Tecnología de Avanzada en la Automatización Industrial
ELECTRÓNICA DE POTENCIA Instructor: Juan Limaylla Aguirre
DEFINICIÓN DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA Electrónica de potencia o electrónica de las altas tensiones y altas corrientes, es parte de la electrónica que se ocupa del estudio de las características técnicas y aplicaciones industriales de los dispositivos y sistemas electrónicos de estado sólido. También se define la electrónica de potencia como las técnicas de transformación de las tensiones AC y DC, con la finalidad de controlar la cantidad y la calidad de la energía eléctrica suministrada a una carga.
DEFINICIÓN DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA Electrónica de potencia o electrónica de las altas tensiones y altas corrientes, es parte de la electrónica que se ocupa del estudio de las características técnicas y aplicaciones industriales de los dispositivos y sistemas electrónicos de estado sólido. También se define la electrónica de potencia como las técnicas de transformación de las tensiones AC y DC, con la finalidad de controlar la cantidad y la calidad de la energía eléctrica suministrada a una carga.
CICLO DE CONVERSIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA
DIAGRAMA EN BLOQUES DE UN CIRCUITO ELECTRÓNICO DE POTENCIA
U
1
2
3
1: CIRCUITO DE MANDO O DE CONTROL 2: CIRCUITO DE INTERFASE 3: CIRCUITO DE FUERZA U: TENS TENSIÓN IÓN DE ALI ALIMEN MENT T. :220V :220V,, 380V 380V,, 440V 440V,, 660V 660V
U
COMPUERTAS LÓGICAS BÁSICAS
Motores eléctricos
Definición.- Son máquinas eléctricas rotativas que reciben energía eléctrica ya la transforman en energía mecánica de movimiento.
E.E.
E.M.
CLASIFICACION DE LOS MOTORES ELÉCTRICOS
Motores de Corriente Alterna (C. A.) Monofásicos: - con condensador de arranque - de polos sombreados - de fase partida - de repulsión - serie / universal Trifásicos : - rotor tipo jaula de ardilla o rotor en CC - rotor bobinado o rotor de anillos desliz.
Motores de corriente continua (C. C.) De excitación independiente Auto excitados: - en serie - en derivación (shunt) - compuestos (compound)
3.- Aplicación de la electrónica en los motores eléctricos 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5
Arranque /parada suave Inversión de giro Control de velocidad Control paso a paso (jog) Frenado dinámico
Motores de corriente alterna (A. C.)
Motores de corriente alterna (A. C.)
Principales tipos de arranque eléctrico de motores de inducción trifásico • • • • •
Arranque directo Arranque directo con inversión de giro Arranque estrella – triángulo Arranque estrella – triángulo con inversión de giro Arranque en secuencia forzada de 3 motores La elección del tipo de arranque depende de la aplicación (tipo de motor, tiempo de arranque, velocidad variable, torque).
ARRANQUE DIRECTO CON INVERSIÓN DE GIRO DE MOTOR DE INDUCCIÓN TRIFÁSICO: CIRCUITO DE FUERZA
ARRANQUE DIRECTO CON INVERSIÓN DE GIRO DE MOTOR DE INDUCCIÓN TRIFÁSICO: CIRCUITO DE MANDO ELÉCTRICO
OBTENCIÓN DE ECUACIONES LÓGICAS A PARTIR DEL CIRCUITO DE MANDO ELÉCTRICO
K1 = S1(S2+K1)K2 K1= (S2+K1)(S1.K2) K2 = S1(S3+K2)K1 K2= (S3+K2)(S1.K1)
ESQUEMA DEL CIRCUITO DE MANDO DIGITAL A PARTIR DE LAS ECUACIONES LÓGICAS
ARRANQUE DIRECTO CON INVERSIÓN DE GIRO DE MOTOR DE INDUCCIÓN TRIFÁSICO: CIRCUITO DE MANDO DIGITAL CON PROTECCIÓN ANTE CAMBIOS BRUSCOS DE GIRO
ARRANQUE DIRECTO CON INVERSIÓN DE GIRO DE MOTOR DE INDUCCIÓN TRIFÁSICO: CIRCUITO DE FUERZA
RAZONES PARA USAR CIRCUITO DE MANDO DIGITAL PARA EL ARRANQUE DE MOTORES DE INDUCCIÓN
Simplificar y reducir el tablero de control de arranque de motores en las plantas industriales. Proporcionar mayor confiabilidad en la operación de los sistemas de control de motores. No existe riesgo de descargas eléctricas durante el mantenimiento del sistema electrónico de mando, por trabajar con bajas tensiones (12v). Se crea un alto aislamiento eléctrico entre el circuito de mando y el circuito de fuerza, debido al uso de dispositivos ópticos en la etapa de interfase. Con el uso de interfase óptica y dispositivos de potencia de estado sólido, se puede aumentar la carga a controlar. El circuito de mando digital es el inicio para abrir el horizonte a nuevos sistemas de control de motores con el uso de los autómatas programables con PLC o LOGOS Un circuito de mando electrónico es más económico que un circuito de mando eléctrico convencional.
ARRA NQUE ESTRELL A – TRIÁNGUL O DE MOTORES DE IND UC CIÓN TRIFÁSIC OS
Ventajas: La configuración estrella – triángulo hace que el motor arranque a baja tensión (127v) ó 58% de la tensión nominal (220v), por lo tanto se reduce la corriente de arranque. Se disminuye los costos por consumo eléctrico, especialmente en las plantas industriales que usan motores de alta potencia ( mayor de 5 HP ). Al reducir la corriente de arranque, se disminuye la potencia reactiva Q que normalmente lo paga el usuario ( la empresa que suministra la energía eléctrica puede multar por el uso excesivo de potencia reactiva ….. está
normado. Es un sistema típico para arranque de compresores, equipos de bombeo , grandes ventiladores. El arranque estrella – triángulo se seguirá usando porque es más económico que usar un arrancador de estado sólido que resulta más caro.
Desventajas: La conmutación con contactores produce desgaste y picos de corriente transitorios que afectan a la línea de alimentación. Necesitan adicionar un sistema de mando para el arreglo estrella - triangulo Se generan sobre tensiones ; al pasar a directo tiene un "salto" de corriente y tensión (cuando el motor se encuentra con carga). Requiere de un motor con los 6 bornes accesibles y preparados para una conexión triángulo a tensión Un y arranque con raíz de 3.
ARRANQUE ESTRELLA – TRIÁNGULO DE MOTOR TRIFÁSICO: CIRCUITO DE FUERZA
ARRANQUE ESTRELLA – TRIÁNGULO DE MOTOR TRIFÁSICO: CIRCUITO DE MANDO ELÉCTRICO
OBTENCIÓN DE ECUACIONES LÓGICAS A PARTIR DEL CIRCUITO DE MANDO ELÉCTRICO
K1 = S1(S2+K1) K1 = S1(S2+K1) = S1+ (S2+K1) K1 = S1+(S2.K1) = S1. (S2.K1)
K1 = S1 (S2.K1)
ESQUEMA DEL CIRCUITO DE MANDO ELECTRÓNICO A PARTIR DE LAS ECUACIONES LÓGICAS
ESQUEMA DEL CIRCUITO CON INTERFASE ÓPTICA
ARRANQUE ESTRELLA-TRIÁNGULO DE MOTOR TRIFÁSICO CON INVERSIÓN DE GIRO: CIRCUITO DE FUERZA
ARRANQUE ESTRELLA-TRIÁNGULO DE MOTOR TRIFÁSICO CON INVERSIÓN DE GIRO: CIRCUITO DE MANDO ELÉCTRICO
ARRANQUE ESTRELLA – TRIÁNGULO DE MOTOR TRIFÁSICO CON INV. DE GIRO: CIRCUITO DE MANDO ELECTRÓNICO - 1
ARRANQUE ESTRELLA – TRIÁNGULO DE MOTOR TRIFÁSICO CON INV. DE GIRO: CIRCUITO DE MANDO ELECTRÓNICO - 2
ARRANQUE ESTRELLA – TRIÁNGULO DE MOTOR TRIFÁSICO CON INV. DE GIRO: CIRCUITO DE MANDO ELECTRÓNICO - 3
ARRANQUE DE MOTOR TRIF. EN SEC. FORZADA: CIRC. DE FUERZA
ARRANQUE DE MOTOR TRIF. EN SEC. FORZADA: CIRC. DE MANDO
ARRANQUE DE 3 MOTORES TRIFÁSICOS EN SECUENCIA FORZADA CÍCLICA: CIRCUITO DE FUERZA
ARRANQUE DE 3 MOTORES TRIFÁSICOS EN SECUENCIA FORZADA CÍCLICA: CIRCUITO DE MANDO ELÉCTRICO
ARRANQUE DE 3 MOTORES TRIFÁSICOS EN SECUENCIA FORZADA CÍCLICA: CIRCUITO DE MANDO ELECTRÓNICO
ARRANQUE DE MOTOR TRIFÁSICO USANDO TERMISTOR NTC Y RELÉ COMO INTERFASE: CIRCUITO DE MANDO ANALÓGICO
ARRANQUE DE MOTOR TRIFÁSICO USANDO TERMISTOR NTC Y RELÉ COMO INTERFASE: CIRCUITO DE FUERZA
ARRANQUE DE MOTOR TRIFÁSICO USANDO TERMISTOR NTC Y FOTOTRIAC COMO INTERFASE: CIRCUITO DE FUERZA
ARRANQUE DE MOTOR TRIFÁSICO USANDO TERMISTOR NTC Y FOTOTRIAC COMO INTERFASE: CIRCUITO DE FUERZA ALIMENTADO CON TRIAC´s
CONFIGURACIÓN DEL C. I. TCA 785 PARA LA GENERACIÓN DE PULSOS DE DISPARO
DIAGRAMA DE TIEMPOS DEL C. I TCA 785
Motores de corriente continua
MOTOR DC
Está compuesto por el estator y el rotorarmadura El estator consiste en un bobinado que origina un campo magnético fijo El rotor-armadura está compuesto por una serie de bobinados que crean un campo magnético conectados a través del conmutador que busca alinearse con el campo del estator, originándose el giro del motor
CONTROL DE VELOCIDAD DE MOTORES C. C.
1.- Motor de excitación independiente Usualmente los motores c.c. de excitación independiente son los más usados cuando se requiere un control fino de su velocidad. Un motor de este tipo se representa de la siguiente manera :
2.- PARÁMETROS ELÉCTRICOS DEL MOTOR C.C.
Vf = Tensión de campo If = Corriente de campo Øf = Flujo magnético de campo E = Tensión inducida en la armadura ( f.c.e.m. ) Ra = Resistencia de la armadura Rf = Resistencia del campo Ia = Corriente de armadura Va = Tensión de alimentación al inducido
n = velocidad angular (RPM). M = torque o par motor. Pe = potencia eléctrica de entrada =Va x Ia. Pm = potencia mecánica en el eje. ∆ v = Caída de tensión de debido al contacto escobilla-colector≈1v
K1,K2,K3,K,Kf=constantes de proporcionalidad numérica.
3.- Torque o par motor ( M ) Se llama torque a la fuerza giratoria producida por la interacción del campo magnético del inducido con el campo magnético de los polos del campo.
Ecuación Fundamental: M= F x ℓ En módulo o valor absoluto: M=F ℓ sen ß
donde ß: ángulo que forma el vector fuerza con el vector distancia. Ejemplo : ¿ Cuál es el torque de un motor que produce una fuerza tangencial de 6 Kg. en la superficie del rotor de 30 cm de diametro?
Solución:
M=F ℓ senß
M=(6kg)(0.15m)sen90° M=0.9kg-m M=0.9(9.8N)-m M=8.82N-m
El torque también se define así: M=K1 Фf Ia ; pero Фf =Kf If
M=K1(Kf If) Ia = K2 Ia If; M=K2 Ia If
La potencia mecánica se define así : Pm = M x n = (K1 Фf Ia )n= (K1n Фf )Ia=E Ia; Pm=E .Ia
4.-TENSION INDUCIDA (E)
Llamada también fuerza contra electromotriz (f. c. e. m), es la tensión originada por el movimiento (giro) del eje del motor.
5.-ECUACION FUNDAMENTAL DE LOS MOTORES DE C.C.
Va = V armadura +E +2 ∆ v
Va = Ra la +K1n Фf +2V; 2 V es una cantidad que podemos omitir. Va = Ra Ia + K1n Фf n = Va-Ra Ia = E K1 Фf K1 Фf
Ecuación para la velocidad de un motor de C.C.
El producto Ra la (caída de tensión en el devanado del inducido ) es de un valor pequeño comparado con Va Luego : n= Va K1 Фf
Notas : 1.- las máquinas de c.c trabajan como motor o como generador ( son máquinas reversibles) 2.- el incremento de la velocidad n produce dos efectos. - la f. c. e. m aumenta - la disminuye 3.- si Фf=0 ---►n= Va = Va =∞ RPM (el K1 Фf K1(0) motor se embala) ¡primero energice la bobina del campo para evitar que Фf =0 y el bobinado rotórico se queme ¡
6.- Control tradicional de la velocidad de los rotores de C.C. el método tradicional de controlar la velocidad de un motor c.c con excitación independiente se encuentra en la siguiente figura : 1: mínima velocidad 2: máxima velocidad
Reóstato de arranque
a : marcha B : arranque
En 1 : lf aumenta ---► Фf aumenta ---► velocidad disminuye En 2 : lf disminuye ---► Фf disminuye ---► velocidad aumenta En a : Ia aumenta ---► velocidad disminuye En b : Ia disminuye ---► velocidad aumenta. Este motor se caracteriza por excitar su inductor con una fuente de tensión Vf, externa a la del motor La velocidad se controla actuando sobre el flujo del inductor ( reóstato de campo) o sobre la tensión de alimentación al inducido (reóstato de arranque)
7.- Control electrónico de la velocidad de los motores de c.c El método electrónico de controlar la velocidad de un motor de c.c con excitación independiente se muestra en la siguiente figura .
If= Vf Rf
Ia = Va Ra
Rf >Ra
En los motores de c.c la tensión de campo Vf es constante, lo que origina que lf también sea constante y por lo tanto Фf también es constante ( K 3 ). Note que ya no se usa reóstato de campo ni reóstato de arranque. Aquí lo que se cambia es el valor de la tensión Va de alimentación al inducido usando tiristores .
Entonces : n = Va K1 Фf
= Va =KVa K1 K3 n= K Va
CONCLUSIÓN: Para controlar la velocidad de los motores de c.c por método electrónico , se realiza variando la tensión de alimentación a la armadura .
RECTIFICADOR CONTROLADO DE MEDIA ONDA CON C. I. TCA 785, FOTOTRANSISTOR Y SCR
CIRCUITO DE MANDO CON UJT E INTERFASE ÓPTICA PARA RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA
CIRCUITO DE FUERZA PARA RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA
INTERFASE ÓPTICA PARA EL C. I TCA 785 OPERANDO COMO RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA PARA EL CONTROL DE VELOCIDAD DE MOTOR C. C.
CIRCUITO DE MANDO CON C. I. TCA 785 Y TRANSFORMADOR DE PULSOS PARA EL CONTROL DE VELOCIDAD DE MOTOR DE C. C.
CIRCUITO DE FUERZA PARA CONTROL DE VELOCIDAD DE MOTOR DE C. C. CON EXCITACIÓN INDEPENDIENTE
CIRCUITO DE MANDO CON C. I. TCA 785 PARA EL CONTROL DE VELOCIDAD DE MOTOR C. C. USANDO INTERFASE ÓPTICA
INTERRUPTOR ESTÁTICO DE C. A. CON C. I. TCA 785, TRANSFORMADOR DE PULSOS Y TRIAC
INTERRUPTOR ESTÁTICO DE C. A. CON C. I. TCA 785, FOTOTRIAC Y TRIAC
INTERRUPTOR ESTÁTICO DE C. A. CON C. I. TCA 785, TRANSFORMADOR DE PULSOS Y DOS SCR EN CONFIGURACIÓN BACK TO BACK
DIAGRAMA EN BLOQUES DEL INTERRUPTOR ESTÁTICO EN MODO FORZADO
FORMAS DE ONDA DEL INTERRUPTOR ESTÁTICO EN MODO FORZADO - 1
FORMAS DE ONDA DEL INTERRUPTOR ESTÁTICO EN MODO FORZADO - 2
INTERRUPTOR ESTÁTICO EN MODO FORZADO - 1
INTERRUPTOR ESTÁTICO EN MODO FORZADO - 2
INTERRUPTOR ESTÁTICO EN MODO FORZADO - 3
CIRCUITO RECTIFICADOR TRIFÁSICO NO CONTROLADO DE ½ ONDA
FORMA DE ONDA EN LA CARGA DE CIRCUITO RECTIFICADOR TRIFÁSICO NO CONTROLADO DE ½ ONDA
CIRCUITO RECTIFICADOR TRIFÁSICO NO CONTROLADO DE ONDA COMPLETA
FORMA DE ONDA EN LA CARGA DE CIRCUITO RECTIFICADOR TRIFÁSICO NO CONTROLADO DE ONDA COMPLETA
CIRCUITO DE CONTROL DE POTENCIA CON TRIAC SIN HISTERESIS
CIRCUITO DE CONTROL DE POTENCIA CON TRIAC DISPARADO POR UJT CON AISLAMIENTO ÓPTICO
CIRCUITO DE CONTROL DE VELOCIDAD DE MOTOR DE C. A. CON DOS SCR EN CONFIGURACIÓN BACK TO BACK (TRIAC)
CIRCUITO CHOPPER PWM CON EL C. I. 555
CONDUCCIÓN CON CARGA RESISTIVA
CONDUCCIÓN CON CARGA INDUCTIVA