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Cap1. Introducción a Control de Motores
INEL 5408 Control de Motores
Prof. Andrés J. Díaz Castillo
21/04/23 Introducción- Control de Motores-Prof. A. Diaz
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Contenido• Importancia del Motor de Control
– Dispositivos de Potencia– Operación de los dispositivos de potencia
• Motor Drive– Máquinas eléctricas– Convertidores de Potencia– Controladores– Carga
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Control de Motores
• Por medio del control de motores hacemos que este desarrolle en todo momento el torque y la velocidad necesaria para realizar una tarea específica aun cuando las condiciones de carga y alimentación varíen.– Motor DC se cambia el voltaje aplicado.– Motor AC se cambia la frecuencia.
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Ventaja y Aplicaciones
• 65% de la energía eléctrica es consumida por motores.
• El control produce un incremento en la eficiencia de un 15 a 27%.
• Requiere un costo inicial que tiene una tasa de retorno que en el caso de las bombas de altos calibre es de 3 a 5 años.
• Aplicaciones.– Propulsión eléctrica– Bombas y compresores– Actuadores de róbotica– Coveyors– Elevadores – Maquinas herramientas– Automatización de
procesos.– Antenas.– Fábricas de telas
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Dispositivos de potencia
• Diodos• Power Transistor• SCR• GTO Thyristor• MOSFET• IGBT
• Características– Funcionamiento– Rango de operación
de potencia.– Rango de operación
de frecuencia.– Ventajas. – Desventajas.
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Energía manejada y energía disipada.
• Potencia disipada es el voltaje x la corriente que tiene un dispositivo en un determinado momento.
• Generalmente se convierte en calor (perdidas).
• Requiere utilizar métodos de enfriamiento.
• Potencia manejada es la potencia que deja pasar a la carga.
• Su valor máximo se obtienen multiplicando el voltaje en circuito abierto multiplicado por la corriente en cortocircuito.
• Es la potencia que realiza trabajo útil en la carga.
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Modo de Interrupción de los dispositivos.
• Operando un transistor u otro dispositivo como interruptor se minimiza la potencia disipada y se maximiza la potencia manejada.
• En este modo el dispositivo trabaja siempre en saturación o en corte.
• En condiciones ideales la potencia disipada en ambos estados es cero.
• Solo durante la transición se produce disipación.
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Frecuencia, densidad de potencia y eficiencia.
• Mayor frecuencia mayor densidad de potencia
• Menor frecuencia menos pérdida.
• Existe una frecuencia optima donde la eficiencia se mantiene lo suficientemente alta y se puede conseguir buena densidad de potencia.
• Densidad de potencia significa:– Reducción de volumen del
convertidor.– Reducción de peso– Reducción de costo
• Eficiencia – Menor consumo de energía
durante su operación.– Mayor duración de baterías
en aplicaciones portátiles
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Diodos• Permiten el paso de la corriente
en una sola dirección.• La caída de voltaje en directo es
0.7V.• Importantes características
– Máxima reverse voltaje– Máxima corriente en directo.– Tiempo de recuperación en
inverso • Se consiguen rangos de voltajes y
corrientes en el orden de los KA y KV a frecuencias de línea.
• Para frecuencias altas se utilizan Fast-recovering reverse-diodo, que se pueden conseguir en el rango de los 100A y 100V.
D1
• En aplicaciones de bajo voltaje los diodos de germanio producen caídas en directo de 0.3V manteniendo la eficiencia en niveles aceptables.
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Transistores de potencia• Dispositivo de corriente
controlado por corriente.• Operación optima en quasi-
saturación.• Bajo voltaje de saturación.• Baja impedancia de entrada.
• Operación máxima– V=1400V– I=1000A– Vce sat 2V– F=2 to 6Khz– Gain 4-10
• Se incrementa a 100 en configuración darlignton.
• No se utilizan mucho hoy en convertidores modernos.
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Rectificadores controlados de silicio
• Dispositivos de 4 capas. Similar al diodo solo que en foward necesita un pulso para comenzar a conducir.
• Se apagan cuando la corriente se invierte o pasa por cero.
• Debido a su dificultad de apagado solo se utiliza en rectificadores y controladores de motores de alta potencia (>30MW).
• La frecuencia de operación es de 300 a 400 Hz.
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MOSFET Transistor
• Dispositivo de corriente controlado por voltaje.
• Alta impedancia de entrada.
• Alta resistencia de conducción.– Perdidas en el estado on.– Se puede utilizar para
sensar la corriente que pasa a travez de el.
• Rango de operación– V=100 a 100A– V=1000 a 10A– F=30KHz a 1MHz
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IGBT
• Combinación de MOSFET and BIPOLAR.
• Se controla con un voltaje en la compuerta (alta impedancia)
• El voltaje de colector a emisor en directo es tan pequeño como un bipolar.
• Rango• 1.2KA at 3.2KV• 0.6KA at 6.6 kV• On state drop 5V• Freq: < 20KHz
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Calculando las pérdidas.
• Energía pérdidas de conducción
• Energía pérdidas encendido y apagado
• Total pérdida de potencia
][ 112 dsdononssc ttttVIE
offon
stsc
tt
EEPsw
][5.0 21 ssSSst ttIVE
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Sistema controlador
• Consiste de 4 elementos– Máquina Eléctrica– Convertidor– Controlador– Carga MotorPower
ConverterControler
Load
Pressure/torque/Temperatrue
Torque/Speed
/Position
Status
Torque/Speed/Position
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Maquina eléctrica
• Tipos mas utilizado en controles.– DC
• Shunt,series,compound,separetely-excited dc motor
– AC• Inducction,wound-rotor
syncchronous,permanent magnet syncronous reluctance.
• Criterio para seleccionar un motor– Costo– Capacidad térmica– Eficiencia– Característica torque
velocidad.– Acceleracíon– Densidad de potencia– Robustez
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Eficiencia del motor
• Es la razón entre la potencia mecánica de salida y la potencia eléctrica de entrada.
• La placa del motor generalmente ofrece información de Potencia, velocidad, corriente y voltaje.
• El torque se puede encontrar utilizando la siguiente ecuación
sec/,60
2
.,6.745
sec/,
,
radN
mNxP
radSpeed
WPowerT
rm
m
oo
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Ejemplo de cálculo de eficiencia• Un motor de 5 HP y 1000RPM tiene voltaje de entrada 100V y 50 Ampere si
la resistencia de la armadura es 0.20ohm calule. A) torque en el eje. B)potencia de airgap. C)torque de airgap C)torque de perdida en caja de bolas y fricción del aire. D) eficieciencia del motor
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Power Converter • Rectificadores
controlados– ACtoDC DCmotor
• Inversores– DCtoAC AC motor
• Cycloconverter– AC Big Motor.
Rectificadores
Inversores
Cycloconverter
Controlador
• El controlador esta compuesto de circuitos de baja potencia que pueden ser analogos o digitales. En este se implementa el tipo de control (Torque o velocidad) y las constantes (P I D) para cada variable. Tambien se implementa acciones de control de seguridad para protejer la maquina y la carga.
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Controlador
Torque/Speed/Positioncommands
Torque/Speed/Positionfeedback
Thermal and other feedback
Vc,Fc,Start,Shut-out
Carga
• La carga tiene una curva caracteristica T vs Velocidad que forma parte del analisis completo del control de motor.
• Cuando la carga se acopla a travez de engranaje el torque T1 y la velocidad w1original se transforman a otros valores T2 w2 proporcional al numero de dientes N1 y N2 de estos.
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MotorJm
Carga Jl
N1
N2
B1
B2
T1,w1
T2,w2
1
2
2
1'1
1
212
2211
JN
NJ
N
NTT
wTwT