor empleado. Los transductores muy usados en los variadores de velocidad de motor DC son: transformadores de corriente AC, de corriente DC, resistencia shunt, encoder, etc. Para la comprobación del estado en que se encuentra el variador antes de su puesta en marcha, se describieron algunos métodos que nos ayudarán a determinar si dicho variador efectivamente se encuentra en buen estado. En la presente unidad también se brindo información sobre Conceptos de Control tales como Control de Procesos, ganancia proporcional, ganancia integral y ganancia diferencial; los que comprobamos cumplen un importante papel durante la puesta en marcha del
equipo variador. 6. PREGUNTAS DE AUTOCOMPROBACION 6.1. ¿CUALES SON LAS DESVENTAJAS DEL TRANSDUCTOR “RESISTENCIA SHUNT” a) b) c) d) e)
Se requiere amplificar su señal de salida Son muy caros. No aislan la etapa de control y potencia. Respuestas a y b. Respuestas a y c.
6.2. EL TORUQE DEL MOTOR DC DE EXCITACIÓN INDEPENEDIENTE UNICAMENTE DEPENDE DE: a) b) c) d) e)
La velocidad del motor. La corriente de campo. La corriente de armadura. Respuestas b y c. Respuestas a y b.
6.3. LA FUNCION QUE CUMPLE EL REGULADOR DE VELOCIDAD ES: a) b) c) d) e)
Mantener la velocidad del motor a un valor constante igual al de la referencia. Proporcionar una referencia de torque al regulador de torque. Permitir sintonizar el parámetro de velocidad. Todas las anteriores. Respuestas a y b.
6.4. EL CONTROL VECTORIAL NOS PERMITE: a) Controlar independientemente las corrientes que producen flujo y torque en un motor DC. b) Controlar independientemente las corrientes que producen flujo y torque en un motor AC. c) Controlar independientemente las corrientes que producen flujo y torque en un motor. d) Controlar posición del rotor de un motor DC. e) N.A. 6.5. ¿CUAL DE LOS SIGUIENTES TRANSDUCTORES DE CORRIENTE ES MAS BARATO: a) b) c) d) e)
Transformador de corriente AC. Transformador de corriente DC. Resistencia shunt. Transformador de efecto Hall. N.A.
