CONTENIDO
INTRODUCCIÓN OBJETIVOS UNIDAD I Introducción a Motores Eléctricos DC y AC ............................................. 1 UNIDAD II Variador de Velocidad de Motor DC ........................................................ 39 UNIDAD III Variadores de Velocidad de Motor AC ..................................................... 75 UNIDAD IV Instalación y Mantenimiento .................................................................. 103 UNIDAD V Aplicaciones ......................................................................................... 129 ANEXOS
VARIADORES DE VELOCIDAD DE MOTORES
Lima – Perú 2010 TECSUP
Introducción General Con el descubrimiento de la generación de energía eléctrica alterna y su posterior distribución a escala industrial (Tesla-1887), se tuvo la oportunidad de acceder a una fuente de energía barata, eficiente y menos contaminantes que las utilizadas hasta ese momento. Esto dio lugar al desarrollo de las máquinas eléctricas que permitieron la transformación de energía eléctrica a energía mecánica en cualquier lugar y con la potencia necesaria para mover grandes maquinarias, con lo cual se dio inicio a la gran revolución industrial. En un principio las máquinas eléctricas se usaban a velocidad constante y, si la aplicación al proceso productivo requería de la velocidad variable, esta se lograba mediante el uso adicional de poleas y embragues mecánicos o por medio de otras máquinas eléctricas desarrolladas para tal caso (Ward-Leonard). Gracias al descubrimiento de los semiconductores y el posterior desarrollo de la Electrónica de Potencia, el control de velocidad de los motores eléctricos se hizo cada vez más eficiente y preciso, permitiendo mejorar la calidad de los productos y servicios. Los variadores de velocidad son equipos electrónicos que ajustan la velocidad del eje de un motor eléctrico al valor de velocidad seleccionado por un operador o por un dispositivo automático (otro variador, controladores de proceso, controladores programables, etc.). La precisión en el mantenimiento de la velocidad puede llegar hasta tolerancias de ± 0,1%, a pesar de variaciones en la carga. En la actualidad, debido al constante cambio en la tecnología de control de los variadores, se hace necesario la permanente capacitación de los operadores y personal en dicho tipo de quipos. A modo de ejemplo se pueden mencionar la capacidad de “auto-sintonía” y “comunicación en red” que tienen los modernos variadores de velocidad.
Objetivos Generales Proporcionar al estudiante los fundamentos y criterios necesarios para poder participar eficientemente en la configuración, instalación y puesta en marcha de los equipos variadores de velocidad para motores DC y AC.
UNIDAD I
Introducción a motores eléctricos DC y AC
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Índice Unidad I: “Introducción a motores eléctricos DC y AC”
1. 2. 3.
4. 5.
Introducción ................................................................................................... 0 Objetivos ........................................................................................................ 0 Contenido de la unidad I .................................................................................. 0 3.1. Fundamentos ................................................................................................. 0 3.1.1. Campos magnéticos...................................................................... 0 3.1.2. Inducción de movimiento .............................................................. 3 3.1.3. Movimiento de rotación en el motor dc .......................................... 6 3.1.4. Características del motor dc shunt ................................................. 7 3.1.5. Movimiento de rotación en el motor ac........................................... 9 3.1.6. Características del motor de inducción ac ..................................... 12 3.2. Fundamentos de mecánica ............................................................................ 14 3.2.1. Principios básicos de mecánica .................................................... 14 3.2.2. Perfiles de carga......................................................................... 18 3.2.3. Frmulas mecánicas ..................................................................... 21 3.2.4. Fórmulas eléctricas ..................................................................... 27 Ejemplos ...................................................................................................... 30 Resumen ...................................................................................................... 32
Anexo I
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UN I D A D I “INTRODUCCIÓN A MOTORES ELÉCTRICOS DC Y AC” 1. INTRODUCCIÓN Los motores eléctricos son las máquinas que mueven la industria pues sirven como medios de transformación de energía eléctrica a energía mecánica. Por lo tanto, es indispensable conocer y comprender las principales relaciones que existen entre los parámetros eléctricos y mecánicos de dichas máquinas para darles una adecuada operación y mantenimiento. 2. OBJETIVOS El objetivo de esta unidad es identificar los principales parámetros eléctricos y mecánicos que determinan las características de funcionamiento y operación de los motores eléctricos DC y AC, que nos servirán luego como conceptos básicos para la comprensión de los temas que trataremos durante el curso. 3. CONTENIDO DE LA UNIDAD I 3.1. FUNDAMENTOS La fabricación de imanes artificiales por medio del paso de corriente eléctrica a través del arrollamiento de bobinas de alambre de cobre sobre un núcleo de metal permeable al flujo magnético, es la base fundamental que ha permitido el desarrollo de los motores eléctricos. 3.1.1.
CAMPOS MAGNÉTICOS En la figura 1 se muestran algunos imanes artificiales de uso muy difundido. Se observa que tienen dos polos denominados norte (N) y sur (S). Actúan sobre otros materiales magnéticos ejerciendo fuerzas de atracción o repulsión, sin que haya de por medio contacto físico.
Figura 1
En la figura 2 podemos ver las líneas de campo magnético saliendo del polo norte y retornando por el polo sur. Se observa que dicho campo tiene la capacidad de propagarse por el aire y ejercerá su
influencia sobre cualquier material permeable magnéticamente (acero, hierro, otro imán, etc.).
Figura 2
En la figura 3 se muestran las fuerzas de atracción (polos diferentes se atraen) y repulsión (polos iguales de rechazan) que se ejercen entre dos imanes dependiendo de la posición de sus polos. El término “air gap” significa “brecha de aire” traducido al español comercial, pero la traducción técnica es conocido como “entrehierro”.
Figura 3
La figura 4 nos muestra la generación de un campo magnético concéntrico al alambre conductor por el cual fluye corriente continua. El sentido del campo magnético se determina por medio de la “regla de la mano izquierda”. Si apuntamos con el dedo pulgar en el sentido de los electrones, los dedos restantes nos indican la dirección del campo magnético.
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Figura 4
En el caso de corriente AC, se muestra en la figura 5 la generación de campo magnético cuando pasa corriente eléctrica alterna a través de un conductor. Podemos ver que el campo magnético es variable y depende del valor instantáneo que tiene la corriente. La dirección del campo magnético cambia cuando lo hace el sentido de la corriente que pasa por el conductor.
Figura 5
De las figuras 4 y 5 se concluye que: a) Un campo magnético constante (en valor y dirección) es producido por corriente DC que pasa por un conductor. b) Un campo magnético variable (en valor y dirección) es producido por corriente AC que pasa por un conductor. Los electro-imanes se implementan con un núcleo magnético, arrollamiento de alambre conductor y el paso de una corriente continua por dicho alambre. En la figura 6 se ha dibujado el núcleo en modo transparente para poder ver con claridad el arrollamiento. La finalidad de usar el núcleo magnético es conseguir mayor intensidad de campo magnético.
Figura 6
En la figura 7 se muestra un método para determinar la posición de los polos norte y sur. Los dedos de la mano izquierda apuntan en el sentido del flujo de electrones y el pulgar apuntará al polo norte. Obviamente dicho campo magnético es constante en magnitud y dirección pues la corriente que pasa por el alambre es continua.
Figura 7
3.1.2.
INDUCCIÓN DE MOVIMIENTO La información anterior nos enseña que dos imanes experimentan una fuerza de atracción o repulsión cuando se encuentran, cada una, comprendidas dentro del radio de acción de la otra. También aprendimos la forma de implementar electro-imanes por medio de un núcleo magnético, arrollamiento de alambre de cobre y una fuente de alimentación continua o alterna. Por lo tanto se concluye que, si colocamos un electro-imán dentro del campo magnético de otro, tal como se muestra en la figura 8, y alimentamos con corriente continua el alambre de cobre (una espira), ésta experimentará una fuerza en el sentido indicado por el dedo pulgar de la mano derecha. Tal es el principio de funcionamiento en que se basan los motores eléctricos de corriente continua.
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Figura 8
En el caso de inducción de movimiento para motores de corriente alterna, el principio de funcionamiento se basa en la producción de un campo magnético giratorio. Si consideramos que el imán de la figura 9 con sus polos N-S puede girar sobre el eje X-Y, y que un disco de cobre o aluminio que se halla sometido al campo magnético del imán, también puede girar sobre el mismo eje, entonces tenemos que, si giramos el imán, su campo magnético gira igualmente, barriendo el disco próximo a él, con lo cual el campo que ahora es variable, es la causa que según los principios de inducción magnética, aparezcan en el disco corrientes inducidas. Estas corrientes reaccionan dando lugar a una fuerza magnetomotriz con un torque motor suficiente como para vencer el torque resistente del eje y originar la rotación del disco.
Figura 9
Una forma práctica de generar un campo magnético giratorio se consigue mediante la alimentación, con voltaje alterno trifásico, de un bobinado también trifásico instalado en un núcleo de material magnético llamado “estator” , tal como se muestra en la figura 10.
Figura 10
A la velocidad de giro del campo magnético se le denomina “velocidad síncrona”. Dicho campo magnético giratorio corta las varillas de aluminio del “rotor” que se encuentra instalado al interior del estator, ver figura 11, sobre las cuales se induce una corriente de rotor que causará a su vez un campo magnético de rotor, produciéndose una interacción de campos y provocando el giro del rotor en igual sentido que el campo magnético del estator, pero a una velocidad ligeramente menor que la síncrona. Más adelante veremos que a la diferencia de dichas velocidades se la denomina “deslizamiento”.
Figura 11
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3.1.3.
MOVIMIENTO DE ROTACIÓN EN EL MOTOR DC La figura 12 nos muestra un primer modo práctico de implementar un motor de corriente continua. La energía eléctrica continua de entrada es aplicada al conmutador por medio de las escobillas nombradas como + (positivo) y – (negativo). El flujo de corriente pasa a la espira (denominada “armadura”), la cual experimenta fuerzas en los segmentos AB y CD, causando el giro en la dirección indicada.
Figura 12
En la figura anterior se muestra a la armadura formada únicamente por una espira, lo cual no es cierto, pues para aplicaciones prácticas dicha espira debe ser montada sobre un núcleo magnético tal como se ve en la figura 13. Debido al paso de corriente a través de la armadura y por influencia del campo, se induce una fuerza F, la que produce un Par (Fuerza por distancia) que provoca el movimiento de giro del rotor.
Figura 13
Existen diversos tipos de motor de corriente continua, pero el motor más usado a nivel de aplicación industrial, es aquel denominado “motor DC shunt de excitación independiente”. En la figura 14 se muestra dicho tipo de motor.
Figura 14
Observamos que: a) La armadura está conformada por un conjunto de bobinas arrolladas convenientemente sobre un núcleo laminar de metal magnético, la cual se encuentra montada y unida a presión sobre una barra de acero denominada eje. Dicho eje tiene en sus extremos un par de rodajes que permitan su movimiento de giro y van montados sobre unas tapas fijadas al estator. b) El campo es un electro-imán conformado por un conjunto de bobinas arrolladas sobre un núcleo laminar de metal magnético. Dichos núcleos van montados al interior del estator. 3.1.4.
CARACTERÍSTICAS DEL MOTOR DC SHUNT La figura 15 muestra el esquema de un motor DC shunt de excitación independiente y su respectivo circuito equivalente. Para facilitar la comprensión de los conceptos básicos de control de motor DC, el modelo matemático será tomado de forma idealizada ia
ra
if +
+
Va -
+
vf
va
-
-
La
if
Ia +
Rf
+
Ea
Lf
vf
-
Símbolo
Circuito Equivalente Figura 15
-
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En la figura 15,
ra es la resistencia de armadura; La es la
inductancia de armadura y E a es la tensión contra-electromotriz. Esta tensión E a es dada por:
Ea = k n I f
(1-1)
Donde,
n : Velocidad del eje del motor; I f : Corriente de campo y
k : Constante. Para esta máquina la corriente de armadura I a es:
Ia =
Va − E a ra + X La
(1-2)
donde X La =j2πfL a es la impedancia inductiva de L a . El torque electromagnético Te , generado en el eje de esta máquina es dado por:
Te = k I f I a
(1-3)
Y la potencia en el eje es dado por:
P = Va I a (Eficiencia ) = Te n (Eficiencia )
(1-4)
El torque Te es el resultado del producto del flujo magnético debido a la corriente de campo (k I f ) por la corriente de armadura ( I a ) . Debe notarse que esta expresión sólo es válida si la fuerza magnetomotriz debida a la corriente I a fuese especialmente perpendicular al flujo debido a I f . Esto en general es garantizado por construcción. Para el control del torque electromagnético generado es necesario: 1) Controlar la corriente de armadura de forma de anular los efectos de la resistencia de armadura, reactancia de dispersión y tensión contra-electromotriz, que aparecen cuando se opta por control de tensión de la armadura; 2) Controlar la corriente de campo (en general en el valor máximo); 3) Manteniendo el ángulo entre la fuerza magnetomotriz ( f mm ) de la armadura y el flujo magnético debido al campo en un ángulo de 90°, el ítem 3 es garantizado por la posición mecánica de los conmutadores. Un ángulo diferente de 90° hace que la variación de la corriente de armadura afecte directamente al campo y viceversa.
El método clásico de control de velocidad de motor DC fue propuesto por Ward-Leonard, siendo inclusive conocido por este nombre. En este control, la velocidad es controlada por dos modelos distintos. La figura 16 muestra las características de torque y potencia en función de la velocidad. Para la velocidad de rotación entre 0 y n0 (velocidad base) el torque es mantenido en su valor máximo a través del control de las corrientes de armadura y campo. Este control es conseguido manteniendo el campo constante y aumentando la tensión de armadura Va proporcionalmente a la velocidad, de tal forma que I a sea constante (torque máximo). La velocidad del eje en el cual la potencia alcanza su valor nominal es llamada “velocidad base” y a partir de ese punto el control de velocidad sólo puede ser hecho por medio de la disminución de la corriente de campo I f , manteniendo la corriente de armadura en su valor nominal. De esa forma es posible operar la máquina entre n0 y nmax , con el torque disminuyendo en forma hiperbólica (proporcional a
1
),
mientras
la potencia es
mantenida
T(%)
P(%)
constante.
n2
100
Torque
cia Po ten
50
Torque
Potencia
100
50
0
0
0 Control de tensión de armadura
n0
Control de tensión de campo
nmax
Figura 16
3.1.5.
MOVIMIENTO DE ROTACIÓN EN EL MOTOR AC Los dos principales grupos de motores AC son los del tipo inducción y síncrono. Los motores tipo inducción incluyen los monofásicos,
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trifásicos y rotor bobinado. Los motores tipo síncrono incluyen los auto-excitados y DC excitados. De los tipos de motores AC nombrados, el más usado es el motor de inducción de jaula de ardilla. En la figura 17 podemos ver el motor jaula de ardilla, en el cual distinguimos que el estator presenta un bobinado trifásico simétricamente distribuido entre sus ranuras formando un ángulo de 120° mecánicos.
Figura 17
También observamos que el rotor la conforman un núcleo de hierro laminado atravesado longitudinalmente por varillas de aluminio unidas en sus extremos por anillos del mismo material (ver figura 11). Al aplicar en el estator un voltaje de alimentación trifásico desfasado 120° eléctricos, se forma un campo magnético giratorio (teorema de Ferraris) de magnitud y velocidad constante que gira a una velocidad denominada “sincronismo” ( N s ), tal como se observa en la figura 18. La siguiente ecuación sirve para determinar el valor de la velocidad síncrona:
N s = 120
f p
(1-5)
Donde f : frecuencia del voltaje de alimentación (60Hz) p : Número de polos del estator del motor.
Figura 18
Dicho campo magnético giratorio induce corriente en las varillas de aluminio del rotor, las que a su vez generan sus propios campos magnéticos tal como se observa en la figura 19. Ahora se tienen dos imanes que interactúan entre si dando lugar a que el imán del rotor persiga al imán del estator, creando la rotación. El rotor gira a velocidad Nr.
Figura 19
La velocidad de rotación del campo magnético del estator determina la velocidad del rotor, y la fuerza de los campos magnéticos determina la fuerza de atracción entre ellos. Dicha fuerza de atracción es conocida como torque y se mide en libras fuerza-pie (lb-ft) o Newton-mt (Nw-mt). La velocidad del rotor siempre debe ser menor que la velocidad síncrona, dicha diferencia de velocidad se denomina “deslizamiento” (“slip” en inglés) y es representada por:
slip = s =
Ns − Nr Ns
(1-6)
La Tabla 1, nos muestra la relación entre polos por fase y torque por HP y kW de potencia. Un motor de 1 HP y 2 polos, producirá
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1,5 lb-ft de torque cuando se carga a su capacidad nominal. Un motor de 50 HP y 2 polos, producirá 50HPx1,5 lb-ft/HP o 75 lb-ft de torque cuando se carga a su capacidad nominal. Polos por fase 2 4 6 8 10 12 3.1.6.
Torque/HP (lb-ft) 1,5 3,0 4,5 6,0 7,5 9,0
Veloc. Nom. (RPM) 60Hz 3 460 1 750 1 175 875 708 580 Tabla 1
Veloc. Síncr. (RPM) 60Hz 3 600 1 800 1 200 900 720 600
Torque/kW (N-m) 3,3 6,6 9,9 13,2 16,5 19,8
CARACTERÍSTICAS DEL MOTOR DE INDUCCIÓN AC Para poder estudiar y comprender las características de funcionamiento del motor de inducción de jaula de ardilla, es necesario tener una representación matemática que refleje fielmente lo que sucede en su interior. Suponiendo que el motor trabaja con voltaje y corriente balanceados, en la figura 20 se muestra un circuito equivalente por fase del motor de inducción, válido para el régimen permanente.
r1
Rp
I2
IM
Ip
I1 v
L2
L1
VM
LM
r2 /s
Figura 20
Donde:
r1 = Resistencia por fase del bobinado del estator. L1 = Inductancia por fase del bobinado del estator. I 1 = Corriente total por fase consumida por estator. RP = Resistencia de pérdidas por magnetización. I P = Corriente de pérdidas por magnetización. VM = Voltaje inducido en el estator a frecuencia de línea, debido al voltaje en el entrehierro (fuerza contra-electromotriz). LM = Inductancia de magnetización (establece el flujo en el entrehierro).
I M = Corriente de magnetización que establece el flujo magnético en el entre-hierro. L2 = Inductancia por fase en el rotor referida al estator.
I 2 = Corriente en el rotor responsable de producir el torque electro-magnético ( Te ). r2 / s = Resistencia por fase en el rotor referida al estator. s = Deslizamiento. El torque electro-magnético generado por esta máquina esta dado por la siguiente ecuación:
Te = k 2 I M I 2 cos γ
(1-7)
Donde:
k 2 = Constante. γ = ángulo de desfasaje entre la corriente del rotor I 2 y la corriente de magnetización I M . La potencia en el eje ( P ) es:
P = Pag − Pr = Teω
(1-8)
donde:
Pag = Potencia que cruza el entre-hierro.
Pr = Potencia perdida en el rotor. ω = Velocidad angular del eje del motor. La expresión del torque electro-magnético en (1-7) es similar al del motor DC shunt (1-3) salvo por el ángulo γ , que en el caso de los motores DC tiene el valor de 90° fijado por construcción, teniendo en consecuencia la posibilidad de controlar las corrientes en forma independiente lo cual facilita su control. Como se observa en la figura 20, tanto I M como I 2 ingresan al motor de inducción por un terminal, lo que dificulta el control independiente de cada componente. Por otro lado, si se desea que el motor de inducción presente una característica de torque similar al de un motor DC shunt, debe controlarse I 1 de tal modo que se tengan los valores adecuados de
I 2 , I M y el ángulo γ . Tal forma de control era imposible de realizar
hasta hace una década, pero en la actualidad debido al avance de la microelectrónica y a la fabricación de componentes electrónicos más potentes, se han logrado estrategias de control que permiten grandes prestaciones de funcionamiento del motor de inducción tanto como si se tratase de un motor DC.
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La característica de torque y corriente en función de la velocidad del motor de inducción es mostrada en la figura 21. Se observa que el motor presenta gran consumo de corriente (hasta 6 veces su valor nominal) al ser arrancado con voltaje nominal aplicado a sus bornes. El torque alcanza 200% de su valor de nominal.
Figura 21
De la figura anterior se observa que la velocidad del eje del motor depende de la carga aplicada, logrando mantenerse con una pequeña variación debido a la característica casi vertical de una parte de la curva de torque. Respecto del deslizamiento “s”, se podría decir que dicho valor aumenta en proporción directamente proporcional a la carga; es decir, a mayor carga el deslizamiento se incrementa. De la figura 21 podríamos decir que el deslizamiento a carga nominal y dos veces carga nominal son:
s nom =
1800 − 1725 1800 − 1750 x100% = 2,77% y s2×nom = = 4,16% 1800 1800
3.2. FUNDAMENTOS DE MECÁNICA 3.2.1.
PRINCIPIOS BÁSICOS DE MECÁNICA Son dos los parámetros básicos, torque y potencia, que deben ser completamente entendidos para aplicar apropiadamente los variadores.
TORQUE (T) Es una fuerza aplicada que tiende a producir rotación. Torque (fuerza de torsión) sin rotación es llamada torque estático, pues no se produce movimiento. El torque es medido en lb-in o lb-ft. Es el producto de una fuerza en libras (lb) por la distancia en pulgadas (in) o pies (ft) desde el centro del punto de rotación. La figura 22 muestra 120 lb-in (12 pulgadas x 10 libras) o 10 lb-ft de torque. Debido a que la mayor parte de transmisión de potencia se basa en elementos rotativos, el torque es importante como una medida del esfuerzo requerido para producir trabajo.
Figura 22
POTENCIA (HP) Potencia es la medida de la velocidad al cual el trabajo esta siendo realizado. Cuando una fuerza se aplica de tal forma que produce movimiento, el trabajo puede ser medido. Un HP se define como la fuerza requerida para levantar un peso de 33 000 lb un pie en un minuto. SELECCIÓN DEL VARIADOR Y LA MÁQUINA La aplicación de un variador para una máquina determinada es más un problema mecánico, que un problema eléctrico. Cuando usamos un variador, se deben considerar las características de velocidad, torque y potencia desarrolladas por el eje del motor. Estos deben igualar o exceder los requerimientos de torque y potencia de la máquina a ser impulsada. Los requerimientos de la máquina caen dentro de las tres principales categorías: Torque de ruptura de inercia (Break-away torque). Torque de aceleración (Accelerating torque). Torque de movimiento (Running torque).
Break-aw ay torque Es el torque necesario para poner en movimiento una máquina. Típicamente es mayor que el torque requerido para mantener el movimiento (running torque). En algunas aplicaciones, break-away torque es el parámetro más importante y por lo tanto no puede ser
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despreciado. En otras aplicaciones, tal como bombas centrífugas, es pequeño comparado con running torque.
Accelerating torque Es el torque necesario para llevar la máquina a la velocidad de operación dentro de un tiempo dado. En la mayoría de máquinas, la carga es de rozamiento y el variador estándar debe tener el torque adecuado para la aceleración deseada. Sin embargo, ciertas máquinas clasificadas como de gran inercia con ruedas volantes, engranaje u otras de elevadas masas rotativas pueden requerir la selección de variadores basados sobre todo en la potencia necesaria para acelerar la carga en un tiempo dado.
R unning torque Es el torque requerido para mantener la máquina en movimiento después de su aceleración hasta la velocidad de operación deseada. Running torque es usualmente la combinación del torque requerido para jalar, empujar, comprimir, estirar o procesar el material más el torque requerido para vencer la fuerzas de fricción. Es muy importante comprender los requerimientos de torque de la aplicación antes de intentar aplicar el variador. ESCOGIENDO LA POTENCIA DEL VARIADOR No hay reglas claras y precisas que puedan ser usadas para seleccionar correctamente las características del variador para todas las situaciones aplicadas. La experiencia y un análisis adecuado de la aplicación son factores muy importantes para la correcta selección de la potencia variador. El primer paso es determinar que factores son realmente importantes en la aplicación en particular. La información dada líneas arriba le ayudarán en su tarea. Algunos parámetros de máquinas (tal como break-away torque y el componente de fricción de running torque) son fácilmente medidos y algo difíciles de calcular. Otros parámetros de máquina (tal como el torque requerido para procesar el material o el torque requerido para acelerar una carga) son fácilmente calculables usando simples fórmulas mecánicas. Su análisis debe tener todos estos factores en consideración y balancear los datos calculados con sus experiencias. COMO MEDIR EL TORQUE REQUERIDO POR UNA MÁQUINA Si la cantidad de torque requerido para impulsar una máquina no puede ser determinado desde la placa de datos del fabricante, éste puede ser fácilmente medido. Asegure una polea al eje de la máquina que el motor impulsará. Enrolle un cordón por la superficie de la polea, por la punta del cordón coloque un dinamómetro escalado y jale hasta que el eje gire. La fuerza en libras ú onzas indicada en la escala, multiplicada por el radio de la polea en pulgadas da el valor de torque en lb-in ú
oz-in. En algunas máquinas, este torque puede variar con el giro del eje. El mayor valor de torque debe ser usado para seleccionar el variador. Ver figura 23
Figura 23
El running torque requerido por una máquina será aproximadamente igual al break-away torque si la carga esta compuesta casi enteramente de fricción. Si la carga esta compuesta de inercia, se deben determinar las características de los elementos que producen la inercia. La mayoría de máquinas requieren un gran valor de torque al arranque, pero una vez en marcha, los requerimientos de torque decrecen. La mayoría de variadores tienen capacidades intermitentes de corriente, el cual permite conseguir los requerimientos adicionales de torque de arranque sin incrementar la potencia nominal del variador. Si el running torque es igual o menor que el break-away torque dividido por 1,5 usar el break-away torque dividido por 1,5 como el torque nominal de la carga necesario para determinar la potencia del motor. Si el running torque es mayor que el break-away torque dividido por 1,5 pero menos que el break-away torque, use el running torque como el torque nominal de la carga necesario para determinar la potencia del motor. Limitaciones del torque La mayoría de variadores de velocidad tienen un limitador de torque para proteger al variador como a la máquina de sobrecargas de torque. El limitador de torque (límite de corriente) es normalmente ajustable hasta 150% del torque nominal para permitir un torque extra momentáneo para arranque, aceleración o sobrecargas cíclicas. La mayoría de variadores son capaces de suministrar hasta 150% de sobrecarga de torque por 1 minuto o menos. Dichas exigencias de
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sobrecarga se dan sobre todo en las cargas del tipo torque constante. Ciclo de Trabajo Ciertas aplicaciones requieren continuos cambios de sentido de giro, tiempos de aceleración prolongados a grandes torques debido a la inercia de las cargas, frecuentes tasas de aceleración elevadas, o sobrecargas cíclicas. Esto puede resultar en calentamiento excesivo del motor si es que no fueron considerados durante la selección del variador. La mayoría de variadores con 150% de capacidad de sobrecarga operan satisfactoriamente si existen períodos de compensación en donde la temperatura del motor pueda ser normalizada. Cargas de Arrastre (Overhauling Loads) En algunas aplicaciones, las cargas tienen una inercia tal que al momento de la operación de frenado, éstas arrastran al motor que las impulsa causando su trabajo como generador y provocando la consiguiente sobrecarga del variador. En estos casos, el motor debe suministrar un torque inverso de mantenimiento para frenar la carga. Un variador regenerativo o un kit absorbedor de energía se usan normalmente para este tipo de aplicaciones. Cargas de Golpe (shock loads) Variadores para máquinas trituradoras, separadoras, estrujadoras, transportadoras, grúas, y sistemas vehiculares, frecuentemente deben manejar cargas desde una pequeña fracción del torque nominal hasta algunas veces su valor. Bajo estas consideraciones, un variador tiene dos tareas fundamentales: mover la carga y proteger el motor. Pero debido al tipo de carga, pueden afectarse las partes del motor tales como cojinetes, ejes, conmutadores y escobillas. Los componentes del variador también pueden sufrir fallas debido a señales de voltaje inducidas y sobrecargas eléctricas. 3.2.2.
PERFILES DE CARGA En general, la mayoría de aplicaciones caen dentro de las siguientes categorías: A. Torque constante. B. Potencia constante. C. Torque variable. A. Torque constante.Alrededor del 90% de las máquinas industriales de aplicación general (diferentes a la bombas) son sistemas de torque constante. Los requerimientos de torque de la máquina son independientes de su velocidad. Si la velocidad de la máquina se duplica, entonces la potencia es también duplicada. Ver figura 24.
La carga requiere la misma cantidad de torque tanto a baja como alta velocidad. El torque permanece constante a través de todo el rango de velocidad, y la potencia aumenta o disminuye en proporción directa a la velocidad. Usado en aplicaciones como en sistemas de “fajas transportadoras” (también llamados “conveyors”, ver figura 29), y cuando se tienen cargas de choque y gran inercia.
Figura 24
B. Potencia constante.Para máquinas con cargas de potencia constante, la demanda de potencia es independiente de la velocidad y el torque varía inversamente con la velocidad. Este tipo de cargas se encuentra en la industria de las máquinas herramientas y en los centros impulsores de bobinas. Cuando se taladra, forma, muele o doblan metales, todas las cargas tienden hacia la potencia constante. A bajas velocidades hay gran torque; a altas velocidades ligero torque. Un variador debe ser seleccionado por su gran torque requerido a bajas velocidades. Ver figura 25. La carga requiere gran torque a bajas velocidades; bajo torque a altas velocidades, y por lo tanto tiene potencia constante en cualquier velocidad. Usado en aplicaciones tales como taladros, bobinadoras, esmeriles; los que requieren baja velocidad y gran torque para iniciar su trabajo y gran velocidad con bajo torque para finalizar.
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Figura 25
C.-Torque variable.Este tipo de carga es comúnmente encontrado en los impulsores de bombas centrífugas y en la mayoría de aplicaciones de ventiladores y sopladores. El torque y potencia varían con la velocidad. Ver figura 26.
Figura 26
Son cargas que requieren mucho menos torque a bajas velocidades que a altas velocidades. La potencia varía aproximadamente como al cubo de la velocidad, y el torque varía como al cuadrado de la velocidad. Usado en aplicaciones como ventiladores centrífugos, bombas, sopladoras, algunos mezcladores y agitadores.
3.2.3.
FÓRMULAS MECÁNICAS Potencia (HP) requeridos
HP =
Torque (lb − ft ) × Velocidad ( RPM ) 5250
(1-9)
HP =
Torque (lb − in) × Velocidad ( RPM ) 63000
(1-10)
Torque (lb − ft ) =
HP × 5250 Velocidad ( RPM )
Torque Aceleración (lb − ft ) =
(1-11)
WK 2 (lb − ft 2 ) × ∆ RPM 308 × t ( seg )
(1-12) Donde:
WK 2 = Inercia (lb-ft2) reflejada al eje del motor. ∆ RPM = Cambio de velocidad. t = Tiempo (segundos) para acelerar. t=
WK 2 (lb − ft 2 ) × ∆ RPM = Tiempo para acelerar (segundos) 308 × T (lb − ft )
(1-13)
RPM =
FPM ( pies / min) 0,262 × Diámetro ( pu lg adas )
(1-14)
C arg a RPM Inercia reflejada al motor = Inercia C arg a Motor RPM
2
(1-15) Inercia ( WK 2 ) El factor WK 2 es el peso (lb) de un objeto multiplicado por el cuadrado del radio de giro ( K ) . La unidad de medida del radio de giro es expresado en pies (ft). Para cilindros sólidos o huecos, la inercia debe ser calculada mediante el uso de las ecuaciones dadas aquí. Ver figura 27. La inercia de un eje de acero sólido por pulgada de longitud es dada en la Tabla 2. Para calcular ejes huecos, tome la diferencia entre los valores de inercia de los diámetros exterior e interior. Para ejes de materiales diferentes al acero, multiplicar el valor del acero por el factor apropiado dado en la Tabla 3.
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TABLA DE INERCIA EN EJE DE ACERO (por pulgada de longitud) Diámetro (pulgadas) ¾ 1 1¼ 1½ 1¾ 2 2¼ 2½ 2¾ 3 3½ 3¾ 4 4¼ 4½ 5 5½ 6 6¼ 6½ 6¾ 7 7¼ 7½ 7¾ 8 8¼ 8½ 8¾ 9 9¼ 9½ 9¾ 10 10 ¼
WK2 (lb-ft2) 0,000 06 0,000 2 0,000 5 0,001 0,002 0,003 0,005 0,008 0,011 0,016 0,029 0,038 0,049 0,063 0,079 0,120 0,177 0,250 0,296 0,345 0,402 0,464 0,535 0,611 0,699 0,791 0,895 1,00 1,13 1,27 1,41 1,55 1,785 1,93 2,13
Diámetro (pulgadas) 10 ½ 10 ¾ 11 11 ¼ 11 ½ 11 ¾ 12 12 ¼ 12 ½ 12 ¾ 13 13 ¼ 13 ½ 13 ¾ 14 14 ¼ 14 ½ 14 ¾ 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Tabla 2
TABLA FACTORES DE DENSIDAD Material del eje Goma Nylon Aluminio Bronce Hierro dulce Acero
Factor 0,121 0,181 0,348 1,135 0,922 1,00 Tabla 3
WK2 (lb-ft2) 2,35 2,58 2,83 3,09 3,38 3,68 4,00 4,35 4,72 5,11 5,58 5,96 6,42 6,91 7,42 7,97 8,54 9,15 9,75 12,59 16,04 20,16 25,03 30,72 37,35 44,99 53,74 63,71 75,02 87,76 102,06 118,04 135,83 155,55 -
Figura 27
Sólido- WK 2 = 0,00681 ρLD 4
(1-16)
Hueco- WK 2 = 0,00681 ρL( D24 − D14 )
(1-17)
Donde:
WK 2 = lb × ft 2 D, D1 , D2 y L = en pulgadas
ρ ρ ρ ρ ρ ρ
= lb / in3 (aluminio) = 0,0924 (bronce) = 0,3200 (hierro dulce) = 0,2600 (acero) = 0,2820 ( papel ) = 0,289
La inercia de partes rotativas complejas y concéntricas (ver figura 28) deben ser calculadas tal como se muestra a continuación:
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Figura 28
WK 2TOTAL = WK12 + WK 22 + WK 32
(1-18)
WK 2 de elementos rotativos En los sistemas mecánicos prácticos, todas las partes rotativas no operan a la misma velocidad. El WK 2 de todas las partes en movimiento pueden reducirse a un solo valor WK 2 equivalente hacia el eje del motor, por lo que se tratan como una sola unidad, tal como sigue:
WK 2 equivalente = WK 2 (
N 2 ) Nm
(1-19)
Donde:
WK 2 = Inercia de las partes en movimiento. N = Velocidad de las partes en movimiento (RPM). N m = Velocidad del motor impulsor (RPM). Cuando se utilizan reductores de velocidad, y la inercia de la máquina es reflejada hacia el eje del motor, la inercia equivalente es igual a la inercia de la máquina dividida por el cuadrado de la relación de reducción
WK 2 de elementos con movimiento lineal No todos los sistemas con variadores trabajan con movimientos de rotación. El WK 2 de las partes en movimiento lineal pueden reducirse hacia el eje del motor como sigue.
W (V ) 2 39.5( N m ) 2
WK 2 equivalente = Donde:
W = Peso de la carga (lb).
(1-20)
V = Velocidad lineal del sistema (FPM). N m = Velocidad del motor impulsor (RPM). Cálculo de potencia (HP) Luego que el torque de la máquina ha sido calculado, la potencia puede ser deducida con la siguiente fórmula:
HP = Donde:
T×N 5250
(1-21)
HP = Potencia (caballos). T = Torque (lb-ft). N = Velocidad base del motor (RPM). Si la potencia calculada cae dentro de las características de un motor estándar, seleccione el estándar inmediato superior de potencia. Es buena práctica permitirse algo de margen cuando seleccionamos la potencia del motor. •
Para conveyors:
Figura 29
HP(Vertical ) =
HP(Horizontal ) =
Peso(lb ) × Velocidad (FPM ) 33000
(1-22)
Peso(lb ) × Velocidad (FPM ) × Coef . fricción 33000 (1-23)
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Para ventiladores y sopladores:
•
HP =
(
CFM ( ft 3 min) × Pr esión lb / ft 2 33000 × (Eficien. Ventilador )
)
(1-24)
Efecto de la velocidad en la potencia:
HP = k1 (RPM ) - La potencia varía como el cubo de la velocidad. 3
T = k2 (RPM ) - El torque varía como el cuadrado de la velocidad. Flujo = k3 (RPM ) - Flujo varía directamente como la velocidad. CFM = - Volumen CFM ( ft 3 min) × Pr esión lb / in 2 (1-25) HP = 229 × (Eficien. Ventilador ) 2
(
HP =
)
CFM ( ft 3 min) × (Pu lg adas columna agua ) 6356 × (Eficien. Ventilador )
(1-26)
Para bombas (ver figura 30):
•
HP =
GPM × Columna ( ft ) × (Gravedad Específica ) 3960 × (Eficien. Bomba )
(1-27)
Gravedad específica del agua = 1.0 1 ft2 por segundo = 448 GPM 1 PSI = Una columna de 2,309 ft de agua pesando 62,36 lb/ft3 a 62°F. GPM = Galones por minuto •
Bombas de desplazamiento constante: Efecto de la velocidad en la potencia
HP = k (RPM ) - Potencia y capacidad varía directamente con la velocidad. Las bombas de desplazamiento bajo presión constante requiere aproximadamente de torque constante en todas las velocidades. •
Bombas centrífugas: Efecto de la velocidad en la potencia
HP = k1 (RPM ) - Potencia varía como el cubo de la velocidad. 3
T = k2 (RPM ) - Torque varía como el cuadrado de la velocidad. 2
Flujo = k3 (RPM ) - El flujo varía directamente con la velocidad. Eficiencia: 500 a 1 000 gal/min = 70 – 75% 1 000 a 1 500 gal/min = 75 – 80% mayores a 1 500 gal/min = 80 – 85% La eficiencia de las bombas de desplazamiento puede variar entre 50 a 80% dependiendo del tamaño de la bomba.
Figura 30
3.2.4.
FÓRMULAS ELÉCTRICAS Leyes De Ohm.
Amperios =
Voltios Ohms
(1-28)
Voltios Amperios
(1-29)
Voltios = Amperios × Ohms
(1-30)
Ohms =
Potencia en circuitos DC:
HP =
Voltios × Amperios 746
(1-31)
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Watts = Voltios × Amperios
Kilowatts =
(1-32)
Voltios × Amperios 1000
Kilowatts − Hora =
(1-33)
Voltios × Amperio × Hora 1000
(1-34)
Potencia en circuitos AC: Kilovolt-Ampere (kVA) (1-35)
KVA(Monofásico ) =
KVA(Trifásico ) =
Volts × Ampers 1000
(1-36)
Volts × Ampers × 1,73 1000
Factor Potencia =
Kilowatts Kilovolt × Ampers
Kilowatts (Monofásico ) = Kilowatts (Trifásico ) = 40)
Factor Potencia =
(1-37)
(1-38)
Volts × Ampers × Factor Potencia (1-39) 1000
Volts × Ampers × Factor Potencia × 1.73 1000
Kilowatts Kilovolt × Ampers
(1-
(1-41)
Otras formulas que son de utilidad son las siguientes: 1 kW = 56,88 BTU/min
(1-42)
1 Ton = 200 BTU/min
(1-43)
1 HP = 0,7457 kW = 550 lb-ft por segundo = 33 000 lb-ft por minuto = 2 545 BTU por hora
(1-44) (1-45) (1-46) (1-47)
A continuación tenemos la Tabla 4 que nos proporciona un resumen de las unidades usadas en la presente unidad, así como los factores de conversión respectivos.
Multiplicar Longitud
Torque
Rotación
Momento de Inercia
Potencia
Temperatura
Por
Metros Metros Pulgadas Pies Milímetros N-m Lb-ft Lb-in Lb-ft RPM RPM Grados/segundo Radianes/segundo Newton-metro2
Watts Lb-ft/min HP HP
Para obtener
3,281 Pies 39,37 Pulgadas 0,025 4 Metros 0,304 8 Metros 0,039 4 Pulgadas 0,737 6 Lb/ft 1,355 8 N-m 0,083 3 Lb-ft 12,00 Lb-in 6,00 Grados/segundo 0,104 7 Radianes/segundo 0,166 7 RPM 9,549 RPM 2,42 Lb-ft2 0,000 434 Lb-ft2 Lb-ft2 0,006 94 Lb-ft2 32,17 Lb-ft2 0,167 5 Lb-ft2 2,68 0,00134 HP 0,000 030 3 HP 746 Watts 33000 Lb-ft/min °C = (°F-32)x5/9 °F = (°Cx9/5)+32
Tabla 4
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4. EJEMPLOS •
Un motor de 1 750 RPM es seleccionado para impulsar una máquina que es operada a velocidad máxima de 58,3 RPM y requiere un torque de 70 lb-ft. Encuentre el valor del moto-reductor a comprar. Solución: Paso1: Determinación de la relación requerida
Motor RPM ( Máx) Máquina impulsada ( Máx)
Re lación del reductor ( DR) =
DR =
1750 =30 (ó 30:1) 58.3
NOTA: Cuando DR no es un valor estándar de moto-reductores, se hace necesario usar cadenas, fajas o reductores adicionales tanto para la entrada como para la salida. Paso 2: Determinamos el torque y potencia del motor. Se selecciona un moto-reductor de 30:1 es cual deba ser capaz de suministrar un torque de salida de 70 lb-ft. Luego, este valor es dividido por DR y un factor de eficiencia para encontrar el torque del motor requerido. En nuestro caso resulta:
T=
70 (lb − ft ) = 2,6 (lb-ft) 30 x0,9
Desde que un motor de 1 HP, 1 750 RPM de velocidad base desarrolla un torque de 3 lb-ft, éste es escogido para la aplicación con el moto-reductor de 30:1 y con un torque mínimo de 70 lb-ft. •
Se tiene un motor DC de excitación independiente con datos de placa: Va= 440VDC, Ia= 259ADC, Potencia= 104 kW, Velocidad= 1 680RPM, Eficiencia= 90,7%. Se pide determinar el torque nominal en unidades lb-ft. Solución: Se tiene la ecuación (1-11). Pero antes debemos trabajar en unidades técnicas, es decir pasar kW a HP. Usando la relación (1-44) tenemos 104kW x 1HP/0,7457kW = 139,46 HP De la ecuación (1-11) se tiene:
Torque (lb − ft ) =
139,46 HP × 5250 = 435,81 1680 RPM
•
Con los datos del ejemplo anterior, si se desea disminuir la velocidad del eje a 1 000RPM, determine los valores de voltaje de armadura Ea, potencia del motor en kW, corriente de armadura Ia y torque en N-m. Solución: De la figura 16 se deduce que el torque permanece constante; para cambiar de unidades a N-m usamos Tabla 4, entonces: Torque = 435,81 lb-ft x 1,355 8= 590,9 N-m También deducimos de la figura 16 que la potencia y voltaje de armadura son proporcionales a la velocidad, por lo tanto tenemos: P (n=1000RPM) = P (nominal) x 1 000RPM / 1 680RPM = 104kW x 1 000RPM / 1 680RPM = 61,9 kW Ea (n=1000RPM) = Ea (nominal) x 1 000RPM / 1 680RPM = 440VDC x 1 000RPM / 1 680RPM = 261,9 VDC De la ecuación (1-4) se tiene: I a(n=1000RPM) =
61900 W = 260,58 ADC 261,9VDC × 0,907
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5. RESUMEN Los motores eléctricos se dividen en dos grandes partes, según la fuente de alimentación que reciben, esto es: motores DC y motores AC. De los tipos de motores DC, el más usado en la industria es el motor DC shunt de excitación independiente debido a que sus propias características permiten controlar su velocidad en forma fácil y precisa. Además el motor DC puede proporcionar hasta cinco veces su torque nominal, que lo hace insustituible en el manejo de cargas de gran inercia. El inconveniente de dicho tipo de motor es su costo y mantenimiento De los tipos de motores AC, el más usado en la industria es el motor de inducción AC de jaula de ardilla debido a su robustez y mínimo mantenimiento. El inconveniente se debe sobre todo a sus características de trabajar a velocidad constante, siendo muy difícil controlar su velocidad. Para conocer perfectamente el comportamiento del motor es necesario saber el tipo de carga que tendrá acoplado en su eje, razón por la cual es muy importante determinar si la carga es del tipo: torque constante, HP constante o torque variable. Se concluye que el 90% de aplicaciones de carga son del tipo torque constante. Además, es importante tener conocimientos de los conceptos de mecánica para poder aplicar las fórmulas correspondientes y así determinar la potencia suficiente del motor impulsor a dimensionar.
ANOTACIONES: ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________
______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________
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UNIDAD II
Variador de velocidad de motor DC
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Índice Unidad II: “Variador de velocidad de motor DC”
1. 2. 3.
4. 5.
Introducción............................................................................................................ 0 Objetivos ................................................................................................................ 0 Contenido De La Unidad I ........................................................................................ 0 3.1. Fundamentos .................................................................................................. 1 3.1.1. Variación De Velocidad .......................................................................... 1 3.1.2. Inversión De Giro De Motores Dc ........................................................... 2 3.1.3. Frenado De Motores Dc......................................................................... 2 3.2. Etapa De Potencia ........................................................................................... 2 3.2.1. Variador A Tiristores ............................................................................. 3 3.2.2. Variador A Transistores ......................................................................... 5 3.3. Etapa De Control............................................................................................. 6 3.3.1. Control Realimentado............................................................................ 5 3.3.2. Transductores De Velocidad Y Corriente ............................................... 10 3.3.3. Conceptos De Control ......................................................................... 16 3.4. Criterios Para La Puesta En Marcha................................................................. 22 3.4.1. Comprobación Estado De La Etapa De Potencia .................................... 22 3.4.2. Comprobación Estado De La Etapa De Control ...................................... 23 3.4.3. Instalación Del Variador ...................................................................... 24 3.4.4. Puesta En Marcha ............................................................................... 25 Ejemplos............................................................................................................... 27 Resumen .............................................................................................................. 32
Anexo II
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UNIDAD II
“VARIADOR DE VELOCIDAD DE MOTOR DC” 6. INTRODUCCIÓN 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 son 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. 7. 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. 8. CONTENIDO DE LA UNIDAD II 8.1. FUNDAMENTOS 8.1.1.
VARIACIÓN DE VELOCIDAD De las ecuaciones (1-1) y (1-2) de la Unidad I se tiene que la velocidad n depende de:
V − I r n= a a a kI f
(2-1)
Por lo tanto, el control de la velocidad de un motor DC se consigue mediante la variación del voltaje de armadura (Va ) o por variación del flujo magnético del campo (proporcional a I f ). 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 Va : • • • •
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
• 8.1.2.
Reostato de regulación de campo. INVERSIÓN DE GIRO DE MOTORES DE 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.
ia
+
A
Va
8.1.3.
FRENADO DE MOTORES DC
Figura 1
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:
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• • •
Frenado por recuperación de energía o también llamado regenerativo. Frenado reostático o también llamado dinámico. Frenado por inversión de corriente de armadura.
8.2. 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 implementada mediante el uso de: • Tiristores. • Transistores. 8.2.1.
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.
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.
Figura 3
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.
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Figura 4
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.
Figura 5
Figura 6
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. 8.2.2.
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.
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Figura 7
8.3. ETAPA DE CONTROL 8.3.1.
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.
1
2
3
4
5
6
7
V
9
Potencia
Realimentación de corriente
8
V
A
1
Realimentación de velocidad 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.
1
#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 proporcional-integral (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 I a ra , razón por la cual el variador pierde precisión al tratar de controlar la velocidad. Para minimizar dicho problema se aplica la técnica de Compensación IxR. #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 (DinamoTacométrica) 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
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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.
Figura 9
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:
Va = I a ra + k n I f
(2-2)
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 contraelectromotriz 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.
Figura 10
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 (I a ) ya que I f 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
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mayor I a al motor para compensar dicho incremento de carga y así mantener la velocidad constante.
Ia carga 2 Te= k Ia If Sen (d) carga 1 d If Figura 11
8.3.2.
TRANSDUCTORES DE VELOCIDAD Y CORRIENTE Los transductores son elementos que cambian una magnitud física a otra, es decir. • 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. Entre los transductores que se utilizan para medir velocidad tenemos: 8.3.2.1.
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.
A B Impulso de ángulo cero 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.
Figura 13
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 contacto 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.
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8.3.2.2. 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.
Figura 14
Esta característica, asociada con el echo 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 resolverse sin escobillas, que no necesitan establecer ningún contacto con el rotor, lo que aumenta en gran medida la duración y fiabilidad del dispositivo. 8.3.2.3. 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. Ver figura 15.
DT
A. T
n Vout
Figura 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:
Vout = kφ F n
(2-3)
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.
8.3.2.4.
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 (I primario ), dicha corriente es AC; la corriente de salida se denomina I secundario , 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.
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Figura 2-13
Se tiene la siguiente relación:
VOUT = k1 I PRIMARIO R
(2-4)
Donde k1 es la relación de transformación (I PRIMARIO /I SECUNDARIO ) 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. 8.3.2.5.
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.
Figura 2-14
8.3.2.6.
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 2-15.
Figura 2-15
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:
Vout (mV ) = k 2 I ARMADURA
(2-5)
Donde k 2 es la relación de transformación en mV/Amperios nominales dada en la placa de datos de dicha resistencia shunt. Se especifica del siguiente modo: k 2 =20mV/50A, k 2 =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.
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8.3.3.
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 mas 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.
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.
Error = Vref − Vmedida
(2-6)
3. La señal de error Es usada luego por el control para cambiar el torque o la velocidad del motor.
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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:
Aout = k P ε
(2-7)
Donde: Aout= Salida del control K P = 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.
Figura 2-17
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:
Aout = k i ∫ ε ∆t
(2-8)
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.
Figura 2-19
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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:
Aout = k D
∆ε ∆t
(2-9)
Donde: K D = Ganancia diferencial.
∆ε = Cambio en la señal de error del proceso dividida por el ∆t
cambio del tiempo.
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 termino 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
Figura 2-20
Definición de “PID” (Proporcional, Integral, Derivativo) Es la suma total de los tres elementos de ganancia, y puede expresarse como sigue:
Aout = k P + k I
∫ ε ∆t + k
D
∆ε ∆t
(2-10)
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. Ver la figura 2-21
Figura 2-21
8.4. 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. 8.4.1.
COMPROBACIÓN 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
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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.
0,45V
Cable
Anodo
Cable
GND
Cátodo
Figura 2-22
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 ensamblado nuevamente y preparado para la siguiente fase. 8.4.2.
ser
COMPROBACIÓN 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)
L1
L2
L3
+A
-A
+F
Lámparas Figura 2-23
-F
En donde: Las borneras L1, L2 y L3 son 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:
L1
L2
L3
Run
0v
+V
SP
+DT -DT
Parada/Marcha
Fuente DC Vreferencia Figura 2-24
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:
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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. 8.4.3.
INSTALACIÓN 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.
Figura 2-25
8.4.4.
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.
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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. 9. 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. 9.1. SINTONIZACIÓN MANUAL CON UN MULTÍMETRO Sintonización Manual Inicial de los Sistemas en General 1. 2. 3. 4. 5. 6.
7.
Ajuste la ganancia integral (k I ) a 0.
Ajuste la ganancia diferencial (k D ) a 0.
Ajuste la ganancia proporcional (k P ) en 20% de su máximo valor. Habilite el control y hágalo funcionar con carga constante. Ajuste el potenciómetro de valor de referencia al punto medio de su rotación. Observe la señal de realimentación con un multímetro. 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. Cambie el valor de referencia en un 20% aproximadamente, y observe la señal de realimentación del proceso (o el motor, si resulta conveniente).
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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.
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.
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.
9.2. SINTONIZACIÓN 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:
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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 esta definida en 0 Hz. El valor de la ganancia proporcional es, sin embargo, demasiado bajo.
Figura 2-28
La figura 2-29 es un ejemplo de una ganancia proporcional excesiva: note las oscilaciones transitorias en la respuesta de la realimentación del proceso.
Figura 2-29
La figura 2-30 muestra la respuesta óptima para este sistema en particular (Ganancia proporcional del proceso= 100, y ganancia integral= 2,00 Hz).
Figura 2-30
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.
10.
RESUMEN
Figura 2-31
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 de desestabilizarlo.
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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. Por último, se tienen dos ejemplos que nos pueden servir de guía para aplicaciones en los cuales el fabricante del variador no indique el modo de sintonizar correctamente el funcionamiento de todo el sistema controlado.
UNIDAD III
Variador de velocidad de motor AC
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Índice Unidad III: “Variador de Velocidad de Motor AC”
1. 2. 3.
4. 5. 6. 7.
Introducción............................................................................................................ 0 Objetivos ................................................................................................................ 0 Contenido de la unidad III........................................................................................ 0 3.1. Fundamentos .................................................................................................. 2 3.1.1. Control por variacion de voltaje ............................................................. 2 3.1.2. Control por variacion de frecuencia ........................................................ 2 3.1.3. Control por resistencias rotóricas ........................................................... 3 3.1.4. Control por V/f constante ...................................................................... 4 3.2. Etapa de potencia ........................................................................................... 5 3.2.1. Tipos de variadores .............................................................................. 5 3.2.2. El transistor IGBT ................................................................................. 7 3.2.3. El inversor puente trifásico .................................................................... 8 3.2.4. Voltaje seno-PWM ................................................................................ 9 3.3. Etapa de control ............................................................................................. 9 3.3.1. Regulador V/f ..................................................................................... 10 3.3.2. Regulador vector básico ...................................................................... 11 3.3.3. Regulador sensorless vector ................................................................ 12 3.4. Criterios para puesta en marcha ..................................................................... 23 3.4.1. Estado etapa de potencia .................................................................... 13 3.4.2. Estado etapa de control ...................................................................... 14 3.4.3. Instalacion del variador ....................................................................... 16 3.4.4. Puesta en marcha ............................................................................... 18 Ejemplos............................................................................................................... 21 Resumen .............................................................................................................. 22 Preguntas de autocomprobación ............................................................................. 23 Respuestas a las preguntas de autocomprobación .................................................... 24
Anexo III
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UNIDAD III
“VARIADORES DE VELOCIDAD DE MOTOR AC” 11. INTRODUCCIÓN El desarrollo de la Electrónica de Potencia en la permanente búsqueda de nuevos y mejores dispositivos así como el incremento en la velocidad de cálculo de los modernos microcontroladores ha permitido fabricar equipos eficientes para la generación de ondas de corriente alterna con frecuencia y tensión controladas (variadores de velocidad para motor AC) que, suministradas al motor hacen de éste una máquina tan versátil para el control del torque y velocidad, como lo es el motor DC; logrando que, en la actualidad se haya reducido el uso de los motores DC, sobre todo por su mayor precio y necesidad de mantenimiento causados por las escobillas y conmutador respecto de los motores de inducción asíncronos. 12. OBJETIVOS El objetivo de esta unidad es la de analizar las características generales que gobiernan el funcionamiento de un variador de velocidad de motor AC, también denominado “variador de frecuencia” o “AC-Driver”, así como identificar los principales parámetros que nos servirán para la puesta en marcha de dichos equipos. 13. CONTENIDO DE LA UNIDAD III 13.1. FUNDAMENTOS Las características del motor de inducción AC se estudiaron en la Unidad I, en la cual se llegó a la conclusión que debido a la construcción del motor, es imposible controlar independientemente las corrientes que producen el torque y flujo magnético (ver ecuación 1-7). Por lo tanto, las prestaciones de control del motor de inducción AC eran muy pobres comparados con el logrado por el motor DC. Gracias al desarrollo de nuevos tipos de dispositivos de control de potencia, tal como el Transistor Bipolar de Compuerta Aislada (IGBT) y las cada vez más potentes herramientas de cálculo usadas con los microcontroladores, en la actualidad tenemos variadores de velocidad que logran prestaciones de control iguales al de los motores DC. A continuación veremos algunos de los métodos que inicialmente se trataron de usar para conseguir mejores prestaciones del motor AC. Observaran que los resultados son muy pobres razón por las cuales no tienen mucha aplicación.
Luego tendremos una breve explicación de los modernos conceptos que se aplican para conseguir ciertas prestaciones de acuerdo con el tipo de proceso a controlar. 13.1.1. CONTROL POR VARIACIÓN DE VOLTAJE La figura 3-1 muestra como resultado la característica torque vs velocidad de un motor de inducción cuando la tensión aplicada a su armadura es variable, manteniendo la frecuencia constante.
Figura 3-1
De esta figura queda claro que cuando la tensión de alimentación disminuye, el torque también disminuye, lo cual no es aceptable si se desea controlar velocidad del motor. De la ecuación (1-7) se observa que tanto I M como I 2 , son directamente proporcionales a la tensión de alimentación. Como en este tipo de control el torque varía aproximadamente con el cuadrado de la tensión de armadura, para V 〈 Vnom . Entonces para
V 〉 Vnom puede ocurrir saturación del núcleo magnético. En general el control de tensión de la alimentación no es recomendado para aplicaciones prácticas. 13.1.2. CONTROL POR VARIACIÓN DE FRECUENCIA. La figura 3-2 muestra la característica torque vs. velocidad de un motor de inducción para varias frecuencias de alimentación y tensión constante. El aumento en la frecuencia de alimentación, asumiendo tensión constante, hace que la corriente de magnetización I M disminuya en proporción inversa, haciendo disminuir el torque generado. Por otro lado, una disminución de la frecuencia no hace aumentar mucho el torque, luego que I M aumenta demasiado y entra en la región de saturación.
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Figura 3-2
El control de frecuencia de alimentación sólo tiene aplicación práctica, cuando se desea operar con el campo atenuado y encima de la velocidad base (nominal). 13.1.3. CONTROL VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL ROTOR. La figura 3-3 muestra la característica torque vs. velocidad de un motor de inducción, para varias resistencias de rotor.
Torque Máximo r2n
Torque Nominal (%)
r'2 r2c
r''2
Velocidad (%) Figura 3-3
Observe en esta figura que el valor máximo del torque se mantiene en el rango de r2 n 〈 r2 〈 r2 c ( r2 n : resistencia nominal y r2 c : resistencia crítica). En realidad r2 podría ser menor que r2 n , sin
embargo en este caso puede ocurrir sobre corriente excesiva para el arranque de la máquina. Por las características mostradas en la figura 3-3 se puede notar que este tipo de control puede tener aplicaciones prácticas. El problema es que para tener acceso al rotor y poder variar la resistencia r2 , es necesario que el mismo sea del tipo bobinado y existan anillos deslizantes lo cual lo hace de mayor tamaño, costoso y de mantenimiento excesivo. 13.1.4. CONTROL DE VELOCIDAD TIPO V/F CONSTANTE. De los tres métodos de control vistos, solamente el último es viable cuando se desea torque máximo en todo el rango de variación de velocidad. Sin embargo para motores con rotor del tipo jaula de ardilla este control no puede ser aplicado. Comparando la expresión del torque dado en la ecuación (1-7) con la del motor DC (ecuación 1-3) notamos que I M corresponde a la corriente I F (campo), mientras que I 2 corresponde a la corriente de armadura I a . Por otro lado, se tiene que:
IM =
VM ω LM
(3-1)
o en el caso de los valores nominales:
I M nom =
VM nom
ω nom LM
(3-2)
donde se tiene que:
VM nom
ω
= I M nom LM
(3-3)
nom
es una relación, cuyo valor debe ser igual al flujo magnético máximo en la máquina, multiplicado por una constante. Para tener el control del torque constante la tensión y la frecuencia deben ser variables, justo lo necesario para que flujo magnético sea controlado y mantenido a su valor máximo. Esto puede ser conseguido si la tensión y frecuencia varían de tal forma que:
VM
ω
=
VM nom
ω
= I M nom LM = cons tan te (3-4)
nom
Haciendo este tipo de control, las características torque vs. velocidad de un motor de inducción queda como se muestra en la figura 3-4. Con esto, por lo menos para el régimen permanente, el
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motor de inducción pasa a tener características de operación similar al de un motor DC.
Figura 3-4
13.2. ETAPA DE POTENCIA 13.2.1. TIPOS DE VARIADORES DE VELOCIDAD DE MOTOR AC Para propósitos generales, los controladores de variadores AC de frecuencia ajustable son fabricados en tres tipos: Voltaje de Entrada Variable (VVI), Entrada de Fuente de Corriente (CSI) y Modulación por Ancho de Pulso (PWM). Cada uno tiene ventajas características especificas. Voltaje de Entrada Variable (VVI).Aunque este diseño fue común en la década de los 70s y comienzos de los 80s, es hoy en día limitado para aplicaciones especiales tal como variadores que desarrollan alta velocidad (400 a 3 000 Hz). El diseño VVI, recibe voltaje AC de la planta, lo rectifica y controla, desarrollando un voltaje DC variable hacia el amplificador de potencia (etapa inversora). El amplificador de potencia invierte el voltaje DC variable a frecuencia variable y voltaje variable AC. Esto puede ser realizado por transistores de potencia o SCRs. La salida de voltaje desde una unidad VVI es frecuentemente llamada “onda de seis pulsos”. El VVI fue uno de los primeros variadores AC de estado sólido que tuvo aceptación general. Ver figura 3-5.
Inversor Fuente de Corriente (CSI).Se usa en variadores con potencias mayores a 50HP. Las unidades CSI se encuentran bien situadas para el manejo de bombas y ventiladores como una alternativa de ahorro de energía para el control de flujo. Capaces de trabajar con eficiencias cercanas a los variadores DC, el diseño CSI ofrece economía sobre las unidades VVI y PWM para aplicaciones en bombas, ventiladores y similares. El CSI ofrece capacidad de regeneración. Con una sobre carga, el controlador alimenta energía de retorno al sistema AC. Ver figura 3-5. Modulación por Ancho de Pulso (PWM).Muchas unidades PWM (frecuentemente llamadas “variadores V/Hz”) ofrecen operación a cero velocidad. Algunos proporcionan rango de frecuencias cercanos a 200:1. Este amplio rango es posible pues el controlador convierte voltaje de entrada AC a un voltaje DC fijo por medio del rectificador de potencia. Luego de este amplificador, el voltaje DC es modulado por medio de un inversor para producir pulsos de diversos anchos, para variar el voltaje efectivo. A pesar que el voltaje es modulado, la forma de onda de la corriente es cercana a una onda senoidal, mucho mejor que cualquier otro sistema. Las unidades PWM usan transistores de potencia IGBT’s.
Figura 3-5
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Observando las formas de onda de corriente de la figura 3-5, deducimos que el variador tipo PWM es el que proporciona mejor calidad de corriente al motor AC, logrando que trabaje con mejor eficiencia y produciendo un control de torque más fino. Son por lo tanto los más usados en la actualidad. La onda de voltaje producida por el variador tipo PWM se denomina “Seno PWM” y es producto del trabajo a gran velocidad (llegando hasta 20 kHz) de los transistores IGBT, los cuales son comandados por medio de un sofisticado circuito de control micro computarizado. 13.2.2. EL TRANSISTOR IGBT Los transistores bipolares de compuerta aislada comúnmente llamados IGBT’s son el resultado de muchas investigaciones desarrolladas por los fabricantes de componentes electrónicos, con el objetivo de conseguir un dispositivo de gran velocidad de conmutación, mínimo consumo de corriente de control y gran capacidad de soporte a voltajes y corrientes elevados. El símbolo del IGBT según norma alemana se muestra en la figura 3-6.
Colector Diodo Damper
Gate Emisor Figura 3-6
Observe que los terminales Colector-Emisor normalmente vienen con un diodo “Damper” instalado en dicha posición para protección contra cargas inductivas. Para activar un IGBT (turn on), se debe aplicar voltaje de un valor determinado a sus terminales de control Gate-Emisor. El consumo de corriente de dicho terminal de control es prácticamente cero; por lo tanto se dice que el IGBT no consume corriente. Esto evita los retardos de tiempo asociados con dispositivos que consumen corriente de control tal como los transistores bipolares BJT. Un transistor IGBT responde rápidamente a los cambios de señal (menores a 1 us), reduciendo los niveles audibles en el motor AC mientras se esta controlando el torque y la velocidad. Y, su gran frecuencia de conmutación (frecuencia portadora) provee un control
de corriente de gran respuesta dinámica. También, las pérdidas en un IGBT son muy pequeñas como resultado de disponerse en encapsulados compactos dentro del variador. Las medidas correctas del transistor IGBT mediante un multímetro digital en escala de diodos (Transistor IGBT con diodo Damper) se muestra en la figura 3-7. El valor “OL” de la tabla (3-1) representa máxima escala.
rojo
GND
negro
Figura 3-7
Cable Multímetro C E C G G E
Rojo Cable Multímetro E C G C E G
Negro
Valor Medido (V) OL Ejm: 0,6 OL OL OL OL
Tabla 3-1
13.2.3. EL INVERSOR PUENTE TRIFÁSICO La figura 3-8 nos muestra el circuito que puede cumplir con los requisitos solicitados por la ecuación (3-4). Por lo tanto el motor AC puede ser controlado a velocidades diferentes a su valor nominal y aún conservar las características nominales de su torque. La única forma de poder conseguir una onda de voltaje que cumpla con el requisito de cambiar proporcionalmente su voltaje y frecuencia al mismo tiempo, es por medio de un circuito Inversor. En la figura 3-8 se muestran las partes que conforman la etapa de potencia de todo tipo de variador de velocidad de motor AC en la actualidad.
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Índice Rectificador
Filtro
+DC
Inversor trifásico en puente
VAC
Transistor de Potencia
R S T
DB
Banco de Capacitores
Resistencia DB
-DC
U
V
W
Salida al Motor Figura 3-8
La alimentación de entrada es VAC monofásico o trifásico dependiendo de la potencia del motor AC a controlar. Dicho voltaje AC es rectificado por medio de un puente de diodos. Luego tenemos la etapa de filtrado compuesta de filtro de corriente (bobina) y filtro de voltaje (capacitor), con el objetivo de disponer de una barra de voltaje DC lo más continua posible (bornes +DC/-DC). Dicha barra DC es la entrada al circuito inversor, el cual por medio del trabajo conmutado de los IGBT la convierte en un voltaje de salida (bornes U, V, W) denominada “Seno-PWM”, que cumple con el requisito de mantener la relación V/f a proporción constante. 13.2.4. VOLTAJE SENO-PWM La figura 3-9 muestra en forma detallada la onda “Seno-PWM” de salida del inversor trifásico en puente. La amplitud (Vd) de dicha onda es igual a la barra de voltaje DC (bornes +DC/-DC de entrada al circuito inversor). El motor recibe dicha onda de voltaje por los bornes de salida U,V,W y la filtra obteniendo corrientes (I U , I V . I W ) casi senoidales. El promedio de voltaje eficaz “V” depende del ancho de los pulsos y la frecuencia efectiva “f” vista por el motor es 1/T. La velocidad de conmutación de los transistores IGBT es 1/t denominada “frecuencia portadora”. El resultado es que el motor recibe la relación “V/f” proporcional a sus valores nominales, consiguiendo que desarrolle su trabajo aún a velocidades menores que lo normal y sin pérdida de torque.
Figura 3-9
13.3. ETAPA DE CONTROL Si examinamos con detenimiento el modelo matemático del motor de inducción mostrado en la figura 20 de la unidad I, se puede notar que los circuitos de flujo y torque no están separados. En los terminales del motor AC se tienen tres cables que transportan el vector suma de las corrientes que producen flujo y torque. Esta es la razón por la cual el control vectorial de un motor AC es más dificultoso que el correspondiente a un motor DC. El reto para el control del variador de Velocidad de motor AC es distinguir ambas corrientes sin el beneficio de circuitos separados. La figura 3-10 nos muestra el problema. La corriente del estator I 1 es el vector suma de las corrientes que producen flujo y torque. El ángulo entre I M e I 2 cambia constantemente bajo diversas condiciones. La corriente del estator debe entonces ser variada con el fin de producir la corriente de torque requerida, mientras la corriente de magnetización debe ser mantenida. I2
I2
r1
carga 2 I1 v
IM
r2 /s
I1
carga 1 I1 d IM
I1 = Corriente total en estator IM = Corriente que produce flujo
Te = k2 IMI2Cos (d)
I2 = Corriente que produce torque Figura 3-10
Desde que se tienen diversas variables envueltas en el cálculo de las corrientes, habrá entonces muchos modos de diseñar el control del variador. Estos incluyen esquemas directos e indirectos. Los esquemas directos miden
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eléctricamente el ángulo del flujo del rotor. El control indirecto de campoorientado usa realimentación de velocidad o posición del motor y consideraciones de deslizamiento para suministrar comandos instantáneos de torque y flujo. El circuito PWM de potencia es comúnmente usado con tres tipos básicos de reguladores. Son estos reguladores los que determinan las capacidades del variador, incluyendo la respuesta, regulación de velocidad debido a cambios transitorios de carga y capacidad del torque a baja velocidad. 13.3.1. REGULADOR V/F.La configuración mas común y de menor costo, es usado en aplicaciones con o sin realimentación de velocidad. Este diseño ofrece generalmente los ajustes básicos de un variador, incluyendo ajuste de velocidad, límite de torque, V/Hz, peldaño de voltaje a bajas velocidades, mínima y máxima velocidad, tasas de aceleración y deceleración y otros ajustes similares, que reúnen los requerimientos para la mayoría de aplicaciones. El control V/f en su forma mas simple lleva un comando de referencia de velocidad desde una fuente externa y varía el voltaje y frecuencia aplicado al motor. Debido a que mantiene una relación constante de V/f, el variador puede controlar la velocidad del motor conectado. No es capaz de regular el torque. En la figura 3-11 se muestra el diagrama de bloques del regulador V/f. Típicamente, un bloque limitador de corriente supervisa la corriente del motor y altera el comando de frecuencia cuando el motor excede el valor de corriente predeterminada. El variador sólo trabaja con la corriente total del motor y no puede distinguir los límites de capacidad de I M de I 2 . El pico de torque máximo es de 150%. El bloque “compensación de deslizamiento” altera la referencia de frecuencia cuando la carga cambia para mantener la velocidad actual del motor cerca de la velocidad deseada. Mientras este tipo de control es suficiente para muchas aplicaciones, no lo es tanto cuando se tienen aplicaciones que requieren gran rapidez de respuestas dinámicas, tal como cuando el motor debe trabajar a muy bajas velocidades o aplicaciones que requieren control directo del torque del motor en vez de frecuencia del motor.
Realimentación de Corriente
VRef
Límite de Corriente
fref
VRef V/f
+
Señales Control de a Gate Voltaje
Inversor Motor
+
Frecuencia eléctrica
Compensación de deslizamiento
Cálculo Slip
Figura 3-11
13.3.2. REGULADOR VECTOR BÁSICO.Introducido a mediados de los 80s, este regulador fue un avance significativo sobre el diseño V/Hz. Cada unidad usa un método de aproximación para controlar el ángulo del flujo del rotor-estator para optimizar la operación del motor. Algunos variadores vector tenían la expectativa de tener regulación de velocidad en lazo abierto equivalente a un variador de velocidad DC con realimentación. Muchas unidades no se acercaron a estas expectativas. A pesar de esto el Vector Básico ofrece mejores rendimientos.
13.3.3. REGULADOR SENSORLESS VECTOR.Más recientemente, a mediados de los 90s, fueron introducidos muchos reguladores Vector mejorados. Estos tenían los recientes avances en microprocesadores y DSPs que enriquecieron significativamente las operaciones del variador, incluyendo la capacidad de regulación de respuesta y posición. Una razón para que las capacidades del Vector funcionaran mucho mejor es la habilidad de “ver” la EMF (fuerza contra-electromotriz) producida por el motor, entonces la circuitería ajusta el arranque de cada tren de pulsos PWM y la duración específica de cada pulso. Los variadores Vector se usan en prensas de impresión de alta velocidad, imprentas, bobinadoras y otros sistemas de maquinarias de trabajo coordinado. Los variadores Vector también se usan en sistemas de servo posicionamiento, como en las maquinas ovilladoras. Algunos pueden acelerar desde reposo a velocidad máxima en tiempos de 1 a 200 ms. Con todos estos tipos de variadores, una señal de realimentación de velocidad o posición mejora el trabajo del variador. En la figura 312 se muestra el tipo de regulador indicado, en donde se ha optado por tomar la señal de velocidad del motor mediante una dínamo-
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tacométrica en vez de estimarla con un observador. En cambio el torque generado y la intensidad magnetizante se obtienen del correspondiente observador.
Figura 3-12
13.4. CRITERIOS PARA PUESTA EN MARCHA 13.4.1. COMPROBACIÓN ESTADO ETAPA DE POTENCIA Los variadores de velocidad de motor AC tienen en general la bornera de potencia tal como se indica en la figura 3-13. El primer borne (GND) contado a partir de la izquierda es la “tierra” de la línea de entrada. Los bornes etiquetados como L1 (R), L2 (S) y L3 (T) son los que reciben a la fuente de alimentación VAC de la instalación. El borne +DB, es opcional y sirve para colocar una resistencia externa (proporcionada por el fabricante) que permita el modo de frenado dinámico (Dynamic Brake: DB) del motor. Los bornes U, V, W son la salida trifásica del variador, las que deben conectarse al motor de inducción AC a controlar. Y por último, el borne GND del extremo derecho debe conectarse a la masa del motor. El borne –DC normalmente se encuentra en un lugar cercano a la bornera.
GND
L1
L2
L3
+DB
U
Figura 3-13
V
W
GND
Para efectuar las pruebas de la etapa de potencia, el equipo variador debe estar plenamente desconectado de la alimentación VAC por un tiempo de 3 minutos como mínimo para permitir la descarga del banco de condensadores. Luego de ubicados las borneras de potencia, con ayuda de la figura 3-8 y un voltímetro digital, procedemos a probar los diodos de la etapa rectificadora. Se recomienda usar escala de diodos del multímetro. Los bornes que intervienen en dicha prueba son: L1, L2, L3, +DB y –DB. Verifique el resultado según la tabla 3-2. Cable Rojo
Cable Negro
Resultado
L1
+DC
0,4V aprox.
L2
+DC
0,4V aprox.
L3
+DC
0,4V aprox.
-DC
L1
0,4V aprox.
-DC
L2
0,4V aprox.
-DC
L3
0,4V aprox.
Tabla 3-2
Observe que las otras posibles combinaciones de medida deben dar como resultado la máxima escala “OL” del multímetro. Para probar el estado del Inversor basta con escoger las borneras U, V, W, +DB y –DB; en donde sólo encontraremos lectura de diodos (los diodos Damper de protección), pues los IGBT’s miden máxima escala. Consultar la tabla 3-3 para comprobar el resultado de su medida. Cable Rojo
Cable Negro
Resultado
U
+DC
0,4V aprox.
+DC
0,4V aprox.
+DC
0.4V aprox.
U
0,4V aprox.
V
0,4V aprox.
W
0,4V aprox.
V W -DC -DC -DC
a b l a 3 3
T
Las otras posibles combinaciones de medida deben dar como resultado la máxima escala “OL” del multímetro. La prueba del banco de condensadores se realiza con el multímetro en escala de ohmios observando que el valor de ohmios deba ir aumentando desde un valor mínimo hasta abrirse finalmente.
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Algunos fabricantes dan como información el tiempo de vida de los condensadores. Como por ejemplo el fabricante de variadores marca: MITSUBISHI, informa que sus bancos de condensadores deben ser reemplazados luego de 5 años de uso continuado. Lo recomendable es leer el manual del fabricante para saber cuantos años de vida útil le da al banco de condensadores antes de proceder a su reemplazo. Si los resultados de todas las medidas realizadas son satisfactorias, es decir lectura de los 12 diodos que se encuentran en el rectificador e inversor, se procede con el paso siguiente. 13.4.2. COMPROBACIÓN ESTADO ETAPA DE CONTROL Para proceder a efectuar las pruebas de la etapa de control, se debe haber leído y comprendido la información proporcionada por el fabricante. Los variadores de velocidad de motor AC tienen un panel de programación que sirve además para poder visualizar el parámetro a ajustar. En la figura 3-14 se muestra como ejemplo el panel de programación proporcionado por el fabricante SIEMENS para su variador modelo: MICROMASTER VECTOR.
Figura 3-14
La disposición de cada uno de los bornes correspondientes a la etapa de control se muestra en la figura 3-14.
Figura 3-14
De la figura anterior observamos que la bornera de control es una regleta de 26 bornes, de las cuales el fabricante nos da indicaciones de los pasos a seguir para efectuar las pruebas de funcionamiento. Como ejemplo para el caso del MICROMASTER, el fabricante nos dice que para las pruebas iniciales debemos: 1.- Comprobar si todos los cables se han conectado correctamente y si se han cumplido todas las precauciones de seguridad relativas al equipo. 2.- Aplicar alimentación de la red al convertidor. 3.- Asegurar que el arranque del motor puede realizarse en forma segura. Pulse el botón de MARCHA del variador. La visualización pasará a ser 5,0 Hz y el eje del motor comenzará a girar. El tiempo de aceleración a 5 Hz será de 1 segundo. Obviamente dichos valores de parámetros han sido programados en fábrica (“valores por defecto”) y nosotros podemos cambiarlos luego de asegurarnos que el equipo se encuentra operativo y así adaptarlo a nuestros requerimientos. 4.- Comprobar que el motor gira en la dirección correcta. Pulse el botón de sentido DIRECTO/ INVERSO en caso sea necesario. 5.- Pulsar el botón de PARADA. La visualización pasará a ser 0,0 y el motor comenzara a desacelerar hasta detenerse totalmente en 1 segundo. Como se ha podido apreciar es muy importante que se tengan a la mano los manuales respectivos.
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13.4.3. INSTALACIÓN DEL VARIADOR Para realizar la instalación del variador se deben seguir estrictamente las recomendaciones dadas por el fabricante en el Manual de Instalación respectivo. Cómo ejemplo tenemos la información que proporciona el fabricante del equipo MICROMASTER VECTOR. Ver figura 3-15.
Figura 3-15
La figura 3-16 corresponde a información sobre instalación de un equipo variador de velocidad correspondiente al fabricante AllenBradley, modelo AB-1305.
Figura 3-16
Para proceder al cableado del variador se tiene la figura 3-16 que corresponde al variador MICROMASTER.
13.4.4. PUESTA EN MARCHA
Figura 3-16
Para la puesta en marcha vamos a tomar como ejemplo a dos principales fabricantes de variadores, con los que efectuaremos una comparación de sus principales parámetros. Tales fabricantes son: SIEMENS con su variador modelo: MICROMASTER VECTOR; y ALLEN-BRADLEY con su variador modelo: AB1305 Parámetro Principales.NOMBRE MICROMASTER Voltaje nominal de placa del motor. Frecuencia nominal de placa del motor. Límite de intensidad de corriente del motor. Frecuencia mínima del motor. Frecuencia máxima del motor. Selección del origen para la consigna de frecuencia.
AB1305 Voltaje Base. Frecuencia Base. Límite de corriente. Mínima frecuencia. Máxima Frecuencia. Selección de Frecuencia 1.
DESCRIPCIÓN Valor de voltaje impreso en la placa de datos del motor. Valor de frecuencia impreso en la placa de datos del motor. Es la máxima corriente que podrá recibir el motor. Es la mínima frecuencia que el variador suministra al motor. Es la máxima frecuencia que el variador suministra al motor. Es la frecuencia de comando que el variador va a obedecer. Ver detalles mas adelante.
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Frenado mixto, Frenado por inyección DC, Frenado. Frecuencia de modulación. Frecuencias fijas (Seleccionables por medio de entradas digitales DIN).
Tiempo de aceleración. Tiempo de desaceleración. Salida analógica 1.
Selección de parada.
Este comando selecciona el modo de frenado cuando recibe la señal de parada.
Frecuencia de portadora.
Ajusta la frecuencia de conmutación de los IGBT’s. Valores de frecuencia (8 en Frecuencias preMicromaster y 7 en Allen-Bradley) definidas almacenadas en celdas de (Seleccionables memoria y que pueden ser por medio de seleccionadas como comando entradas digitales según la posición de interruptores SW1, SW2 y SW3) ubicados en bornera de control. Tiempo que tarda el motor en Tiempo de acelerar desde la posición de aceleración 1. reposo hasta la frecuencia máxima ajustada. Tiempo que tarda el motor en Tiempo de desacelerar desde la frecuencia desaceleración. máxima hasta la posición de reposo. Señal de salida proporcional a Salida analógica. algún parámetro elegido por el usuario.
Análisis de algunos parámetros.1. Boost Voltaje.- En la figura 3-11, cuando se alimenta al motor con V/f constante, se observa que existe pérdida de torque a bajas velocidades (frecuencias menores a 15 Hz). Para superar dicho problema se aplica un adicional de voltaje a la relación V/f logrando aumentar la curva de torque correspondiente a dicha región de baja velocidad. Tal técnica se conoce con el nombre de “Peldaño de Voltaje” o dicho en inglés como “Boost Voltaje”. A continuación, en la figura 3-17 se muestra el parámetro “Boost Voltaje” en el equipo Allen-Bradley 1305
Figura 3-17
Se observa que el parámetro “Boost Voltaje” es ajustable según los requerimientos de la carga y sólo tiene preponderancia para bajas velocidades. 2. Slip Compensation.- En la figura 3-11, se observa que existe un bloque de cálculo de deslizamiento (“slip” en inglés), cuya salida se adiciona al valor de referencia de frecuencia. Esto es así porque no se tiene realimentación de velocidad y se sabe que el rotor del motor pierde velocidad conforme la carga se incrementa. Por lo tanto, existe una relación proporcional entre deslizamiento y carga. A mayor carga, mayor deslizamiento y por consiguiente la velocidad del motor disminuye ligeramente respecto de su valor anterior. Lo cual se manifiesta en el variador como si el motor no respondiese al comando de velocidad dado por teclado. En el variador AB1305, se tienen los parámetros “Deslizamiento Nominal” (Rated Slip) y “Compensación Adicional de Aislamiento” (Slip comp. Adder), los que se encargarán de evitar dicha pérdida de velocidad. En el variador MICROMASTER, se tiene el parámetro “Compensación de deslizamiento” que se encarga del problema estudiado. 3. PWM Frequency.- es la “Frecuencia de Modulación” o “Frecuencia de Portadora” y su valor por defecto es de 4 kHz. Este parámetro ajusta la frecuencia de trabajo de los transistores IGBT. La finalidad de ajustar dicho parámetro es: • Trabajo silencioso, entonces se ajusta dicho parámetro a un valor mayor. • Mayor distancia entre el motor y el variador, entonces el valor de dicho parámetro debe ser disminuido. Las consecuencias que tenemos al incrementar la frecuencia de la portadora es: • Incremento de pérdidas en el convertidor, ante lo cual debe aplicarse reducción de potencia en el variador según lo indicado en la figura 3-18. • Incremento de emisiones de interferencia radioeléctrica (RFI).
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Figura 3-18
4. Skip Freq.- Denominada “Frecuencia inhibida” en el variador MICROMASTER y “Salto de frecuencia“ en el AB1305. • Su función es evitar los efectos de resonancia mecánica del sistema para determinadas frecuencias de trabajo del variador. • Se suprimen las frecuencias que entregará el variador al motor, comprendidas dentro del parámetro indicado. Por lo tanto no será posible el funcionamiento estacionario dentro de la gama de frecuencias suprimidas. • Dicho parámetro trabaja conjuntamente con otro que le proporcionará el ancho de la banda de frecuencia prohibida. • Se tiene posibilidad de prohibir hasta tres bandas de frecuencia. 14. EJEMPLOS 14.1. CÁLCULO DEL DESLIZAMIENTO NOMINAL (RATED SLIP) a) Se tiene la siguiente fórmula:
Veloc. Síncrona Motor − Veloc. No min al × (Hz Rated Slip = Veloc. Síncrona Motor
nom
) × Drive Amps nom Amp Motor
5)
nom
(3-
Supongamos que tenemos un variador (Drive) y un motor de inducción con datos de placa: Variador 1 HP, 460 V 2,3 Amps Motor Velocidad síncrona = 1 800 RPM Velocidad nominal = 1 725 RPM Frecuencia nominal = 60 Hz Corriente nominal = 1,7 Amps. ¿Cuánto es el Deslizamiento Nominal? De la fórmula (3-5) se tiene:
1800 − 1725 2,3 Rated Slip = = 3,38 Hz × (60 ) × 1,7 1800 Por lo tanto se ajusta dicho parámetro a un valor de 3,40 Hz. Este parámetro compensa el deslizamiento inherente al interior motor de inducción. Por lo tanto una frecuencia proporcional a la es sumada a la frecuencia comando. Si el eje del motor significativamente ante cargas muy pesadas, entonces dicho valor incrementado. Un ajuste de 0,0 Hz deshabilita la función.
de todo corriente decrece debe ser
14.2. CRITERIOS PARA AJUSTAR EL PARÁMETRO BOOST VOLTAGE El parámetro “Boost Voltaje” tiene aplicación solamente a bajas velocidades. Supongamos que estamos con: • •
• •
•
• •
Frecuencia comando de 40 Hz (valor de referencia) y Frecuencia medida del motor en el panel es 39,8 Hz. Dicha diferencia es aceptable (pues en modo de control V/f no se usa realimentación de velocidad) y da a entender que el parámetro “Slip Compensation” ha sido correctamente ajustado Luego la frecuencia comando se ajusta a 10 Hz y La frecuencia medida en el panel es 7 Hz. Dicha diferencia nos indica que: El motor AC está perdiendo torque. Por dicho motivo se a desacelerado. Lo que debemos hacer es darle inicialmente un valor mínimo de “Boost Voltaje” para que recupere torque a bajas velocidades. Observe los datos en el panel correspondiente a la velocidad medida en el motor. Si dicha velocidad ha subido de 7 a 8,5 Hz, es un buen indicio de que está funcionándole ajuste del parámetro. Incremente ligeramente el valor del parámetro hasta que consiga recuperar la velocidad del motor a un valor muy cercano a los 10 Hz de referencia. Se recomienda revisar si la temperatura en el motor alcanza niveles prohibitivos.
15. RESUMEN Los variadores de velocidad ajustable AC están creciendo en popularidad, principalmente porque los motores AC son más simples que los motores DC. Además, avances recientes en la tecnología de los inversores han reducido los costos del controlador y potenciado el rendimiento y confiabilidad. Los variadores AC operan por ajuste de la frecuencia y voltaje a los motores AC. La frecuencia determina la velocidad del motor. Para mantener constante el torque, es necesario mantener el voltaje y frecuencia en una relación constante. Llamada Voltios por Hertz, es un valor ajustable en la mayoría de los variadores.
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Hay una excepción, voltaje a bajas frecuencias. En dicho rango de variación, el voltaje debe ser incrementado (boosted) para dar al motor torque extra para el rompimiento y aceleración inicial. 16. PREGUNTAS DE AUTOCOMPROBACIÓN 16.1. EL MOTOR DE INDUCCIÓN ES EL MÁS USADO PORQUE: a) Es barato. b) Es robusto. c) No necesita mantenimiento mensual. D) Todas las anteriores. e) N.A. 16.2. EL REGULADOR V/F NO TIENE MUCHA PRECISIÓN AL CONTROLAR LA VELOCIDAD DEL MOTOR AC PORQUE: a) No sensa directamente la corriente I 2 . b) No utiliza realimentación de velocidad. c) Sólo controla torque y no velocidad. d) Respuestas a y b. e) Respuestas a y c. 16.3. EL PARÁMETRO “BOOST VOLTAGE” SE UTILIZA CUANDO: a) El motor trabaja a velocidad mayor que 30 Hz. b) El motor trabajando a 30 Hz tiene una caída de velocidad cuando se le aplica carga a su eje. c) El motor trabajando a 10 Hz tiene una caída de velocidad medida a 7 Hz al aplicarle carga. d) El motor trabajando a 10 Hz no tiene problemas con caída de su velocidad. e) N.A. 16.4. EL PARÁMETRO “SLIP COMP” SE UTILIZA CUANDO: a) El motor trabaja a velocidad mayor que 30 Hz. b) El motor trabajando a 30 Hz tiene una caída de velocidad cuando se le aplica carga a su eje. c) El motor trabajando a 10 Hz no tiene problemas con caída de su velocidad. d) El motor trabajando a 10 Hz tiene una caída de velocidad medida a 7 Hz al aplicarle carga. e) N.A. 16.5. LA ETAPA DE POTENCIA DEL VARIADOR AC ESTA CONFORMADO POR: a) Transistores IGBT.
b) Diodos. c) Condensadores. d) Todas las anteriores. e) N.A. 17. RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE AUTOCOMPROBACIÓN Respuesta Respuesta Respuesta Respuesta Respuesta
6.1: 6.2: 6.3: 6.4: 6.5:
(d) (d) (c) (b) (d)
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UNIDAD IV
Problemas con Variadores Criterios de Instalación y mantenimiento
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Índice Unidad IV: “Instalación y Mantenimiento”
1. 2. 3.
4. 5. 6. 7.
Introducción.................................................................................................... 0 Objetivos ........................................................................................................ 0 Contenido de la unidad IV ................................................................................ 0 3.1. Instalación.............................................................................................. 2 3.1.1. Criterios de instalación .................................................................. 5 3.1.2. Instalación de un variador DC ........................................................ 9 3.1.3. Instalacion de un variador AC ...................................................... 16 3.2. Mantenimiento ...................................................................................... 19 3.2.1. Criterios de mantenimiento.......................................................... 19 Ejemplos....................................................................................................... 20 Resumen ...................................................................................................... 31 Preguntas de autocomprobación ..................................................................... 22 Respuestas a las preguntas de autocomprobación ............................................ 23
Anexo IV
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UNIDAD IV
“INSTALACIÓN Y MANTENIMIENTO” 18. INTRODUCCIÓN El personal encargado de la instalación y mantenimiento de todo tipo de equipos electrónicos, en especial los de potencia, deben estar capacitados para desempeñar su labor en forma eficiente y con pleno conocimiento del funcionamiento de los equipos que están manipulando. Por lo tanto, es muy importante que comprendan, por ejemplo, los tipos de dispositivos electrónicos de potencia que conforman cada uno de los variadores, la velocidad a la cual trabajan, las formas de onda de salida que están enviando a los motores, la variación del factor de potencia que ocasionan en la planta, la generación de armónico, los ruidos RFI, acoples magnéticos, etc., con la finalidad de que al momento de efectuar la instalación no causen problemas a otros equipos electrónicos montados alrededor. 19. OBJETIVOS El objetivo de esta unidad es diferenciar los problemas inherentes que tienen cada uno de los variadores estudiados, identificar el tipo de falla que presentan u ocasionan a su medio ambiente y aplicar técnicas de solución para superar los problemas que encuentren al frente. 20. CONTENIDO DE LA UNIDAD IV 20.1. INSTALACIÓN Primero estudiaremos algunos conceptos que los fabricantes de variadores utilizan para poder efectuar la instalación de sus equipos sin inconvenientes. Luego analizaremos el modo de instalar cada tipo de variador DC y AC, para lo cual recurriremos a las propias fuentes de los principales fabricantes. 20.1.1. CRITERIOS DE INSTALACIÓN Los fabricantes de equipos variadores de Velocidad y motores AC son los más indicados para dar las pautas sobre los métodos de instalación a usar con sus equipos. Es por esto que tiene una importancia fundamental el usar los manuales de instalación y mantenimiento proporcionados por dichos proveedores. 1. Impedancia de Línea Los fabricantes de los equipos variadores de velocidad son muy exigentes en cuanto a la calidad de energía de alimentación que recibirán sus equipos. La impedancia de línea es uno de los parámetros que proporciona información sobre la calidad de toda fuente de alimentación.
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Índice La impedancia de entrada de las líneas de energía eléctrica puede determinarse de dos maneras: a). Mida el voltaje entre fases (línea a línea) en el motor sin carga (en vacío) y con plena carga nominal. Utilice estos valores medidos para calcular la impedancia como sigue:
% Im pedancia =
(Volts
SIN CARGA
− Volts
Volts
PLENA CARGA
) × 100
(4-1)
SIN CARGA
b). Calcule la capacidad de corriente de cortocircuito de la línea de energía eléctrica. Si tal capacidad excede los valores publicados de corriente de cortocircuito máxima para el control, deberá instalarse un reactor de línea. A continuación se proporcionan dos métodos para calcular la capacidad de corriente de cortocircuito: Método 1 Calcula la corriente de corto circuito:
I SC =
(KVAXFMR × 1000 × 100)
(%Z
XFMR
× VL − L × 3
(4-2)
)
Ejemplo: Transformador de 50KVA con 2,75% impedancia @ 460VCA
I SC =
(50 × 1000 × 100) = 2282 Amps
(2,75 × 460 × 3 )
Método 2 Paso 1: Calcular KVA de corto-circuito:
KVASC =
(KVAXFMR ) =
% Z XFMR 100
50 = 1818,2 KVA 0,0275
(4-3)
Paso 2: Calcular corto-circuito de corriente:
KVASC × 1000 1818,2 × 1000 = I SC = × V 3 460 × 3 L−L
(4-4)
donde:: KVAXFMR = KVA del transformador Isc = corriente de cortocircuito Z XFMR = impedancia del transformador V L-L = Voltios de entrada medidos entre fases (línea a línea) 2. Selección del Motor El rendimiento del motor se ve afectada por el variador que va a ser usado como su fuente de alimentación. Por lo tanto, es importante seleccionar
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juntos el variador y motor. El rendimiento del motor se basa en la capacidad del variador a ser usado y la capacidad del variador se basa en la corriente que consume el motor. Analice el perfil de la máquina y el proceso. Determine dónde ocurren los mayores requerimientos de torque. La magnitud de dicho torque, será usado para definir el mínimo tamaño de motor requerido. Ver figura 4-1, donde se muestra la relación que existe entre la potencia y torque de un conjunto de motores AC vs. la frecuencia de la onda de control.
Figura 4-1
Se observa que para frecuencia mayores a 60 Hz, los motores pierden torque. También para frecuencias menores a 7 Hz el fabricante del motor no ha especificado si el torque se mantiene, siendo más probable que su valor tenga un decaimiento. Al final de la presente unidad en la sección ejemplos, se tiene una aplicación práctica para determinar el tamaño del variador y motor en una aplicación sobre faja transportadora (conveyor). 3. Consideraciones Térmicas Tanto las máquinas eléctricas como los variadores de velocidad son equipos que controlan gran cantidad de energía y por lo tanto deben estar lo suficientemente protegidos contra excesos de temperatura. Por ejemplo, se da por descontado el uso de sistemas de ventilación forzada tanto para el motor como para el variador, así también la ubicación de la instalación debe estar en un lugar fresco y seco. Como medida de seguridad se recomienda instalar un mecanismo que impida el funcionamiento del variador si es que el sistema de ventilación forzada ha detenido su trabajo. En la actualidad los motores que trabajan con variadores tienen una protección térmica entre sus bobinados, el cual es un termostato con sus contactos normalmente cerrados.
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Índice Los cables del termostato reciben el nombre de P1 y P2. Normalmente dichos cables se instalan en la bornera de control que corresponde al “Reset” del variador. Cuando existe una condición de sobrecarga o sobretemperatura, el termostato abre sus contactos, lo que obligará al variador a detener su funcionamiento. De igual forma los variadores tienen un termostato ubicado en contacto con su disipador de calor, el cual cuando detecta sobre-temperatura inhibirá su funcionamiento. 4. Consideraciones sobre el cableado El control CC está auto-protegido contra los transitorios y los impulsos de sobre-tensión normales de la línea de CA. Quizás se requiera protección externa adicional si hay transitorios de alta energía presentes en la fuente de alimentación de potencia entrante. Estos transitorios pueden ser causados por compartir una fuente de alimentación con equipos de soldadura por arco, por el arranque directo (a través de la línea) de motores grandes o por otros equipos industriales que requieran sobre-corrientes transitorias elevadas. Para evitar los daños ocasionados por perturbaciones en la fuente de potencia, deberá considerarse lo siguiente: a) Conecte el control a una línea alimentadora separada de las que abastecen grandes cargas inductivas. b) Alimente potencia al control a través de un transformador de aislamiento dimensionado correctamente. Al usar un transformador de aislamiento para alimentar el control, deberá siempre desconectarse y conectarse (conmutar en “off” y “on”) la potencia entre el secundario del transformador y la entrada del control para evitar que se produzcan impulsos (puntas) en el control al quitarse la potencia del lado primario. Todo el cableado de señales externo al control CC deberá instalarse en un conducto separado del resto del cableado. Se recomienda usar cables blindados (apantallados) de pares retorcidos (trenzados) para todo el cableado de señales. La pantalla del cableado del control deberá conectarse únicamente a tierra analógica del control CC. El otro extremo de la pantalla deberá asegurarse con cinta adhesiva a la chaqueta del cable para evitar que se produzcan cortocircuitos eléctricos. Los cables del campo e inducido del motor pueden instalarse juntos en mismo un conducto, cumpliendo con NEC y con los códigos y procedimientos eléctricos locales. 5.-Efecto de los transistores IGBT La introducción de los IGBTs en los variadores de frecuencia a incrementado la preocupación del impacto de dichos semiconductores en la vida del motor, sobre todo en lo concerniente a su aislamiento. Cualesquiera dos cables tienen algo de capacitancia e inductancia. Cuando la corriente fluye a través del cable, se produce un campo magnético cerca a
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los conductores y cuando la corriente cambia, el cambio en el campo magnético produce una fuerza contra electromotriz de retorno en el cable. La capacitancia e inductancia son proporcionales a la longitud del cable. Siendo Z la impedancia característica de la línea ( Zα L
C
),y siendo R la
resistencia de la carga, a menos que R y Z sean iguales, habrá una onda reflejada en la línea y algo de la potencia incidente en R será reflejada de retorno hacia la fuente. La magnitud resultante de la onda reflejada puede ser dos veces la amplitud del voltaje pico. En un variador de frecuencia, la magnitud del voltaje pico es igual al voltaje del bus DC. La velocidad de la onda reflejada, es también dependiente de la impedancia del cable. La velocidad de cambio dv
dt
de la fuente de voltaje, es usada
para determinar a que distancia de la fuente la onda reflejada será completamente desarrollada. Ver figura 4-2.
Figura 4-2
Las inquietudes que algunos expresan sobre el uso de inversores con IGBTs son: a) El IGBT tiene características de conmutación dv/dt (menor tiempo de encendido), mayores que los dispositivos bipolares estándar, incrementando la velocidad de la onda reflejada. b) La mayor velocidad de conmutación permite mayores frecuencias de portadora el cual incrementa la capacitancia del cable. c) Ambos implican una menor distancia al cual la onda reflejada tiene su máxima amplitud y, por lo tanto, una menor longitud de cable para inversores basados en IGBTs. El resultado es que un voltaje doble al bus DC puede ser aplicado a través de los bobinados del motor, causando falla prematura.
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Índice d) Asumiendo que, en una instalación típica, las impedancias del motor y el cable no son iguales, entonces ocurrirá un voltaje reflejado. Luego, siempre habrá voltaje reflejado así se usen inversores con IGBT, BJT o GTO. Los fabricantes de motores que tienen experiencia en la aplicación de inversores, tienen las siguientes consideraciones: 1.- Las fallas en los motores o la disminución de la expectativa de vida en los motores son asociados con su uso en inversores. 2.- Los requerimientos de aislamiento requeridos para los motores es dos veces el voltaje nominal más 1 000 voltios. Esto es para protegerlos contra las ondas reflejadas. 3.- Los motores más pequeños y baratos, tienen menores factores de seguridad y por lo tanto son más factibles de daño. Los criterios de diseño para que los motores tengan mayores expectativas de vida son: A.-Bobinado. B.-Aislamiento. Conclusiones: 1.- No existe indicadores que sostengan que la introducción de inversores con IGBT han incrementado las fallas en los motores. 2.- Cualquier falla anticipada puede ocurrir con diversos diseños de inversor incluyendo BJT y GTO. 3.- Se deben usar motores de calidad (los Inverter Duty Motors) para todas las aplicaciones y limitar la longitud del cable de alimentación cuando sea posible. 4.- Siempre que sea posible, todos los conductores del motor, incluyendo el conductor de tierra, debe estar contenida en un conductor de metal. 6.- Corriente de sobre-carga Es el nivel (150% del valor nominal) al cual el control automáticamente reduce la velocidad del motor debido a una condición de sobre-carga reduciendo voltaje y frecuencia hasta que la condición sea levantada. La relación entre sobre-carga y el tiempo es una función inversa. Si la sobrecarga es continua, el límite es 105% aproximadamente. En aplicaciones múltiples donde uno o más de los motores arrancan a través de la línea, el controlador debe ser dimensionado para el peor caso: condición marcha +arranque, donde se tiene en cuenta la corriente de rotor bloqueado del motor a ser arrancado. El control debe ser dimensionado para que no indique falla por límite de corriente.
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7. Líneas de baja impedancia La figura 4-3 muestra un escenario que se puede dar ocasionalmente. Un equipo variador se encuentra instalado muy cerca del suministro principal de energía o un banco de corrección de factor de potencia. Debido a la proximidad, el variador podría experimentar fallas en sus puentes de diodos pues esta siendo vinculado a la línea de baja impedancia. Los semiconductores de potencia pueden fallar por el excesivo di/dt de la corriente. La característica de trabajo de los variadores les permiten operar en condiciones normales de alimentación y a cierta distancia de la barra principal de alimentación y así suministrarse suficiente impedancia para su operación segura.
Figura 4-3
Una forma de solución para el problema mostrado en la figura 4-3, es aumentar la impedancia de línea hacia el variador. Dicho objetivo se cumple con adicionar un transformador de aislamiento, tal como se muestra en la figura 4-4.
Figura 4-4
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8. Líneas de alta impedancia La figura 4-5 presenta un caso contrario al anterior. Aquí la fuente de alimentación se encuentra alejada o con falsos contactos en sus empalmes que, al momento de trabajar el equipo se tienen caídas de voltaje que no sostienen el funcionamiento del variador.
Figura 4-5
9. Distancia entre variador y motor AC Los fabricantes especifican la distancia máxima que deben tener el variador y el motor AC. A veces debido a la aplicación, no es posible respetar dicha distancia y nos vemos en la necesidad de trabajar a distancias mayores. ¿Existe solución para el problema en cuestión?. La respuesta es sí. Los mismos fabricantes nos suministran los dispositivos necesarios para lograr mayores distancias. Una de las soluciones se presentan en la figura 4-6.
Figura 4-6
20.1.2. INSTALACIÓN DE UN VARIADOR DC A continuación presentamos algunas informaciones de fabricantes de equipos variadores para motor DC.
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VARIADOR DIGITAL DE VELOCIDAD DE MOTOR DC La presente información es un resumen del manual de instalación y operación del variador de velocidad de motor DC, marca: Allen Bradley, modelo: 1395. CARACTERÍSTICAS NOMINALES: Las características del equipo que tenemos en el laboratorio 710 (voltaje de entrada de 460 VAC estándar) son las siguientes: CAT: 1395-B67-C1-P10-P51-X1, lo cual se detalla; • 1395 nos indica el número de Boletín Técnico redactado por el fabricante. • B67 nos dice que es un variador del tipo regenerativo de 10HP. • C1 nos informa que el contactor es estándar y soporta hasta 30HP. • P10 nos dice que incluye una tarjeta adaptadora discreta de 115VAC en el puerto A. • P51 nos dice que tiene una tarjeta adaptadora de multi-comunicación en el puerto B. • X1 indica que disponemos de contactos auxiliares (1 NA y 1 NC). DESCRIPCION DEL HARDWARE: La figura 4-7 nos presenta una visión del hardware asociado al equipo.
Figura 4-7
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Índice Componentes del puente de armadura: En las figuras 4-8 y 4-9 se observan los componentes usados, los cuales describimos a continuación. Reactor de línea AC.- Es usado para proteger el puente de potencia contra cambios bruscos de corriente (di/dt). Si se usa un transformador de aislamiento de relación unitaria, no se requiere el uso de dicho reactor. Se tienen fusibles de acción rápida F1, F2 y F3 para proteger a los semiconductores de potencia. Sincronización.- La línea trifásica alimenta directamente a la tarjeta de potencia, la cual es escalada y usada para sincronizar el trabajo de los semiconductores de potencia. Realimentación de corriente AC.- Los transformadores de corriente ACT1 y ACT2 se usan para suministrar información de corriente de realimentación a la tarjeta PSI/Switcher. Dicha tarjeta rectifica y escala a un voltaje DC que representa a la corriente de realimentación. Luego esta señal es enviada a la tarjeta principal de control. Supresores de pico.- Los supresores de pico MOV1 a MOV4 en la tarjeta de potencia protegen al puente de armadura contra picos de voltaje de la línea. Encapsulado SCR.- Consiste en dos SCR por módulo. Transformadores de pulsos.- Instalados en la tarjeta de potencia suministran los pulsos de disparo aislados al gate de cada SCR. Protección contra voltajes transitorios.- Las redes RC instalados en la tarjeta de potencia protegen a los SCR contra transitorios de voltaje (dv/dt). Sensor de corriente DC.- Un sensor de sobre-corriente DC es suministrado usando el transductor TD1. Contactor DC.- La salida del puente de armadura se conecta al motor por medio del contactor principal M1. La bobina es de 115VAC y se controla por el relay piloto K3 (en la tarjeta PSI/Switcher) por medio de la bornera TB2-2 y TB2-3. Conexiones de salida del puente.- Nombrados A1 y A2 se conectan a la armadura del motor. Si se usa frenado dinámico, se conecta un banco de resistencias de frenado en los terminales DB1 y DB2.
Figura 4-8
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Figura 4-9
Vista del funcionamiento.La figura 4-10 nos muestra una presentación de la mayoría de bloques asociados con las funciones de control. Las funciones de control en el 1395 pueden ser ejecutadas a través del uso de parámetros los cuales son cambiados con el Terminal de Programación. A continuación tenemos una breve descripción de cada bloque.
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Figura 4-10
Control de comunicación.- Controla todas las transferencias de datos. El terminal de programación se comunica con el variador por medio de un enlace de comunicación serial RS-422. Dos puertos de comunicación A y B están disponibles. Control lógico del variador.- Controla el estado de operación del variador en respuesta a la lógica de comando de entrada. La selección de varios parámetros de referencia (por ejemplo: referencia de velocidad) y modos de control (por ejm. Droop), son ejecutados en este bloque. También observa las condiciones de operación presente y suministra dicha información como realimentación hacia dispositivos externos de control. Selección de referencia de velocidad.- Se tienen 05 velocidades predefinidas de referencia almacenadas en los parámetros del variador. Adicionalmente, una referencia externa de velocidad y uno de dos entradas Jog pueden ser seleccionadas como la referencia de velocidad. El bloque de selección de referencia de velocidad usa información proveniente de la lógica de control del variador para determinar cual de las referencias serán usadas como la entrada hacia el control de velocidad. La referencia seleccionada
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ingresa a una rampa antes de ser enviada como entrada de referencia de velocidad al Control de Velocidad. Selección de realimentación de velocidad.- Se pueden usar uno de tres medios de realimentación de velocidad. El voltaje de armadura es observado constantemente por el variador y puede ser usado como realimentación. El Hardware para comunicar la información de velocidad con un encoder digital es suministrado como estándar. Si se usa un tacogenerador DC como realimentación de velocidad, el variador debe ser equipado con la tarjeta adaptadora discreta conectada al puerto A. Control de velocidad.- Compara la velocidad de referencia con la velocidad de realimentación para determinar el error de velocidad. Selección de referencia de torque.- El variador 1395 puede operar como regulador de velocidad o regulador de torque y por lo tanto tiene la capacidad de aceptar una velocidad de referencia o torque de referencia. El bloque selección de torque de referencia permite operar como variador de torque regulado y aún tener operativo el control de velocidad. En este caso, el variador puede recibir al mismo tiempo las referencias de velocidad y torque. Control de corriente de armadura.- La referencia de corriente de armadura es comparada con la realimentación de corriente de armadura proveniente de transformadores de corriente. El bloque control de corriente de armadura produce una referencia de voltaje el cual es aplicado al bloque sincronismo de armadura y lógica de disparo. Sincronismo de armadura y lógica de disparo.- La salida de referencia de voltaje del bloque anterior es convertida a referencia de ángulo de fase y luego a referencia de tiempo para ser enviada como control de los SCRs del puente de armadura. Control de flujo de campo.- Utiliza la referencia de flujo de campo desde el control de velocidad para desarrollar una referencia de corriente de campo. Dicha referencia es luego comparada con la realimentación de corriente de campo proveniente de los transformadores de corriente de la línea AC del campo. El error entre la referencia de la corriente de campo y la realimentación produce un ángulo de disparo el cual es enviado a la lógica de disparo y sincronismo de campo. Sincronismo del campo y lógica de disparo.- La salida del ángulo de fase desde el control de corriente de campo es convertida a una referencia de tiempo el cual es sincronizado a la señal de sincronismo de línea desde el sincronismo de armadura y la lógica de disparo para producir los pulsos de disparo de compuerta hacia los SCRs. A continuación tenemos algunas sugerencias a tener en cuenta en el momento de instalar un variador de velocidad de motor DC: Aviso de Seguridad ¡Este equipo maneja tensiones que pueden llegar a los 600 voltios! El choque eléctrico puede causar lesiones serias o mortales. Únicamente el
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Índice personal calificado deberá realizar los procedimientos de arranque o el diagnóstico de fallas en este equipo. Este equipo puede estar conectado a otras máquinas que tienen partes (piezas) rotativas (giratorias) o partes que están impulsadas por el equipo mismo. El uso indebido puede ocasionar lesiones serias o mortales. Únicamente el personal calificado deberá realizar los procedimientos de arranque o el diagnóstico de fallas en este equipo. ADVERTENCIA: No toque ninguna tarjeta (placa) de circuito, dispositivo de potencia o conexión eléctrica sin antes asegurarse que la alimentación haya sido desconectada y que no hayan altos voltajes presentes en este equipo o en otros equipos al que esté conectado. El choque eléctrico puede ocasionar lesiones serias o mortales. Únicamente el personal calificado deberá realizar los procedimientos de arranque o el diagnóstico de fallas en este equipo. ADVERTENCIA: Esta unidad tiene una característica de reiniciación automática que arranca el motor toda vez que se alimenta potencia de entrada y se emite un mando de RUN (FWD o REV). Si una reiniciación automática del motor pudiera resultar en lesiones a personas, deberá inhabilitarse la característica de reiniciación automática cambiando a Manual el parámetro Restart Auto/Man del bloque de Misceláneos, Nivel 2. ADVERTENCIA: Asegúrese de familiarizarse completamente con la operación segura de este equipo. Este equipo puede estar conectado a otras máquinas que tienen partes rotativas o partes que están controladas por el mismo equipo. El uso indebido puede ocasionar lesiones serias o mortales. Únicamente el personal calificado deberá realizar los procedimientos de arranque o el diagnóstico de fallas en este equipo. ADVERTENCIA: Asegúrese que el sistema está debidamente puesto a tierra antes de aplicarle potencia. No debe alimentarse potencia CA sin antes confirmar que se han cumplido todas las instrucciones sobre puesta a tierra. El choque eléctrico puede ocasionar lesiones serias o mortales. ADVERTENCIA: No quite la tapa antes de que haya transcurrido un mínimo de cinco (5) minutos tras desconectar la alimentación de CA, para permitir que se descarguen los capacitores. Hay presencia de voltajes peligrosos en el interior del equipo. El choque eléctrico puede ocasionar lesiones serias o mortales. ADVERTENCIA: La operación incorrecta del control puede ocasionar un movimiento violento del eje (flecha) del motor y del equipo impulsado. Asegúrese que un movimiento inesperado del eje del motor no vaya a provocar lesiones a personas ni daños al equipo. Algunos modos de falla del control pueden producir pares de pico (punta) que son varias veces mayores que el par nominal del motor. ADVERTENCIA: En el circuito del motor puede haber alto voltaje presente toda vez que se aplique potencia CA, aún si el motor no se encuentra rotando. El choque eléctrico puede ocasionar lesiones serias o mortales.
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20.1.3. INSTALACIÓN DE UN VARIADOR AC Tenemos a continuación información técnica correspondiente al variador de Velocidad de motor AC marca: MICROMASTER VECTOR del fabricante SIEMENS. MICROMASTER Vector 6SE32 / MIDMASTER Vector 6SE32 Control de velocidad V/F de bucle abierto para uno o varios motores asíncronos, síncronos o de reluctancia Frecuencia de salida entre 0 – 650 Hz (400 Hz para 6SE92) con resolución de hasta 0,01 Hz. Sobrecarga de par de hasta el 50% como porcentaje de la intensidad de salida nominal durante 60s. Controlador PID integrado, para p. ej., control de presión o temperatura. Interface serie RS485. Control para freno externo. Rearranque volante para el control de motores girando. Rearranque automático para el arranque tras desconexión accidental o fallo. Ajuste flexible de la consigna de frecuencia mediante frecuencias fijas, entrada analógica, potenciómetro motorizado o interface serie. Control flexible de las maniobras a través del panel frontal, entradas digitales o interface serie. Freno de corriente continua configurable. Frenado compuesto para el control dinámico de la frenada sin necesidad de elementos externos. Consignas de velocidad aditivas por entrada análoga y consignas de velocidad digitales /de frecuencia fija y control desde distintos orígenes. Generador rampa programable (0 – 650s) con capacidad de suavización de curvas. 8 frecuencias fijas configurables (7 para 6SE92). 4 bandas de frecuencia inhibidas para la supresión de resonancias. Filtro EMC estándar incorporado para el cumplimiento de la normativa EN55011 Clase A en unidades monofásicas.
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Índice Funciones adicionales en la serie 6SE32 Sensorless Vector Control para la mejora de las características dinámicas de los motores asíncronos normalizados. 100% de sobrecarga como porcentaje de la intensidad nominal durante 3 segundos. Módulo de frenado integrado (MICROMASTER Vector).
con ciclos
de frenado
configurables
Opciones Filtro contra radiointerferencias tipo “footprint” para 208 – 240V / 380 500V, EN 55011 que cumple con clase A o B (MICROMASTER y MICROMASTER Vector). Filtro contra radiointerferencias externo para 208 – 240 V/380 – 500 V - EN 55011 que cumple con clase A o B (MIDIMASTER Vector). Bobinas de conmutación. Resistencias de frenado (MICROMASTER Vector, MIDIMASTER Vector). Unidades de frenado (MIDIMASTER Vector). Filtros de salida dV/dt. Bobinas de salida. Software de programación SIMOVIS para la programación y puesta en marcha en entornos WINDOWS 95 o WINDOWS NT. Módulo PROFIBUS CB15. Módulo CAN Bus, que soporta el protocolo CAN OPEN. Sensorless Vector Control La mayoría de las aplicaciones no necesitan ni pueden justificar el costo adicional de un encoder para que un convertidor simule la función del encoder, un algoritmo por software, necesita calcular rápidamente la posición del rotor y verificar, utilizando un modelo matemático, las características fundamentales del motor. Para hacer esto el convertidor debe: Monitorizar la tensión la y intensidad de salida muy rápidamente. Calcular los parámetros del motor (resistencia de estator y rotor, inductancia de aislamiento, etc.). Calcular muy rápidamente las características del modelo térmico del motor. Introducir los parámetros del motor en las condiciones nominales de trabajo. Tener una capacidad de cálculo matemático muy rápido. Esto se hace gracias a un circuito integrado diseñado a medida para esta aplicación (ASIC);
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El Procesador en punto flotante. (F² P² ). SIEMENS, pionera en esta tecnología, ha introducido dentro de un producto estándar, casi toda la funcionalidad del control vectorial a lazo cerrado sin la necesidad de encoder. Esto ha sido conseguido a través del uso del Procesador en punto flotante, que realiza los millones de cálculos por segundo necesarios para las exigentes condiciones de funcionalidad. Como resultado, el par se incrementa como mínimo hasta el 150% a 0,5 Hz y hasta el 200% a 2,5 Hz, manteniendo el nivel de prestación sobre todo el rango de temperatura gracias al modelo térmico matemático adaptativo del motor. La serie completa MICRO/MIDIMASTER Vector ofrece una capacidad de sobrecarga de hasta el 200% durante 3 segundos, haciéndolos particularmente adecuados para las duras aplicaciones en grúas o elevadores. El cálculo de las constantes del motor no es necesario ya que esto se hace automáticamente, dejando al usuario un único parámetro de ganancia para el ajuste fino de determinadas aplicaciones de inercia y que, en la mayoría de los casos, se puede dejar en el ajuste de fábrica. Procesador en punto flotante El Sensorless Vector Control es un proceso de control en tiempo real de una gran complejidad que se puede implementar gracias a la utilización de procesadores DSP, procesadores RISC o múltiples microprocesadores. La solución de SIEMENS ajusta el consumo de tiempo del microprocesador e incluye procesadores matemáticos en punto flotante hechos a medida para la aplicación (ASIC). La capacidad de punto flotante significa que las ecuaciones del control son implementadas sin pasos intermedios de reescalado. Con este sistema se evitan desbordamientos aritméticos, con la misma velocidad de cálculo. El resultado final es un producto sencillo con excelentes prestaciones. El procesador en punto flotante es implementado usando enteramente lógica combinatoria, pero es más, el término “Flash Floating Point Processor” significa niveles de prestación hasta los 3 Mflops. Los algoritmos utilizados en los MICRO/MIDIMASTER Vector son idénticos a los utilizados en nuestros reconocidos equipos MASTERDRIVE. Beneficios del Sensorless Vector Control Excelente control de la velocidad con ajuste automático del deslizamiento. Alto par a baja velocidad sin necesidad de aplicar excesiva componente de continua (boost). ajas B pérdidas, alto rendimiento. Características dinámicas mejoradas - mejor respuesta ante los cambios de carga. Operaciones estables con grandes motores. Mejores características en la limitación de intensidad con mejoras del control del deslizamiento.
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20.2. MANTENIMIENTO 20.2.1. CRITERIOS DE MANTENIMIENTO En la presente parte vamos a proporcionar información sobre algunas buenas costumbres que deben tener el personal de mantenimiento para lograr a satisfacción su labor. ¿Porqué se gastan las escobillas en un motor DC? El uso de las escobillas de carbón es el resultado de la fricción mecánica y la erosión eléctrica. La fricción produce polvo de carbón; el resultado de la erosión eléctrica es la vaporización del carbón con un pequeño residuo físico. La fricción: El carbón y la barra de cobre tiene un alto coeficiente de fricción. Para que el coeficiente de fricción sea pequeño, el conmutador debe tener una buena película. La erosion: Puede ser el resultado de impropia película en el conmutador. ¿Qué es una buena película de conmutador? Cuando la corriente eléctrica pasa por el carbón y la barra de cobre en presencia de vapor de agua, se forma una capa microscópica o película alrededor del conmutador. Una buena película es color marrón oscuro, bronce quemado o marrón chocolate. Consulte con un cartilla de colores de conmutador para saber la condición de su conmutador. ¿Qué hacer si deseo instalar un variador de motor AC luego de... a) almacenado por un periodo menor a 1 año? No necesita ninguna modificación o prueba especial. b) almacenado por un periodo entre 1 a 2 años? Aplicar potencia al variador una hora antes de dar el comando de arranque (tiempo de carga 1 hora). c) almacenado por un periodo entre 2 a 3 años? Usar una fuente de alimentación AC. Aplicar el 25% de la tensión de entrada durante 30 minutos. Incrementar la tensión al 50% durante 30 minutos más. Incrementar tensión hasta el 75% durante 30 minutos más. Incrementar la tensión hasta el 100% durante 30 minutos más. El convertidor estará listo para funcionar (tiempo de carga 2 horas). d) almacenado por un periodo entre 3 a más años? Proceder como el caso anterior pero los periodos deben ser de 2 horas (tiempo de carga 8 horas). Ubicación física del variador La ubicación del control 19H es muy importante. Deberá instalarse en un lugar protegido contra la exposición directa a la luz solar, las substancias corrosivas, los gases o líquidos nocivos, el polvo, las partículas metálicas y la vibración. La exposición a estos elementos puede reducir la vida útil y degradar el rendimiento del control.
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Hay varios otros factores que deberán evaluarse cuidadosamente al seleccionar el lugar de instalación: 1. Para lograr eficacia en el enfriamiento (disipación térmica) y el mantenimiento, el control deberá montarse verticalmente en una superficie vertical plana, lisa y no inflamable. Cuando el control está montado en un gabinete, use la información sobre pérdida de watts provista en la Tabla 2-1 de manera de proporcionar el enfriamiento y la ventilación adecuada (4 watts por amperio de salida continua). 2. Para que haya una adecuada circulación de aire, se deberá dejar un espacio libre de 5 cm (dos pulgadas) como mínimo alrededor del control. 3. Deberá contarse con acceso frontal para poder abrir la tapa del control o sacarla para efectuar servicio y para permitir ver el display (visualizador) del teclado. (El teclado puede, como opción, montarse en forma remota a una distancia de hasta 30 metros [100 pies] del control). Los controles que se instalen en un gabinete montado sobre el suelo deberán ubicarse dejando espacio libre para poder abrir la puerta del gabinete. Este espacio permitirá también contar con suficiente circulación de aire para enfriamiento. 4. Reducción de capacidad por altitud. Hasta 1 000 metros (3 300 pies) no se requiere hacer reducción. A más de 1 000 metros, reduzca la corriente continua y pico de salida en un 2% por cada 305 m (1 000 pies). 5. Temperature derating. Reducción de capacidad por temperatura. Hasta 40C no se requiere hacer reducción. A más de 40 C, reduzca la corriente continua y pico de salida en un 2% por cada C. La máxima temperatura ambiente es de 55 °C. 21. EJEMPLOS La aplicación es una faja transportadora que arranca totalmente cargada en una planta de procesadora de alimentos. Grandes container de productos son dejados caer sobre la faja cada 5 segundos. El motor usado es de 5 HP, trifásico, 4 polos, de 7 amperios a plena carga, diseño NEMA B operando con voltaje de alimentación de 460 VAC. El motor consume 5 A rms durante la operación y tiene 10 A rms pico. El usuario esta contento con la operación de la faja transportadora, pero desea reducir la velocidad debido a que el proceso siguiente no puede ser mantenido. La corriente durante el ciclo de arranque es 7 A rms. El rango de velocidad esperado es de 5 a 1. PASO 1. Determine el perfil de carga de la máquina. Respuesta: La aplicación es una faja transportadora el cual es una carga tipo fricción. Esta cae dentro del tipo de carga de torque constante. PASO 2. Determine donde ocurre la máxima demanda de torque. Respuesta: Típicamente, el torque máximo de la faja transportadora que arranca cargada es el punto “brek-away”, pero viendo el ejemplo observamos que la corriente de arranque es menor que los picos momentáneos. Esto es indicativo de cargas tipo shock, que tienen
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que ser considerados para prevenir las sobrecargas en el variador y el recalentamiento en el motor. PASO 3. Determine la amplitud aproximada, duración y frecuencia del máximo torque. Respuesta: Cuando un variador es usado para alimentar a un motor AC trifásico, es aceptable decir que el torque del motor es aproximadamente igual a la corriente del motor. La corriente del motor durante la carga pico es 10 Amps rms. La corriente nominal de placa es 7 Amps rms, entonces se puede decir que la amplitud del torque es 10/7 x 100%= 143% que el torque del motor a plena carga. La duración del torque no es dato, pero podría ocurrir cada 5 segundos. Resumiendo lo conseguido hasta el momento: • Es una faja transportadora con perfil de carga de corriente constante. • La demanda máxima de torque es 143% de plena carga, es decir aproximadamente 5 x 3,0 lb-ft x 1,43 = 21,5 lb-ft de torque. Este torque ocurre aproximadamente cada 5 segundos. PASO 4. Asumiendo que el variador puede suministrar 150% de sobrecarga de corriente al motor, podemos calcular el máximo torque para un minuto y para torque continuo. Respuesta: El torque de plena carga presente y disponible es de 15 lb-ft. El torque máximo por un minuto será aproximadamente 150% de 15 lb-ft, es decir 22,5 lb-ft. PASO 5. Compare el torque máximo del motor cuando es operado por el variador (PASO 4) con el requerimiento de máximo torque en el PASO 3. Respuesta: Para el torque estudiado observamos que el torque del motor excede los requerimientos de torque de la máquina. El tamaño mínimo de motor permitido es 5 HP. PASO 6. Determine el rango de velocidad deseado. Respuesta.- De la información aprovechable, se observa que el cliente desea un rango de velocidad de 5 a 1. La velocidad base es 1 800 RPM con un deslizamiento aproximado de 1 750 RPM a 60 Hz. 1750/5 = 350 RPM Por lo tanto
1750/60 = 29,17 RPM/Hz 350/29,17 = 11,99 Hz
Usando el motor existente se requiere una frecuencia de operación de 11,9 Hz para la velocidad mínima y 60 Hz para la velocidad máxima. El rango de velocidad para el motor será de 350 RPM a 1 750 RPM y el rango de frecuencia del variador será de 11,9 Hz a 60 Hz. PASO 7. El ciclo de trabajo del sistema debe ser evaluado para determinar el tamaño del motor. Respuesta: El ciclo de trabajo del motor no es estable. (El ciclo de trabajo se define como la relación del tiempo de trabajo al tiempo total para completar un ciclo). Debido al perfil de carga tipo shock en el proceso y las frecuentes ocurrencias, el fabricante del motor debería ser consultado.
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PASO 8. Defina la fuente de alimentación. Respuesta: Observando los datos, encontramos que el suministro es de 460VAC, 60 Hz. El tamaño de kVA y ruido de la línea no es suministrado. PASO 9. El tamaño del motor se basa en el rango de velocidad requerido, el requerimiento de torque máximo y un factor de decaimiento dado por el fabricante del motor para las condiciones de alimentación desde el variador. Respuesta: Debido al rango de velocidad solicitado y el perfil pulsante del proceso, un motor de 5 HP probablemente calentará. Según tabla de proveedores de motor se tiene que el inmediato superior en potencia es de 7,5 HP y puede suministrar aproximadamente 22,5 lb-ft de torque desde 10 a 60 Hz cuando es energizado por el variador apropiado. PASO 10. Tamaño del variador. Respuesta: Usando los amperios nominales del motor seleccionado y un factor por la forma de onda aplicada, generalmente 1,1 a 1,3; se calcula la corriente del motor a plena carga. Comparando el valor calculado con los valores estándar de variadores se encuentra la unidad deseada. El variador debe ser capaz de mantener constante V/f desde 10 Hz a 60 Hz con un mínimo de capacidad de sobrecarga de 110%. El variador debe ser alimentado con 469 VAC, 60Hz de entrada y tendrá una salida máxima de 460 VAC y 60 Hz. 22. RESUMEN En la presente unidad presentamos información de los diversos criterios a tener en cuenta para efectuar una correcta instalación de los equipos variadores. En el caso de los variadores de velocidad de motor AC se concluye que la velocidad de conmutación de los transistores IGBT causan el fenómeno conocido como “Reflexión de Onda”, el cual provoca que a los terminales del motor AC lleguen picos de voltaje igual al doble de su valor nominal, los que causan estragos en el aislamiento de aquellos motores no preparados para trabajar con variadores. Otro problema causado por el variador de velocidad de motor AC es provocar corrientes inducidas a los cables cercanos a ellos, esto debido a la alta frecuencia de trabajo de los transistores. Sobre los variadores de velocidad de motor DC, el principal problema que tienen es el cambio de factor de potencia en la línea provocado por el ángulo de disparo de los tiristores.
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UNIDAD
Aplicaciones
V
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Índice Unidad V: “Aplicaciones”
1. 2. 3.
Introducción ............................................................................................................ 0 Objetivos................................................................................................................. 0 Contenido de unidad V ............................................................................................. 0 3.1. Variadores de velocidad de motor DC ................................................................ 2 3.2. Variadores de velocidad de motor AC .............................................................. 12 4. Ejemplos ............................................................................................................... 20 5. Resumen ............................................................................................................... 31 6. Preguntas de autocomprobación ............................................................................. 22 7. Respuestas a las preguntas de autocomprobación .................................................... 22 8. Bibliografía ............................................................................................................ 22 9. Direcciones WEB .................................................................................................... 22 10. Glosario de términos .............................................................................................. 22 Anexo V
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UN I D A D V “APLICACIONES” 23. INTRODUCCIÓN Una buena aplicación práctica, donde se apliquen los conocimientos adquiridos es el objetivo de todo estudiante, por eso, en esta unidad les presentaremos las aplicaciones que proporcionan los diversos fabricantes de variadores, cada uno con mayores datos que otros, unos más interesantes, etc., pero la idea es que independientemente del fabricante nosotros estemos capacitados para dar solución a cualquier problema que se presente en nuestro trabajo. 24. OBJETIVOS El objetivo de esta unidad es analizar las diversas aplicaciones al proceso productivo implementadas con variadores, además aplicar las ideas encontradas en dichos ejemplos para llevarlas a la práctica. 25. CONTENIDO DE LA UNIDAD V 25.1. VARIADOR DE VELOCIDAD DE MOTOR DC Las consultas sobre el funcionamiento de estos circuitos serán respondidas durante el desarrollo del curso. VARIADOR DE VELOCIDAD DE MOTOR DC M-DRIVE
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25.2. VARIADOR DE VELOCIDAD DE MOTOR AC Las aplicaciones son presentadas por SIEMENS y su producto MICROMASTER: Las consultas sobre funcionamiento se efectuarán durante el curso. APLICACIONES ESTÁNDAR Lavadora industrial El uso de convertidores de frecuencia en las típicas lavadoras industriales presenta problemas debido a la fuerte necesidad de par a baja velocidad y a una muy alta velocidad de giro en el centrifugado. El alto par de arranque y la rápida respuesta dinámica del MICROMASTER Vector permiten suaves rotaciones del bombo bajo todas las condiciones de carga posibilitando su uso en estas aplicaciones sin mayor problema.
En el ejemplo mostrado, la velocidad típica en el comienzo del ciclo de lavado es de 5 Hz y durante el centrifugado asciende hasta los 150 Hz. El sistema de control está realizado a medida de la aplicación, reflejando el alto volumen de unidades vendidas de estos sistemas. El convertidor es controlado a través de las entradas digitales las cuales se parametrizan para arrancar, controlar la dirección de giro, código binario de frecuencias fijas y selección de rampas. Estos ajustes dan un alto grado de flexibilidad permitiendo la selección de hasta 8 frecuencias fijas en ambas direcciones y la selección de 2 tiempos distintos de aceleración/desaceleración, uno para el ciclo de lavado y uno para el ciclo de centrifugado. Un refinamiento mayor en el diseño es el uso de la entrada analógica del convertidor para un grado de control mayor. Esto permite al sistema sumar a las frecuencias fijas una señal de frecuencia adicional para lavados especiales como la seda.
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Las salidas relé del convertidor están configuradas para ser activadas cuando se alcanza la consigna y cuando se detecta un fallo. En esta aplicación, se utiliza un motor con una PTC incorporada ya que este puede alcanzar temperaturas muy elevadas. La PTC se conecta directamente al convertidor que parará el motor e indicará un fallo cuando la temperatura del motor sea demasiado alta.
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Control de grúas para coches En un sistema de este tipo el coche, junto con el cable para el equilibrado, suponen una carga de inercia muy alta para el convertidor. Esto significa que el convertidor debe generar un par de inicio muy alto en el motor para asegurar un arranque suave. El MICROMASTER Vector y el MIDIMASTER Vector son ideales para aplicaciones como éstas, ya que son capaces de suministrar hasta el 200% del par durante 3s eliminando la necesidad de sobredimensionar el convertidor.
En el ejemplo mostrado, se utiliza un MICROMASTER Vector para un pequeño sistema de elevación (3 plantas). Se usa una resistencia de frenado para las paradas del elevador. Se programan 2 frecuencias fijas, 50 Hz que corresponde a 1 m/s y 6 Hz para los periodos de acercamiento a la parada. Los tiempos de aceleración son de 3 segundos con 0,7 s de suavización de rampas. El control se hace a través de las entradas digitales las cuales se usan para seleccionar la dirección (DIN 1, DIN 2), frecuencias fijas (DIN 3, DIN 4), y en este caso, inyección de CC para el frenado (DIN 5). Un relé de salida se usa para el control del freno del motor, el otro se configura para señalar fallos en el controlador del elevador. Después de la apertura del freno del motor, el elevador es acelerado sobre el eje, alcanzando los 50Hz de velocidad de operación. Hay sensores de proximidad en el eje del elevador los cuales se conectan al PLC y que informan al sistema que el elevador se está acercando a la planta donde debe desacelerar y parar. Cuando el coche pasa el primer sensor de proximidad, el elevador desacelera hasta la velocidad más baja. Cuando se pasa el segundo, el ascensor para y el freno del motor se vuelve a activar. El control vectorial y la configuración suave de las curvas de aceleración – desaceleración posibilitan el movimiento controlado del coche bajo todas las condiciones así como mantener el confort del pasajero particularmente en las fases de arranque y parada. Los convertidores MICROMASTER y MIDIMASTER Vector
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ofrecen también opciones de frenado externo e inyección de CC cuando el motor está parado y para la precarga del mismo. Se elige un SIMATIC S7-313 como controlador con las prestaciones y la capacidad de expansión necesarias para manejar todas las I/O de los sensores de proximidad, detectores de planta, indicadores, etc.
Cinta transportadora de ladrillos cerámicos En las típicas aplicaciones de cerámica, se usa una cinta transportadora para
transportar los azulejos hacia el horno. Se necesita la cinta para asegurar que los azulejos se sitúan convenientemente en cada columna del horno. En la aplicación que mostramos, la cinta arranca cuando el azulejo cruza la primera barrera luminosa y para, cuando pasa la segunda. El convertidor es arrancado y parado por un PLC SIMATIC S7-212 a través del DIN 1. La selección de la frecuencia de consigna se consigue usando los DIN 4 y 5 los cuales se configuran con el código de frecuencias fijas, para conseguir con estas 2 entradas hasta 4 frecuencias distintas. El DIN 2 se usa para la selección de las rampas.
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Esta configuración permite al sistema ser usado para distintos tipos de productos con mayores frecuencias y rampas más cortas de aceleración/ desaceleración según el tamaño o el peso.
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El usuario selecciona el tipo de producto en el panel operador que comunica la información al PLC a través de 4 entradas digitales. 2 salidas digitales del PLC se utilizan como información adicional. El panel sirve también para controlar y visualizar el proceso. Las salidas relé del convertidor se conectan al PLC e indican que la frecuencia de salida se ha alcanzado y que ha ocurrido un fallo. La salida analógica del convertidor se conecta directamente al panel de control y se usa para indicar la intensidad de consumo del motor. Si la intensidad es demasiado alta significa que los rodamientos del motor o alguna otra parte móvil están obstruidos y requerirán un mantenimiento inmediato. Un interruptor de emergencia está conectado directamente al DIN 6 y permite al usuario parar el convertidor rápidamente (OFF2) sin necesidad de quitar la alimentación. El MICROMASTER Vector es particularmente adecuado para esta aplicación debido al alto y controlado par de arranque permitiendo rampas de aceleración/ desaceleración muy cortas sin desenganche del motor y también debido a la consistente respuesta de tiempo que optimiza la precisión en el espaciado de los azulejos. Se elige un SIMATIC S7-212 como controlador de coste ajustado pero con las suficientes I/O para esta aplicación.
Ahorro energético en aplicaciones con ventilador de velocidad regulable
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Un sistema de ventilación con un mecanismo de variación del flujo (tal como una válvula motorizada) puede ser sustituido por un sistema electrónico de regulación con grandes ventajas en cuanto ahorro energético y ruidos.
Notar que el panel operador se incluye de serie sin coste adicional en toda la gama MIDIMASTER Vector. En el ejemplo mostrado, usamos un MIDIMASTER Vector para controlar la velocidad del ventilador. El convertidor se configura con un sistema de control para par cuadrático, que permite que para velocidades inferiores a la nominal de 50 Hz, el consumo de energía, así como la intensidad de consumo del motor se reduzcan de forma cuadrática en relación con la frecuencia de salida. El convertidor, por su nivel de protección estándar IP21, se monta dentro de un armario y se controla a través del Panel operador OPM2 el cual se monta en la puerta del armario y se conecta al MIDIMASTER Vector con un cable. Se puede arrancar y parar el ventilador así como también variar la velocidad utilizando este panel adicional. Esto se consigue presionando las teclas de subida y de bajada de velocidad del frontal del panel. Esta función se conoce como potenciómetro motorizado. El convertidor se configura de manera que el ajuste de velocidad se haga con las teclas del frontal y memorizadas incluso cuando ocurra un fallo de la alimentación. La función rearranque volante constituye un refinamiento adicional que permite que el convertidor se sincronice con el ventilador incluso cuando éste estuviera girando (Por ejemplo, cuando ocurra una caída de la alimentación o una condición de fallo). La tecla de inversión de giro en el frontal se deshabilita para prevenir posibles daños en el ventilador. Toda la información requerida como la velocidad, intensidad y el estado del convertidor se muestra en el display.
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Si se observan resonancias en el sistema se deben suprimir usando las bandas de supresión en P014, P027, P028 y P029.
Sistemas de ventilación usando lazos de regulación PID En aplicaciones como la Ventilación para la Limpieza de Habitaciones, se necesita mantener una presión constante dentro del propio ventilador. Esto se puede conseguir controlando la velocidad del ventilador con un MICROMASTER, MICROMASTER Vector o MIDIMASTER Vector que integran de serie reguladores PID (PI en el caso del MICROMASTER) permitiendo que un sistema de control a lazo cerrado sea desarrollado sin necesidad de controladores externos. El transductor se puede conectar a la entrada analógica del convertidor y puede ser alimentado directamente del terminal +15V disponible en la regleta de bornes.
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En el ejemplo que se muestra en la figura se utiliza un MIDIMASTER Vector y la medida de presión necesaria se ajusta usando la entrada analógica. La señal del transductor de presión se conecta a la segunda entrada analógica la cual se configura para control PID. El convertidor se enciende y apaga a través de una entrada digital y se utiliza una segunda para resetear cualquier fallo que pueda ocurrir. El convertidor se monta dentro del armario y los pulsadores de control y el potenciómetro se incorporan en la puerta del armario. Se utilizan dos indicadores luminosos, conectados directamente a los relés de salida indicando la conexión del motor y el fallo del equipo. Se usan además dos indicadores, conectados directamente a las salidas analógicas, para mostrar la velocidad y la intensidad del motor. La presión en el ventilador puede variar entre 1 y 2 Bar. El transductor de presión seleccionado tiene un rango de salida entre 4 y 20 mA donde un valor 4 mA corresponde a un valor de presión 0 Bar y 20 mA corresponde a un valor de 4 Bar. (Notar que cuando se utiliza el modo PID (ajustando el P201 a 1) la consigna se refiere a porcentaje sobre el valor del proceso en vez de la frecuencia absoluta. Esto significa que en el ejemplo descrito, una consigna de 50 corresponde al 50% lo cual equivale a su vez a un valor 5 Bar. Como la consigna se establece a través de la entrada analógica, se necesita modificar el máximo valor de ésta (P022) a 50 (50% correspondiente a un valor 8 Bar) y la mínima a 25 (25% correspondiente a un valor 4 Bar). Es necesario seguir el siguiente procedimiento para ajustar convenientemente los términos P, I y D: 1. Seleccionar los tiempos de aceleración / desaceleración más cortos posibles). 2. En este caso P211 (0% del valor de consigna) deberá ser ajustado a 25% que corresponde a la presión mínima de 1 Bar. 3. El P212 (100% valor de consigna) deberá ajustarse a 50% correspondiente al valor de presión máximo 2 Bar. 4. Arrancar el sistema hasta que la velocidad del ventilador se estabilice. 5. Incrementar el P202 (ganancia proporcional) hasta que la velocidad del ventilador empiece a oscilar, y entonces reducir el valor del P202 en un 5%. El sistema esta siendo controlado en este momento usando sólo la ganancia proporcional. 6. Chequear el error del lazo de regulación substrayendo el valor de P210 (valor del transductor) del valor de consigna. Si el error no es aceptable, necesitaremos ajustar el término I. 7. Cuando utilicemos la ganancia integral es conveniente ajusta el valor P207 (rango de captura integral) para reducir la inestabilidad, particularmente cuando el error es muy amplio como por ejemplo durante el arranque. Típicamente, P207 debería ajustarse a un valor 1,5 veces el error establecido cuando sólo ajustemos el valor de ganancia proporcional.
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8. Ajustar el P203 (ganancia integral) al valor más pequeño que de la suficiente rapidez para autoajustar el valor de consigna requerido. 9. Si se requiere ganancia derivativa, necesitamos un osciloscopio para observar los cambios en la respuesta del transductor ante un cambio en la consigna. En este ejemplo, el valor da la ganancia proporcional fue ajustado a 0,2 y la ganancia integral a 0,05. La ganancia derivativa no fue necesaria. Se usan dos refinamientos adicionales en el diseño con las funciones de rearranque volante para sincronizar el convertidor a un motor en giro y el arranque automático después de aplicar alimentación para que el convertidor arranque si la entrada digital está activada cuando se alimenta el equipo. 26. EJERCICIOS 26.1. MÓDULO DE ALIMENTACIÓN DE CAMPO El siguiente ejemplo es un motor DC. Se desea alimentar a su bobina de campo. Con Los módulos estándar de alimentación del campo, suministran como máximo voltaje DC de salida hasta un 85% del voltaje AC entrante. La corriente de salida estándar es 15 amperios; en Baldor Electric puede conseguirse una unidad opcional para montaje por separado, con un suministro máximo de 40 amperios. El control Serie 19H permite operar motores cuyos campos exceden de un 85% del voltaje CA entrante. Para ello se requiere instalar un transformador elevador de voltaje entre la conexión L1–L2 del módulo de alimentación del campo. Nótese que esta conexión es sensible a la fase en L1 y L2. El máximo voltaje de entrada de CA al módulo de alimentación del campo deberá limitarse a 528 VCA en 60 Hz. El transformador elevador que se requiere se determina en base a los siguientes cálculos: Mín. Voltios de Entrada de AC = Máx. Voltios de Campo del Motor Requeridos 0,85 Ejemplo: Los máximos voltios de campo del motor requeridos son 300 VCC y la entrada de AC es de 230 VAC. Máx .Voltios de Campo del Motor Requeridos = 300 = 366 VAC mínimo entrada 0,85 0,85 La relación mínima de elevación del transformador se calcula mediante la siguiente fórmula: Mín. Voltios de Entrada de CA Calculados Voltios de Entrada de Línea de CA
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La capacidad enkVA del transformador se calcula así: kVA del Transformador = Máx. Voltios de campo x Máx. Amperios de campo Para el transformador elevador de voltaje, el parámetro VOLTIOS DE CAMPO ASIGNADOS (Field Rated Volts) debe calcularse de la siguiente manera: Voltios de Campo Asignados = Máx. Voltios de Campo Requeridos x Entrada Volt_ Voltios de salida Ejemplo de ésta fórmula: Voltios de Campo Asignados = 300VDC x 230 = 188VDC 366 27. RESUMEN Como se puede deducir de los circuitos y aplicaciones mostradas, esta unidad es prácticamente una carpeta de trabajo, en la cual el participante podrá deducir su funcionamiento, plantearle modificaciones, pedir información, etc., con la finalidad que sus dudas sean satisfechas. Será ocasión también para que cada participante pueda exponer sus dudas mediante la sección DEBATES de nuestro curso.
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28. GLOSARIO INGLÉS/ESPAÑOL DE BLOQUES Y PARÁMETROS ACCEL (DECEL) (Desaceleración)
TIME
(RATE):
Tiempo
(Tasa
o
Velocidad)
de
Aceleración
ACCESS CODE (TIMEOUT): Código (Suspensión /Interrupción) del Acceso ANA CMD INVERSE: Inverso – Mando Analógico ANA CMD OFFSET (DEADBAND): Desviación (Compensación) [Banda Muerta] – Mando Analógico ANALOG OUT (SCALE): Salida (Escala) Analógica ARMATURE VOLTAGE: Voltaje del Inducido ARM PROP (INT) GAIN: Ganancia Proporcional (Integral) del Inducido ARM RATED AMPS: Amperios Asignados del Inducido AT POSITION: En Posición AT SPEED BAND: Banda en Velocidad AUTO–TUNING: Autosintonización CALC PRESETS: Valores Predefinidos de Cálculo CMD OFFSET TRIM: Ajuste Fino (Retoque, Corrección) de las Desviaciones del Mando COMMAND SELECT: Selección del Mando CTRL BASE VOLTS: Voltios Base del Control CUR LOOP COMP: Compensación del Bucle de Corriente CUR RATE LIMIT: Límite de Tasa – Corriente‘ CURRENT INT (PROP) GAIN: Ganancia Integral (Proporcional) de Corriente CUSTOM UNITS: Unidades de Lectura Adaptables por el Usuario DC CONTROL: Control CC DECIMAL PLACES: Lugares Decimales ENCODER COUNTS: Cuentas del Codificador EXTERNAL TRIP: Disparo Externo
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FACTORY SETTINGS: Ajustes de Fábrica FAULT: Falla FEEDBACK FILTER (DIR) : (TYPE) Filtro (Dirección) (Tipo) de la Retroalimentación FEEDBACK TESTS: Pruebas de la Retroalimentación FIELD CONTROL: Control de Campo FIELD ECON LEVEL: Nivel de Economía del Campo FIELD PWR SUPPLY: Fuente de Alimentación del Campo FIELD REG GAIN: Ganancia de Regulación del Campo FIELD SET SPEED: Velocidad Fijada (Ajustada) de Campo FIELD STEP LIMIT: Límite de Escalón de Campo FOLLOWING ERROR: Error de Seguimiento FOLLOWER I:O RATIO (OUT): Relación (Salida) de la Entrada:Salida del Seguidor FORCING LEVEL: Nivel de Forzado HOMING OFFSET (SPEED): Desviación (Velocidad) de la Reorientación INPUT: Entrada IR COMP GAIN: Ganancia de Compensación – Inductancia y Resistencia JOG ACCEL (DECEL, S–CURVE) TIME: Tiempo de Aceleración (Desaceleración, Curva S) del Jog JOG SETTINGS (SPEED): Ajustes (Velocidad) del Jog KEYPAD JOG FWD (REV): Jog Adelante (Reversa) – Teclado KEYPAD RUN FWD (REV): Marcha Adelante (Reversa) – Teclado KEYPAD SETUP: Preparación (Organización, Disposición) del Teclado KEYPAD STOP KEY (MODE) : Tecla (Modo) de Parada – Teclado
