Universidad de Santiago de Chile Departamento de ingeniería Eléctrica Laboratorio de Electrónica Industrial
Experiencia Nº 4:
“PARTIDOR SUAVE Y VARIADOR DE FRECUENCIA”
Profesora: Carolina Lagos Fecha de realización: 16/01/2012 Fecha de entrega: 23/01/2012 Integrantes: Magdiel Arias
Felipe Liberona
Introducción A continuación se especificaran solo las características del partidor suave, ya que experiencia de laboratorio no se trabajo con este elemento. Principios generales de los partidores suaves .
Los partidores suaves son equipos electrónicos de potencia, los que operan en la partida y parada de los motores eléctricos de inducción. Éstos son equipos que han cobrado una importancia significativa, dado que garantizan un óptimo funcionamiento al motor, protegiéndolo de la alta corriente de partida que deben soportar y reaccionando a su vez como un método de protección ante fallas eléctricas. Para que su aplicación sea eficiente, junto con conocer el equipo, es necesario configurarlos correctamente y darles la aplicación adecuada.
Beneficios:
Protección electrónica del motor
Relé térmico electrónico incorporado
Interface Hombre - Maquina incorporado
Función "Kick Start" para arranque de cargas con inercias elevadas
Función "Pump Control" para control inteligente de sistemas de bombeo
Evita el "golpe de ariete" en bombas
Limitación de picos de corriente en la red
Limitación de caídas de tensión en el arranque
Eliminación de choques mecánicos
Reducción acentuada de los esfuerzos sobre los acoplamientos y dispositivos de transmisión (reductores , poleas , engranajes , correas, etc) Aumento de la vida útil del motor y equipamientos mecánicos de la maquina accionada Optimización automática del consumo de energía para aplicaciones con carga reducida o en vacío
Posibilidad de arranque de varios motores , configuración en paralelo o en cascada
Facilidad de operación , programación y mantenimiento
Simplificación de la instalación eléctrica
Totalmente digital / Microcontrolador 16 Bits
Operación en ambientes de hasta 55 º
Ejemplo de conexión
En la figura se muestra la implementación de un sistema eléctrico con partidor suave.
Figura Nº1 Circuito implementado.
El esquema anterior representa al partidor suave y al motor. Como se puede observar el partidor suave es un convertidor controlado, configurado por tres ramas. Cada una de ellas posee 2 tiristores, en la figura siguiente, se muestra en forma analítica al controlador, los tiristores se han reemplazado por switchs, la conducción de ambos está desfasada por 180º y depende exclusivamente de la entrada.
Figura N°2 Esquema de un convertidor y controlador.
Modelo del Partidor Suave para el ejemplo:
Hardware de los partidores suaves
MODULO DE POTENCIA, COMPUESTO POR 6 TIRISTORES SCR, CONECTADOS EN ANTIPARALELO (2 POR FASE) DISIPADOR TARJETA CONTROLADORA LOGICA CIRCUITO INTERFACE DE ENTRADA CIRCUITO INTERFACE DE SALIDA 3 TRANSFORMADORES DE CORRIENTE 1 Ó 3 TERMOSTATOS 3 MOVS Y 3 SNUBBERS PANEL DE CONTROL DIGITAL Ó ANALÓGICO CONTACTOR DE BY-PASS.
ANEXO a) ¿Porqué y cuando usar partidores suaves?
El problema que intenta solucionar este controlador es que el motor CA presenta una baja impedancia para la partida, así que es fácil que el motor absorba entre 5 y 8 veces la corriente nominal haciendo colapsar el sistema. El partidor suave está constituido por un controlador CA de corte de fase comandado por un microprocesador, de la tensión de red para el arranque y la parada suave, aunque también es posible hacer que pare bruscamente.
La configuración de este aparato es de dos tiristores en antiparalelo ubicados en las líneas de cada fase, es decir, el aparato se intercala entre la fuente de alimentación y el motor. La construcción del partidor está compuesta de seis tiristores conectados en antiparalelos montados sobre un disipador, además de este tienen ventilación forzada. Cada fase contiene dos SCR y son controlados por un circuito de control basados en un microprocesador que procesa la señal del circuito de interfaces de entradas, las entradas de programación y las señales de los censores de corriente y voltaje. De este modo varía el disparo del ángulo de fase de los SCR provee instrucciones a los relés del circuito de interfase de salida y monitorea el estado del equipo por medio de un panel digital con display.
En el disipador van montados uno o tres termostatos los cuales detienen el equipo si existe un exceso de temperatura o en caso de una falla de la ventilación forzada. Este disipador está construido de aluminio y se encarga de disipar las pérdidas del equipo. En paralelo con los SCR existen tres filtros RC que los protegen de perturbaciones externas transientes de voltaje y comunicación. El partidor suave cumple la función de controlar la tensión hasta la marcha nominal, o sea, solo el valor de la tensión varía. La frecuencia permanece constante e igual a la red. Tras la finalización del arranque, los tiristores trabajan sin corte de fase Debido a que el torque del motor varía cuadráticamente con la tensión y la intensidad de corriente también varía con la tensión, pero en forma lineal, mediante el control de valor eficaz de la tensión en bornes del motor se pueden limitar tanto el torque como la intensidad de corriente de arranque. El arranque utilizado por el partidor Siemens SIKOSTART 3RW22 es de rampa que comienza con un valor de tensión inicial entre el 20% y el 90% de la tensión de la red y finaliza con el 100% de la tensión nominal. El tiempo que demora es programable. Si se alcanza la marcha nominal antes de transcurrir el tiempo de rampa ajustado completamente, entonces se eleva automáticamente la tensión en bornes al 100% del voltaje de la red. En caso de que todo esté bien conectado existe un display que indica que está listo para partir y cuando alcanza la marcha nominal indica que está marchando. Si alguna fase falla, el motor se detendrá y aparecerá un indicador de alerta.
b) Otras técnicas de arranque y parada de motores.
Existen otras formas de partir y parar un motor, la más básica es conectarlo y desconectarlo de la alimentación, el problema es el arco que se generaría en el interruptor lo que lo hacía peligroso. Además, los conductores experimentan fuertes contracciones al realizar esta operación.
Otra forma de lograr lo anterior es por medio de un transformador que cambia de delta a estrella y viceversa, con consecuencias similares a lo anterior pero en menor escala por tratarse de 2 pasos. Cabe notar que estas operaciones no son completamente descartables ya que para aplicaciones de baja potencia es posible hacerlas.
Otra clase se arranque más complejo es la partida con rampa de tensión con limitación de corriente, donde al partir comienza progresivamente a aumentar la tensión y la mismo tiempo la corriente , hasta que esta última llega a su valor límite, entonces la tensión no puede seguir aumentando y permanece constante hasta que motor toma velocidad y la corriente baja hasta menos del 100% de su valor nominal, donde el partidor puede continuar aumentando la tensión hasta la nominal
Ejemplo de Aplicaciones Típicas:
Accionamiento de máquinas que requieren de un incremento continuo del par (arranque y parada suaves). Accionamientos de bombas para tuberías en las que deben evitarse los golpes de ariete. Accionamiento con prolongados tiempos de funcionamiento en vacío o fases del servicio con carga reducida (ahorro de energía). Máquinas con cajas de engranaje, trasmisiones con cadenas, correas u otros medios que modifican la velocidad suministrada por el motor. Accionamientos con grandes momentos de inercia (arranque pesado). Aplicaciones en las cuales sólo se admiten pequeñas caídas de tensión de red durante el arranque de motores con elevadas intensidades de arranque. Otras aplicaciones se le puede observar en molinos, cintas transportadoras, elevadoras y escaleras mecánicas.
Cabe notar que el partidor suave posee dos tipos de alimentación. En primer lugar se alimenta la etapa de potencia y luego la etapa de control, luego se configuran los diferentes parámetros por medio del panel de control digital con display alfanumérico, a continuación se procede a poner en marcha el equipo por medio de su circuito de interfase de entrada (partir), el partidor responde principalmente por medio de su tarjeta de control basándose en microprocesador específicamente por su circuito de disparo de los SCR, los cuales se encargan de aumentar progresivamente la tensión al motor de modo que este pueda desarrollar una curva torquevelocidad ideal, con beneficios eléctricos y mecánicos.
La tarjeta lógica recibe en todo momento las señales de tensión in y out y las señales de corriente en la entrada para así monitorear y proteger el equipo. Además esta tarjeta responde el circuito de interfase de salida por medio de sus relés de fin de rampa, partir, falla, etc.; y al display para indicar estado actual. Para parar el motor el equipo actúa de manera similar que la partida reduciendo progresivamente la tensión. El problema de estos aparatos es que introducen una gran cantidad de armónicos a la red debido a la conmutación de los SCR. Esto puede evitarse con un filtro para evitar problemas con equipos electrónicos de comunicaciones.
VARIADOR DE FRECUENCIA.
El variador de frecuencia regula la frecuencia del voltaje aplicado al motor, logrando modificar su velocidad. Sin embargo, simultáneamente con el cambio de frecuencia, debe variarse el voltaje aplicado al motor para evitar la saturación del flujo magnético con una elevación de la corriente que dañaría el motor. En nuestro laboratorio deberiamos haber utilizado un variador de frecuencia siemens,pero ocupamos un variador de otra marca, el cual viene acompañado de su manual de instrucciones y especificaciones, en las especificaciones se detallan los diversos comandos con los cuales podemos ajustar desde el tipo de arranque, pasando por el ajuste de velocidad dando tanto los límites máximos y mínimos, como así también el control de sentido de giro y además la forma y el tiempo de detención del motor, dependiendo del tipo y modelo del variador se tendrán diversas posibilidades y aplicaciones, es por esto que será necesario leer previamente el manual y las funciones que tiene nuestro variador, además de identificar los terminales presentes en este. Los variadores de frecuencia están compuestos por:
Etapa Rectificadora: Convierte la tensión alterna en continua mediante rectificadores
de diodos, tiristores, etc.
Etapa intermedia: Filtro para suavizar la tensión rectificada y reducir la emisión de
armónicos.
Inversor o "Inverter": Convierte la tensión continua en otra de tensión y frecuencia
variable mediante la generación de pulsos. Actualmente se emplean IGBT´s (Isolated Gate Bipolar Transistors) para generar los pulsos controlados de tensión. Los equipos más modernos utilizan IGBT´s inteligentes que incorporan un microprocesador con todas las protecciones por sobrecorriente, sobretensión, baja tensión, cortocirc uitos, puesta a masa del motor, sobretemperaturas, etc.
Etapa de control: Esta etapa controla los IGBT para generar los pulsos variables de
tensión y frecuencia. Y además controla los parámetros externos en general, etc.
Los variadores de frecuencia tienen sus principales aplicaciones en los siguientes tipos de máquinas:
Prensas mecánicas y balancines. Se consiguen arranques suaves y mediante velocidades bajas en el inicio de la tarea, se evitan los desperdicios de materiales. Máquinas textiles. Para distintos tipos de materiales, inclusive para telas que no tienen un tejido simétrico se pueden obtener velocidades del tipo random para conseguir telas especiales. Compresores de aire. Se obtienen arranques suaves con máxima cupla y menor consumo de energía en el arranque. Pozos petroleros. Se usan para bombas de extracción con velocidades de acuerdo a las necesidades del pozo. Otras aplicaciones. Elevadores de cangilones, transportadores helicoidales, continuas de papel, máquinas herramientas, máquinas para soldadura, pantógrafos, máquinas para vidrios, fulones de curtiembres, secaderos de tabaco, clasificadoras de frutas, conformadoras de cables, trefiladoras de caños, laminadoras, mezcladoras, trefiladoras de perfiles de aluminio, cable, etc, trituradoras de minerales, trapiches de caña de azúcar, balanceadoras, molinos harineros, hornos giratorios de cemento, hornos de industrias alimenticias, puentes grua, bancos de prueba, secadores industriales, tapadoras de envases, norias para frigoríficos, agitadores, c ardeadoras, dosificadoras, dispersores, reactores, pailas, lavadoras industriales, lustradoras, molinos rotativos, pulidoras, fresas, bobinadoras y desbobinadoras, arenadoras, separadores, vibradores, cribas, locomotoras, vehículos eléctricos, escaleras mecánicas, aire acondicionado, portones automáticos, plataformas móviles, tornillos sinfin, válvulas rotativas, calandras, tejedoras, chipeadoras, extractores, posicionadores, etc.
Desarrollo experimental El motor al cual se le aplico el metodo de partida con el variador de frecuencia tenia las siguientes caracterizticas nominales, según la placa
En el desarrollo de la experiencia se programo el variador de frecuencia para que el motor funcionara bajo las siguientes características: F= 50 Hz. Velocidad nominal = 720 RPM Pn = 1,5 HP Tiempo de parada = 1,5 seg A travez del analizador industrial pudimos ver las formas de onda del voltaje (grafico superior) y de la corriente (grafico inferior)
Una de las características del variador de frecuencia es que se pueden variar todos los parámetros que se desee en forma instantánea, en la experiencia de laboratorio se vario la frecuencia de corte, y obtuvimos las siguientes formas de onda:
