Simulación del efecto de los transitorios de tensión en un Motor de Inducción con ATP/EMTP ATP/EMTP
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John Lozada, Efstatios Karabelas, Francisco Sánchez
[email protected] [email protected],,
[email protected] [email protected], om,
[email protected] [email protected] Dpto. de Potencia. Facultad de Ingeniería. Universidad de Carabobo. Venezuela Resumen: En este documento se presenta un análisis, en el que se pretende conocer la respuesta del motor de inducción ante un conjunto de perturbaciones, tales como, sobretensiones y desequilibrios de voltaje. Para llevar a cabo el estudio se utilizo el software de simulación ATP/EMTP, en el que se modeló un motor de inducción con carga mecánica, y se le sometió a dichas perturbaciones con la finalidad u objetivo de profundizar o comprender el comportamiento de dicho motor ante estos disturbios. Palabras clave: Motor de inducción, sobretensiones, desequilibrios de voltaje, calidad de energía. 1)
Introducción:
La calidad de energía eléctrica es un concepto de gran importancia en la actualidad, puesto que denota la ausencia o presencia de interrupciones, sobretensiones, deformaciones de la forma de onda y otras perturbaciones electromagnéticas en el servicio de energía eléctrica, que tienen un efecto negativo, tanto en el sistema eléctrico, como en los equipos conectados a la red. Algunos de los efectos más severos generados por una mala calidad de energía eléctrica son el mal funcionamiento de sistemas de control y protección, paros indeseados en plantas industriales, elevado consumo de energía eléctrica, disminución de la vida útil en dispositivos, fallas en la medición del consumo de energía, etc. Las causas más comunes de disminución en la calidad de energía eléctrica, son perturbaciones que provienen de maniobras operacionales en la red eléctrica, descargas atmosféricas, funcionamiento de accionamientos electromecánicos, entre otros. Siendo el motor de inducción el de mayor uso industrial, es muy importante realizar estudios encaminados a estudiar los efectos de la calidad de energía eléctrica sobre la eficiencia y la confiabilidad de dichos motores.
La pasos a seguir para estudiar el efecto de las perturbaciones electromagnéticas en el motor de inducción, se inician con la elección de un modelado adecuado tanto de la máquina máquina como de las perturbaciones que lo afectan, para el cual se utilizó el software ATP/Draw. Posteriormente se realizan simulaciones, para determinar cuáles son los efectos de las perturbaciones sobre las variables más relevantes de la maquina, como son: corriente, tensión, torque y velocidad. Por último se realiza un análisis de los resultados, que permite llegar a conclusiones acerca de la severidad de estos disturbios en la maquina bajo estudio. estudio. 2)
Modelado
Para llevar a cabo este estudio, se creó un modelo del motor de inducción y una carga mecánica empleando el software ATP/draw. Dicho modelo se muestra a continuación:
introducir una perturbación en 1,5[s] con una de Frecuencia 47 Hz:
Modelo de la Simulación
Fig. 1) Tensión 220V
Datos del Motor
3)
Simulación de usando ATP/draw
disturbios
Para estudiar la respuesta del motor de inducción y su carga ante las alteraciones antes mencionadas se harán los siguientes 3 ensayos:
A) Variaciones en la frecuencia: Como primer ensayo se simulara la respuesta del motor de inducción al introducir disturbios en 1,5[s], para distintos valores de frecuencia. A continuación se muestran los efectos en las variables corriente, torque y velocidad al
Fig. 2) Corriente [A] (efecto de disturbio en 1,5[s])
Fig. 5) Corriente [A] (efecto de disturbio en 1,5[s]) Fig. 3) Torque [Nm] (efecto de disturbio en 1,5[s ]
47Hz
estable
53,5Hz
pico
estable
60Hz
pico
estable
pico
V[v]
210
-
210
-
210
-
I[A]
5,29
5,48
4,62
4,95
4,10
4,47
T[Nm]
-0,5
-1,97
-0,9
-1,99
-0,2
-2
Vel [Rpm]
2822
2779
3209
3151
3591
3524
Fig. 4) Velocidad [rad/s] (efecto de disturbio en 1,5[s])
Ahora se muestran los efectos con disturbio en 1,5[s] y Frecuencia 53,5Hz:
Fig. 6) Torque [Nm] (efecto de disturbio en 1,5[s])
variables. Para esto se incrementara la tensión de alimentación en un 10% en un tiempo igual a 1,5[s] A continuación se muestran los resultados para el incremento de tensión de 220V a 242V en 1,5[s]:
Fig. 7) Velocidad [rad/s](efecto de disturbio en 1,5[s])
En la siguiente tabla se resumen los resultados obtenidos para los distintos valores de frecuencia al introducir una perturbación en 1,5 [s] Fig. 8) Sobretensión 242v en 1,5[s]
Tabla 1)
Podemos observar en los resultados obtenidos que la corriente experimenta una pequeña disminución durante la perturbación en 1,5[s] ( fig. 2 y fig. 5) para posteriormente estabilizarse en un valor levemente que tenía superior al anteriormente, algo similar sucede con el torque (fig. 3 y 6), que después del disturbio se estabiliza en un valor ligeramente inferior al anterior a la perturbación, la variable que muestra mayores variaciones ante el fenómeno en 1,5[s] ( fig. 7 y 4 ) es la velocidad, que denota una disminución significativa luego del disturbio, además esta variación se acentúa mucho mas dependiendo de la frecuencia. Puede apreciarse como en general todas las variables lograron estabilizarse luego del pequeño transitorio.
B) Sobretensiones: En el siguiente ensayo se simulara un conjunto de sobretensiones en la alimentación del motor de inducción y se procederá a observar sus
Fig. 9) Corriente [A] (efecto de disturbio en 1,5[s])
Los siguientes resultados corresponden a un incremento de tensión de 220V a 264V en 1,5[s]:
Fig. 10) Torque [Nm] (efecto de disturbio en 1,5[s])
Fig. 12) sobretensión 264v
Fig. 11) Velocidad [rad/s] (efecto de disturbio en 1,5[s])
Fig. 13) Corriente [A] (efecto de disturbio en 1,5[s])
242V
264V
286V
estable
pico
estable
pico
estable
pico
I[A]
5,01
7,59
4,99
10,1
5,02
13,27
T[Nm]
-1,97
-2,01
-1,96
-2,01
-2
-2,04
Vel [Rpm]
3532
2591
3530
3554
3533
3562
corriente tienen consecuencias negativas en la vida útil de la maquina. También se observa, como el torque experimenta un transitorio, pero luego se estabiliza alrededor el mismo valor que tenía antes del disturbio, esto es debido a la naturaleza de la carga. Podemos verificar además un aumento de la velocidad proveniente del hecho de que el torque eléctrico aumenta pero el de la carga se mantiene constante, lo que genera un consecuente aceleramiento de la maquina.
C) Desbalance de Voltajes: Fig. 14) Torque [Nm] (efecto de disturbio en 1,5[s])
El tercer y último ensayo simula desequilibrios en el voltaje de alimentación. Para llevar a cabo esta prueba, en primer lugar se simulo un desbalance en una sola fase, luego se realizo otra prueba en la que se procedió a desbalancear las 3 fases. Las imágenes mostradas a continuación representan los efectos en la corriente, torque y velocidad de la maquina, al disminuir el voltaje de la fase A en un 20% (de 220V a 176V) en 1,5[s] y mantener el voltaje de las otras 2 fases constante en 220V : Fig. 15) Velocidad [rad/s] (efecto de disturbio en 1,5[s])
En la siguiente tabla se resumen los resultados obtenidos para los distintos valores de Voltaje al introducir una perturbación en 1,5 [s] Tabla 2)
Los resultados muestran como un aumento sostenido de la tensión, genera picos de corriente de diferentes magnitudes en cada fase, como puede apreciarse en la figura 13 y la 9. Luego del transitorio la corriente logra estabilizarse a una magnitud levemente superior a la que tenía antes de la perturbación. Estos aumentos súbitos de la
Fig. 16) Desequilibrio de voltaje 176V en fase A
Ahora se repite el procedimiento pero esta vez se incremento el voltaje de la fase A a 264V y se disminuyo el voltaje del resto de las fases a 198V en 1,5 [s], los resultados se muestran a continuación:
Fig. 17) Corriente [A] (efecto de disturbio en 1,5[s])
Fig. 19) Desequilibrio de tensión en fase A (264V) y fases B y C (198V)
Fig. 18) Torque [Nm] (efecto de disturbio en 1,5[s])
Fig. 18) Velocidad [rad/s] (efecto de disturbio en 1,5[s])
Fig. 20) Corriente [A] (efecto de disturbio en 1,5[s])
Fig. 21) Torque [Nm] (efecto de disturbio en 1,5[s])
Fig. 22) velocidad [rad/s](efecto de disturbio en 1,5[s])
En la siguiente tabla se muestran los datos obtenidos de la simulación del desbalance de voltaje: Estable desbalance
1er escenario
2do escenario
A
B
C
A
B
C
A
B
C
0%
0%
0%
-20%
0%
0%
20%
-10%
-10%
V[V]
220
220
220
176
220
220
264
198
198
I[A]
5,29
5,29
5,29
2,7
5,7
6,02
7,67
4,56
3,81
Torque Nm
Estable
- 1,98
-1,99
-2
T
0
1,3
1,9
Vel rpm
Estable rpm
3532 0
3519 0,95
3533 1,9
Tabla 3)
Cuando los voltajes que alimentan a la maquina en estudio son desbalanceados se origina un desbalance en la corriente. Se puede constatar como un pequeño porcentaje de desbalance de tensión causa un gran porcentaje de desbalance de corriente, entonces para un motor operando a una determinada carga su elevación de temperatura cuando es alimentado con un voltaje desbalanceado será mucho mayor comparada con el motor operando a la misma carga pero alimentado con un voltaje balanceado. De tal modo que el rendimiento del Motor de inducción puede verse afectado significativamente en presencia de un sistema de alimentación de tensión desequilibrado.
Del experimento 3 se puede concluir que un incremento o disminución de la magnitud de la tensión en una fase, genera un consecuente incremento o disminución de la magnitud de la corriente de la misma fase, y una leve disminución o incremento según sea el caso, de las magnitudes de las corrientes del resto de las fases. Mientras mayor sea la variación de la magnitud de tensión, mayor será la variación de la magnitud de corriente, pudiendo suceder que se exceda el valor de la corriente nominal, elevando la temperatura del motor, generando lógicamente el daño o deterioro de su aislamiento y reducción de la vida útil de la maquina. Además también se pudo observar cómo, ante el desequilibrio de voltaje el torque de la
maquina se volvió pulsante, oscilando alrededor del valor que tenía antes del disturbio, Este fenómeno, a medio plazo, podría acarrear problemas mecánicos en forma de vibraciones lo que sugiere el desgaste de las partes mecánicas del motor. De igual forma sucedió con la velocidad del motor que experimentó una disminución y se volvió oscilante alrededor de un nuevo valor inferior al anterior. Se concluye que la magnitud de los efectos puede verse incrementada tanto por la magnitud del desbalance, así como también, por la cantidad de fases desbalanceadas.
4)
Conclusión:
Del estudio realizado usando el ATP/EMTP se puede reconocer el comportamiento o respuesta de un motor de inducción ante un conjunto de perturbaciones eléctricas que son comunes en sistemas con mala calidad de energía. Se confirmó cómo estas perturbaciones tienen consecuencias considerablemente negativas en las variables: tensión, corriente, torque y velocidad, que se traducen desde el mal funcionamiento, disminución de la eficiencia, hasta el acortamiento de la vida útil del motor. No se recomienda la operación del motor con altos porcentajes de desbalances o sobretensiones. Si el porcentaje o magnitud de estos es muy alto se sugiere la reducción de la potencia con la finalidad de reducir al mínimo los posibles daños en la maquina, o incluso sacar la máquina de funcionamiento hasta la estabilización de la red eléctrica. Se pudo comprobar además, como el software ATP/EMTP resulta ser una exitosa herramienta para el modelado de sistemas, permitiendo un estudio altamente aproximado a la realidad Los diferente tipos de perturbaciones que afectan la calidad de la energía, tienen una gran relevancia en la actualidad, por sus efectos dañinos a la red y a los elementos conectados a ella, por lo que su estudio es de vital importancia a fines de
desarrollar medidas correctivas que eviten estas consecuencias negativas para las empresas que prestan el servicio de energía eléctrica y para sus clientes.
