UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUS T ÍN FACUL T AD DE INGENIERIA DE PRODUCCION Y SERVICIOS
TEMA: SISTEMA WARD LEONARD
CURSO: Maquinas Eléctricas II
DOCENTE: Ing. Msc. Mikhail Carcausto
ALUMNOS: SOTO PEREIRA, Joao
CUI: 20031131
AREQUIPA – PERÚ 2011
EL SISTEMA WARD LEONARD En la sustitución de la corriente continua por la alterna, existía un problema muy importante como era el qué la máquina de corriente alterna, sin duda robusta, sencilla y económica, tenía una velocidad prácticamente constante que indudablemente limitaba su uso de una forma considerable, impidiendo por tanto el desarrollo de la "nueva" energía alterna. Desde mediados del siglo XIX preocupa en las minas la acumulación de agua, peligrosa y como mínimo molesta. Como el achique de agua constituía, casi en exclusiva, el consumo de energía de las minas, el motor eléctrico trifásico resolvió el problema siendo una de sus primeras aplicaciones que encontró en el mundo industrial. Generalmente se colocaba fuera de las galerías, a cielo abierto, un alternador que alimentaba directamente al motor que a su vez arrastraba la bomba. Como para estas misiones se necesitaban bajas velocidades se generaba corriente de baja frecuencia. Pero el problema surgió al introducirse el alumbrado eléctrico. La baja frecuencia originaba un continuo y molesto "parpadeo" de las lámparas que sólo era posible eliminar aumentando dicha frecuencia. Ante este dilema se optó por una medida un tanto salomónica, tener dos frecuencias. La corriente trifásica resolvía moderadamente bien el problema de las minas pues las bombas funcionaban a una velocidad constante y durante un periodo de tiempo muy prolongado, servicio que el motor asincrono trifásico de Tesla, Dolivo - Dobrowolsky y otros podían prestar. Pero este no era el caso de otras muchas posibles aplicaciones. Así por ejemplo, la velocidad de la fabricación del papel dependía del grosor de la hoja a laminar. Muchas máquinas textiles, de las artes gráficas, de los talleres mecánicos exigían una variación de la velocidad entre unos límites considerables, por no nombrar los motores de tracción (tranvías y trenes eléctricos). En los aparatos elevadores se subían más rápidamente las cargas pequeñas que las más pesadas. Todo esto sin tener en cuenta la necesidad de obtener arranques y frenados suaves. Por lo tanto se puede deducir que es evidente, en la inmensa mayoría de las aplicaciones de la energía motriz eléctrica, la necesidad de variar o "regular" la velocidad del motor. En el caso de la corriente continua esto no representaba dificultad alguna, ya que la modificación del régimen de giro del motor se consigue aumentando o disminuyendo la intensidad de excitación de sus electroimanes o polos, que produce un crecimiento o descenso proporcional de la velocidad, logrando esto con un consumo mínimo de energía. Por contra el motor de corriente alterna trifásica se comporta de forma fundamentalmente distinta, no siendo posible esta
regulación. Esto dio lugar a que muchas empresas contratantes quisieran seguir recibiendo corriente continua manteniendo sus redes y pidiendo se rectificara la corriente suministrada por las centrales de nueva creación. Para compaginar el consumo en continua a partir de generación a gran distancia y transporte hasta el punto de consumo se recurría al sistema llamado "grupo motor -generador". El sistema consistía en mover un motor de corriente alterna trifásico, alimentado por las redes de distribución. Este motor estaba acoplado al eje de una dinamo por lo que esta podía producir energía continua utilizable a partir del par mecánico proporcionado por el motor, que de cierta forma está sustituyendo a la máquina o a la turbina de vapor. El procedimiento no tenía ningún misterio ni complicación, pero había un inconveniente: las pérdidas. En las máquinas eléctricas, sobre todo de aquella época, se producían grandes cantidades de calor a consecuencia de estas pérdidas. Por lo tanto en todo proceso de conversión electromecánica se perdía parte de la energía. En este sistema de pérdidas eran dobles: primero la potencia alterna trifásica se convertía en mecánica en el motor y a continuación esta, otra vez en eléctrica en el generador de continua. El rendimiento total del grupo era muy decepcionante. Ante esta baja eficacia se cayó en la cuenta de que toda máquina de corriente continua es en origen, por su forma de generar la energía, una máquina de corriente alterna y que el proceso de rectificación se produce en el colector. Si se construyen grandes generadores de continua, con colector por supuesto, por el otro lado de este se sacan dos o tres hilos, directamente de devanado, y se llevan a unos anillos que giren solidarios con el eje de la máquina, tomando corriente de estos anillos, podemos tener energía alterna mono o trifásica, respectivamente. La consecuencia es evidente, la máquina proporcióna energía alterna y continua pudiéndose distribuir para cubrir las respectivas de uno u otro tipo. Y recíprocamente si alimentamos los tres anillos colectores mediante una corriente trifásica y se les hace girar a una velocidad que corresponda a la frecuencia de la corriente de alimentación y al número de polos, la corriente trifásica pasa a continua por la sólo acción del colector. Esto constituyó el "dinamomotor". Como es de suponer las tensiones alternas y continuas estaban en una determinada relación. Como la corriente continua iba destinada a alimentar una red de una determinada tensión, cosa ya factible con el empleo del transformador, intercalado entre la línea y la máquina. El rendimiento del conjunto (incluyendo el transformador) era muy superior al grupo motor generador, por lo que se difundió con bastante rapidez. La aplicación más generalizada fue la de los tranvías que así pudieron abandonar sus centrales propias, de uso exclusivo, y conectarse a centrales convertidoras que recibían la energía de una red más general. En Estados Unidos fue patentado en 1891, por el ingeniero Ward Leonard, una solución casi ideal al problema. La propuesta consistía en alimentar un sólo
motor de corriente continua mediante un convertidor especial constituido como el motor-generador. La tensión de la dinamo se variaba al variar la excitación de forma que el motor alimentado por el mismo podía hacerse funcionar el número de revoluciones que se deseara, ya que la velocidad de un motor de corriente continua depende de la tensión que lo alimenta, pudiéndose incluso llegar a invertir el sentido de giro, si lo hace la corriente. El sistema Ward Leonard perdía entre un quinto y un cuarto de la potencia de entrada, pero era otra solución que permitía a partir de la corriente alterna trifásica, obtener un par motor regulable en cuanto a velocidad. Nuevos retos se les iban planteando a los motores eléctricos, como los llamados "accionamientos reversibles" que constituían las cintas de extracción de las minas o de laminación en la siderurgia, presentaban la particularidad de moverse a distintas velocidades, con pares muy variables (desde trabajar en vacio a hacerlo a plena carga) y con frenados y puestas en marcha continuas, para invertir el sentido de la transmisión del movimiento. El sistema Ward Leonard iba muy bien a estos mecanismos, pero surgían inconvenientes continuamente y uno era las perturbaciones que todas estas variaciones introducían en la red de alimentación. Hay que tener en cuenta que estas eran todavía de potencia limitada y cambios bruscos de la carga afectaban a todos los usuarios, a lo largo de la red. Como siempre apareció la idea salvadora. Al grupo de regulación Ward Leonard se le acopló un pesado volante de inercia que tenía la misión de absorber parte de la energía. Así surgió el grupo Leonard - Ilgner, en homenaje a Karl Ilgner su inventor. En la totalidad de los motores de pequeña y mediana potencia no merecía la pena colocar el sistema Ward Leonard. A la vista de las grandes ventajas de la corriente trifásica sobre la continua, entre las que había que tener en cuenta la sencillez, robustez y duración del motor de alterna, se fue introduciendo poco a poco este motor. De forma constante el motor eléctrico se fue generalizando y las empresas constructoras de este eran cada vez más dependientes de las de las máquinas que accionaban y viceversa. Al comienzo de la electrotecnia se daba el caso de que hubiera necesidad de fabricar independientemente el motor, lo cual era norma para modelos de gran potencia, ya que quedaba a discreción del cliente decidir de qué forma se transmitía la energía del motor a la máquina accionada por él.
Sin embargo a finales del siglo, se multiplicaban respecto a los motores pequeños los casos en que el fabricante había de pensar desde el primer momento del proyecto, la forma de acoplar el motor y la máquina arrastrada Si por ejemplo el motor tenía que accionar una bomba pequeña, la solución más cómoda y sencilla era acoplarlas directamente, pero en tal caso la bomba había de ser del tipo centrífuga por la elevada velocidad del motor. Si se conseguía una construcción acertada, existía la posibilidad de aprovechar los soportes, comunes a ambos, para situar allí los cojinetes. El sistema bomba motor quedaba tan perfectamente acoplado que el observador no experto no sabía distinguir dónde acababa el motor y dónde comenzaba la bomba. Otro tanto podía decirse de otros elementos como: bombas de aire, compresores, ventiladores,... Todo esto hacía tender a una fabricación común, por lo que poco a poco el motor eléctrico pasó a ser un elemento más del proceso industrial de muchas factorías. Así surgieron ventiladores accionados por motores eléctricos para salas de espectáculos, locales industriales, bodegas de barcos, explotaciones mineras; dispositivos extractores de aire para toda clase de procesos industriales. Punto y aparte merece el rápido desarrollo y aceptación de los electrodomésticos: máquinas de coser, secadores para el pelo, y aspiradores eléctricos, uno de los aparatos domésticos que antes entró en el hogar electrificado. Otro caso curioso es el de las perforadoras de rocas. Se intentó aplicar el motor eléctrico a esta herramienta de uso bastante común en las canteras, para sustituir el engorroso sistema de aire comprimido. El problema más importante es que había que combinar dos movimientos: el de rotación de la barrena y el de percusión. Para taladrar metales se necesitaba sólo el movimiento de rotación, por lo que las investigaciones derivaron hacía aquí. Al conjuntar en una sola pieza taladro y motor se creó un elemento portátil. Se conseguía así resolver la eterna cuestión de acercar la pieza a la máquina herramienta, pasándose ahora al método más cómodo de llevar la herramienta al lugar en que se le necesitaba, pudiéndosele emplear ahora en múltiples aplicaciones. Puede parecer exagerado el decir que las grandes construcciones metálicas, como la de los barcos, ganaron en tiempo de acabado, gracias al taladro eléctrico, pero así fue. Resultaría excesivo describir las aplicaciones que se les encontraron a los motores eléctricos. Tan sólo añadir a los accionamientos de las máquinas de coser, ya citadas, las máquinas de oficina, las pequeñas y numerosísimas máquinas herramientas portátiles o fijas,... y puede comprenderse que comenzó a desarrollarse una nueva rama de la electrotecnia, de la cual salían nuevos y continuos brotes. Por lo general se trataba de productos que habían de fabricarse en serie por las grandes cantidades a producir.
Al extenderse más y más la corriente alterna, cada vez era más difícil utilizar los motores de corriente continua y poco a poco los motores de alterna, mono y trifásicos, los sustituyeron. Los inconvenientes fueron paliándose mediante procedimientos más o menos ingenioso, pero siempre prácticos. Citar como ejemplo que el problema del arranque se solucionó por diversas vías: por resistencias en el estator, en el rotor, por autotransformador, mediante la conexión estrella-triángulo.
Maquinas con Ranuras en V (ASCENSORES) El ascensor de tracción con reductor es el sucesor de las antiguas instalaciones con tambor de arrollamiento. La máquina a vapor fue sustituida por el electromotor con reductor y el tambor por la polea motriz. La polea motriz ranurada se derivo del principio de tracción usado en los ascensores de tracción directa; en lugar de llevar los cables dos veces sobre la polea motriz, esta fue dotada de ranuras de perfil en V, adecuadas para aprisionar mejor los cables y conseguir así el aumento de fricción necesario. El tipo de ranura varía en correspondencia con las diferentes exigencias impuestas por la carga y la velocidad del ascensor. Generalmente un perfil de ángulo cerrado aumente la tracción pero implica, mayor desgaste en cable y polea. Las máquinas con reductor están dotadas de motores de corriente alterna o de continua con empleo del sistema Ward-Leonard para su maniobra. Los motores de alterna se emplean para velocidades de 0,125 hasta 0,75 m/s(aveces hasta 1m/s) y el proceso de parada se realiza desconectando el motor de la red y deteniendo la cabina mediante la aplicación del freno mecánico que permite cierto deslizamiento. Un ascensor de 2 velocidades tiene un motor con doble bobinado, uno de pocos polos para la velocidad nominal, y otro de muchos para una velocidad reducida( la mitad o un cuarto de la velocidad nominal) para parar, nivelar y, si fuera preciso, renivelar. El funcionamiento normal es arrancar con la velocidad alta, mantener esta durante el viaje, cambiar a la velocidad pequeña a una distancia determinada del punto de destino y efectuar la parada final mediante aplicación del freno. Así se pueden conseguir con cualquier carga, desniveles de parada de más menos 15 a 25 mm que mejoran los de un ascensor de una sola velocidad que llega, según la carga, a desniveles de 25 hasta 75mm. En contraste con esto, el accionamiento Ward-Leonard permite detener la cabina eléctricamente antes de aplicar el freno mecánico, con lo que se reduce los desniveles hasta 15 o 20 mm para toda la gama de cargas, además con una parada mucho más suave que la de los motores de corriente alterna; para velocidades de 0,25 hasta 1,75 m/s se emplean instalaciones de corriente continua con reductor. Es posible calibrar con exactitud el funcionamiento de una instalación con reductor, sea con motor de alterna o de continua, lo que es de suma importancia para el cálculo del rendimiento del ascensor con vistas a proyectos de tráfico vertical.
Una parte importante de la maniobra de un ascensor está formada por los procedimientos adoptados para moverlos y la clase de corriente empleada. Los dos sistemas más importantes en la actualidad son: el de resistencias con motor de corriente alterna, y el de tensión variable o Ward-Leonard con motor de corriente continua.
Grupo Ward-Leonard: Es un sistema para regular la velocidad, por variación de tensión. Muy utilizado principalmente para trabajos duros, que consume potencias elevadas. El grupo Ward-Leonard, está compuesto por las siguientes máquinas: Grupo convertidor corriente alterna/continua, compuesto por un motor trifásico de corriente alterna y un generador de corriente continua de excitación independiente. El motor de corriente continua o de trabajo, de excitación independiente. Una excitatriz para alimentar los circuitos de excitación, si bien puede ser sustituido por un rectificador, por ser este último el que ha reemplazado ventajosamente a la excitatriz.
Control de velocidad Ward- Leonard De las tres formas de variar la velocidad de un motor, la más eficaz es la del control de voltaje de armadura, puesto que permite una amplia variación de la velocidad sin afectar el par máximo del motor. La forma normal de variar el voltaje de armadura de un motor de cc, era suministrándolo desde un generador de cc.
Un motor primo trifásico que mueve al rotor del generador de cc el cual se usa para alimentar un voltaje de cc a un motor de cc; a éste sistema se le llama Ward-Leonard y es extremadamente versátil. El voltaje de armaura se puede variar mediante cambios en la corriente de campo en el generador de cc, éste voltaje de armadura permite que la velocidad del motor pueda variarse suavemente entre un valor muy pequeño y la velocidad base. La velocidad del motor puede ajustarse por encima de la velocidad base reduciendo la corriente de campo del motor, por eso es que este sistema es tan flexible que permite control total de la velocidad del motor. Además permite también el cambio del sentido de rotación, solamente cambiando la polaridad del voltaje de armadura, así es posible obtener un rango muy amplio de variación de la velocidad en cualquier sentido de rotación. Otra función es la de "regenerar" o retornar a las líneas de alimentación la energía de movimiento de las máquinas. Si una carga pesada se eleva y luego se baja mediante el motor de cc de un sistema Ward-Leonard, cuando la carga esta cayendo, el motor de cc actua como generador, suministrando potencia hacia el sistema de ca. En esta forma, mucha de la energía requerida en el primer momento para alzar la carga puede recuperarse reduciendo el costo total de operación de la máquina. La desventaja del sistemna Ward-Leonard, es la de tener que comprar tres máquinas completas de valores nominales esencialmente iguales, lo cual es muy costoso. Otra es que tres máquinas son mucho menos eficientes que una, por ello han sido reemplazado por circuitos controladores basados en SCRs , que resultan definitivamente más barato que dos máquinas extra.
