Sistemas de regulacion_maquinas_electricas

I.E.S. ANTONIO JOSE CAVANILLES ALICANTE DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD

REGULACION DE VELOCIDAD DE MOTORES ASINCRONOS TRIFASICOS

Francisco Marti Sala 1

Durante mucho tiempo, las posibilidades de regulación de la velocidad de los motores asíncronos han sido muy escasas. En la mayoría de los casos, los motores de jaula se utilizaban a su velocidad nominal. Los únicos motores que disponían de varias velocidades fijas eran los de acoplamiento de polos y los de devanados separados, que todavía se emplean de manera habitual. Actualmente, los convertidores de frecuencia permiten controlar a velocidad variable los motores de jaula. De este modo, pueden utilizarse en aplicaciones que, hasta hace poco, quedaban reservadas para los motores de corriente continua. Velocidad de sincronización La velocidad de sincronización de los motores asíncronos trifásicos es proporcional a la frecuencia de la corriente de alimentación e inversamente proporcional al número de pares de polos que constituyen el estator. N = 60 f P N: velocidad de sincronización en r.p.m. f: frecuencia en Hz p: número de pares de polos. La siguiente tabla contiene la velocidad de rotación del campo giratorio, o velocidad de sincronización, correspondiente a las frecuencias industriales de 50 Hz y 60 Hz y a la frecuencia de 100 Hz, en base al número de polos.

Estos datos no significan que sea posible aumentar la velocidad de un motor asíncrono alimentándolo a una frecuencia superior a la prevista aunque la tensión esté adaptada. Es conveniente comprobar si su diseño mecánico y eléctrico lo permiten. Teniendo en cuenta el deslizamiento, las velocidades de rotación en carga de los motores asíncronos son ligeramente inferiores a las velocidades de sincronización que figuran en la tabla.




Motores de jaula La velocidad de un motor de jaula, según se ha descrito anteriormente, depende de la frecuencia de la red de alimentación y del número de pares de polos. Por consiguiente, es posible obtener un motor de dos o varias velocidades mediante la creación de combinaciones de bobinados en el estator que correspondan a distintos números de polos.

• Motores de acoplamiento de polos Este tipo de motores sólo permite relaciones de velocidad de 1 a 2 (4 y 8 polos, 6 y 12 polos, etc.). Consta de seis bornas. Para una de las velocidades, la red se conecta a las tres bornas correspondientes. Para la segunda, dichas bornas están conectadas entre sí y la red se conecta a las otras tres. Normalmente el arranque se realiza de manera directa, tanto a alta como a baja velocidad.

• Motores de devanados estatóricos separados (Dahalander). Estos motores, que constan de dos devanados estatóricos eléctricamente independientes, permiten obtener cualquier relación de dos velocidades.

Principales tipos de variadores Los variadores son convertidores de energía encargados de modular la energía eléctrica que recibe el motor. Los tipos más habituales son:

• Rectificador controlado. Suministra corriente continua a partir de una red alterna monofasica o trifásica y controla el valor medio de la tensión.

• Regulador de tensión. Suministra tensión alterna a partir de una red alterna monofasica o trifásica, con la misma frecuencia fija de la red y controlando el valor eficaz de la tensión.

• Convertidor de frecuencia. Suministra tensión alterna a partir de una red alterna monofasica o trifásica de frecuencia fija, con valor eficaz y frecuencia variables según la ley U/f constante. Se utiliza como variador de velocidad para motores asíncronos de jaula.




El convertidor de frecuencia El puente rectificador y los condensadores de filtrado convierten la tensión alterna monofásica o trifásica de la red en tensión continua. A continuación, un puente ondulador de transistores conmuta la tensión continua para generar una serie de impulsos de anchura variable. El ajuste de la anchura de los impulsos y de su repetición permite regular la tensión y la frecuencia de alimentación del motor para mantener una relación U/f constante y, por tanto, el flujo deseado en el motor. La inductancia del motor realiza el alisado de la corriente (consulte el esquema inferior). El control de la modulación se lleva a cabo por medio de un microprocesador y un ASIC. La modulación depende de las tensiones y las frecuencias, por tanto, de las velocidades solicitadas en la salida. Los convertidores de frecuencia son muy fáciles de utilizar para alimentar un motor de jaula estándar. El par que se obtiene permite accionar todo tipo de máquinas, incluyendo las de fuerte par resistente. El convertidor de frecuencia hace posible que el motor funcione en ambos sentidos de la marcha y permite la opción de frenado. La frecuencia de salida puede ser superior a la de alimentación. El variador también se utiliza como arrancador o ralentizador para la puesta en marcha y la parada progresiva adaptada a una rampa. Integra la protección térmica del motor y la protección contra cortocircuitos. El diálogo con el operador se simplifica gracias a los diodos electroluminiscentes, los visualizadores de 7 segmentos, las consolas de puesta en servicio y la posibilidad de interconexión con un microordenador de tipo PC. El diálogo con los automatismos puede realizarse por medio de un enlace serie o de un bus multipunto.




Arrancadores suaves para motores asincrónicos El arrancador es un limitador de velocidad que permite un arranque suave, y también una detención suave, a los motores asincrónicos. Su utilización mejora los valores de arranque de los motores asincrónicos permitiendo un arranque suave sin golpes y controlado. Su utilización permite la supresión de los choques mecánicos que causan el desgaste, tiempos de mantenimiento y tiempos de detención de la producción. Limita la velocidad y las puntas de corriente durante el arranque, en las máquinas para las cuales una velocidad de arranque elevada no es necesaria. Están destinados a las aplicaciones simples siguientes: � transportadoras, cintas transportadoras, � bombas. � ventiladores. � compresores. � pequeñas puertas automáticas. � máquinas a correas... Los arrancadores suaves están equipados: � de un potenciómetro de ajuste (1) del tiempo de arranque, � de un potenciómetro (2) para ajustar el nivel de tensión de arranque en función de la carga del motor, � de 2 entradas (3): - 1 entrada z 24 V o 1 entrada c 110…240 V para la alimentación del control que permite el comando del motor.




Principales funciones de los arrancadores y variadores de velocidad electrónicos Aceleración controlada La aceleración del motor se controla mediante una rampa de aceleración lineal. Generalmente, esta rampa es controlable y permite por tanto elegir el tiempo de aceleración adecuado para la aplicación. Variación de velocidad Un variador de velocidad puede no ser al mismo tiempo un regulador. En este caso se trata de un sistema dotado de un control con amplificación de potencia. La velocidad del motor queda determinada por una magnitud de entrada (tensión o corriente) denominada consigna o referencia. Regulador de velocidad. Un regulador de velocidad es un variador con seguimiento de velocidad. Dispone de un sistema de control con amplificación de potencia. La regulación permite que la velocidad sea prácticamente insensible a las perturbaciones. Generalmente la precisión de un regulador se expresa en % del valor nominal de la magnitud regulada. Deceleración controlada. Cuando se desconecta un motor, su deceleración se debe únicamente al par resistente de la máquina (deceleración natural). Los arrancadores y variadores electrónicos permiten controlar la deceleración mediante una rampa lineal, generalmente independiente de la rampa de aceleración. Esta rampa puede ajustarse de manera que se consiga un tiempo para pasar de la velocidad de régimen fijada a una velocidad intermediaria o nula: .. Si la decelaración deseada es más rápida que la natural, el motor debe de desarrollar un par resistente que se debe de sumar al par resistente de la máquina; se habla entonces de frenado eléctrico, que puede efectuarse reenviando energía a la red de alimentación, o disipándola en una resistencia de frenado. .. Si la deceleración deseada es más lenta que la natural, el motor debe desarrollar un par motor superior al par resistente de la máquina y continuar arrastrando la carga hasta su parada. Inversión del sentido de giro La mayoría de los variadores actuales tienen implementada esta función. La inversión de la secuencia de fases de alimentación del motor se realiza automáticamente o por inversión de la consigna de entrada, o por una orden lógica en un borne, o por la información transmitida mediante una red.




Frenado Este frenado consiste en parar un motor pero sin controlar la rampa de desaceleración. Con, los arrancadores y variadores de velocidad para motores asíncronos, esta función se realiza de forma económica inyectando una corriente continua en el motor, haciendo funcionar de forma especial la etapa de potencia. Toda la energía mecánica se disipa en el rotor de la máquina y, por tanto, este frenado sólo puede ser intermitente. En el caso de un variador para motor de corriente continua, esta función se realiza conectando una resistencia en bornes del inducido. Protecciones integradas Los variadores modernos aseguran tanto la protección térmica de los motores como su propia protección. A partir de la medida de la corriente y de una información sobre la velocidad (si la ventilación del motor depende de su velocidad de rotación), un microprocesador calcula la elevación de temperatura de un motor y suministra una señal de alarma o de desconexión en caso de calentamiento excesivo. Además, los variadores, y especialmente los convertidores de frecuencia, están dotados de protecciones contra:

.. Cortocircuitos entre fases y entre fase y tierra,

.. Sobretensiones y las caídas de tensión,

.. Desequilibrios de fases,

.. Funcionamiento en monofásico.

Estructura y componentes de los arrancadores y variadores electrónicos Se componen de dos módulos generalmente montados en una misma envolvente:

• Un módulo de control que controla el funcionamiento del aparato. • Un módulo de potencia que alimenta el motor con energía eléctrica.

El módulo de control En los arrancadores y variadores modernos, todas las funciones se controlan mediante un microprocesador que gestiona la configuración, las órdenes transmitidas por un operador o por una unidad de proceso y los datos proporcionados por las medidas como la velocidad, la corriente, etcétera... El microprocesador gestiona las rampas de aceleración y deceleración, el control de la velocidad y la limitación de corriente, generando las señales de control de los componentes de potencia. Los límites de velocidad, las rampas, los límites de corriente y otros datos de configuración, se definen usando un teclado integrado o mediante PLC (sobre buses de campo) o mediante PC. Del mismo modo, los diferentes comandos (marcha, parada, frenado...) pueden proporcionarse desde interfaces de diálogo hombre/máquina, utilizando autómatas programables o PC. Los parámetros de funcionamiento y las informaciones de alarma, y los defectos pueden verse mediante displays, diodos LED, etc.




El módulo de potencia El módulo de potencia está principalmente constituido por:

• Componentes de potencia (diodos, tiristores. • Interfaces de medida de las tensiones y/o corrientes, • En aparatos de gran calibre, un conjunto de ventilación.

Los componentes de potencia son semiconductores que funcionan en «todo o nada», comparables, por tanto, a los interruptores estáticos que pueden tomar dos estados: abierto o cerrado. Estos componentes, integrados en un módulo de potencia, constituyen un convertidor que alimenta, a partir de la red a tensión y frecuencia fijas, un motor eléctrico con una tensión y/o frecuencia variables.




ELECCION DE UN VARIADOR El número de aplicaciones que requieren el uso de un variador aumenta de manera constante, aunque todavía no alcanza al de aplicaciones que utilizan un contactor. Para las aplicaciones corrientes, que representan la gran mayoría de los casos, los fabricantes incluyen tablas en sus catálogos que permiten seleccionar y determinar el variador mas adecuado. Dichas tablas corresponden a condiciones ambientales y de funcionamiento normales en base ha:

• El tipo de motor que se alimenta, alterno o continuo. • La tensión de la red. • La potencia del motor.

Esquema básico de un variador de frecuencia

1) Conjunto variador de frecuencia compuesto básicamente de : 2) Rectificador de corrientes trifásicas. 3) Filtrado por condensador. 4) Paso de corriente continua a corriente alterna, a base de tiristores. 5) Detección de la intensidad de corriente Im absorbida por cada fase del motor. 6) Regulación de la variación de frecuencia. 7) Control de la velocidad, que con las referencias de Im (5), velocidad elegida (6)

y filtrado (3), actúa directamente sobre los tiristores a través de (8). 8) Control digital que envía la señal de (7) a (4).




(1) Contacto de relé de falla: permite señalizar a distancia el estado del variador. (2) + 15 V interno. En caso de utilización de una fuente externa +24 V, conectar el 0 V de la fuente al borne 0 V del variador, no utilizar el borne +15 V del variador, y conectar el común de las entradas LI a +24 V de la fuente externa. (3) Salida DO: salida analógica o salida lógica configurable. Tensión interna más 15 V o externa +24V. (4) Miliamperimetro o relé de bajo consumo. (5) Módulo de frenado VW3 A11701, en caso de utilización de una resistencia de frenado.




(1) El valor de corriente corresponde a una red cuya Icc= 1 kA. (2) El valor de corriente corresponde a una frecuencia de corte de 4 kHz. (3) Durante 60 segundos. (4) Con ventilador integrado.




PRACTICAS

VARIADOR DE FRECUENCIA ALTIVAR 16 (TELEMECANIQUE) � MANUAL DE PUESTA EN SERVICIO.

� Verifica de acuerdo a su código, las características del VARIADOR.

- Potencia del VARIADOR. - Potencia máxima en CV del motor a maniobrar. - Tensión de alimentación. Monofasica o trifásica. - Tensión de salida. Monofasica o trifásica.

� ORGANIGRAMA DE PARAMETROS DE REGLAJE.

� Ver y repasar los parámetros que son accesibles con el accesorio de programación y visualizado.

� Desmontar accesorio y colocar "tapadera", con el fin de no tener acceso a modificación de parámetros una vez programado.

� PRACTICAS CON EL VARIADOR.

* Previo. Antes de la manipulación y entrada de datos en el variador, debemos tener ajustados los parámetros por defecto de fabrica.

Abreviatura Significado Concepto Valor

dEc Rampa de deceleración. 3 sg Acc Rampa de aceleración 3 sg LSP Velocidad pequeña. 0 Hz HSP Velocidad alta. 50 Hz Ufr Relación de la tensión y frecuencia. 20 FLG Ganancia del bucle de frecuencia 33 brA Adaptación automática rampa aceleración ON UFt Tipo de la Ley frecuencia N tFr Techo de frecuencia (características fabricante motor)

Ajustar los parámetros de características del motor a conectar. Frs Frecuencia nominal del motor 50 Hz. UnS Tensión nominal del motor 230 V

ItH Protección térmica del motor In ¿




COMENTARIO SOBRE LOS PARAMETROS DE REGLAJE

Abreviatura Comentario rdY Variador listo para funcionar. FrH Visualizacion de la frecuencia que cede el variador al motor en

cada momento. Lcr Visualizacion de lectura del consumo de In del motor. ULn tensión de línea. Acc Tiempo de aceleración, tiempo en segundos que tarda en acelerar

de 0 Hz a 50 Hz. dEc Tiempo de deceleración, tiempo en segundos que tarda de 50 Hz a

0 Hz. LSP Baja velocidad. Frecuencia desde donde empieza la variación. Para

frenado colocar a 0 Hz. HSP Alta velocidad. Máxima velocidad que queremos que alcance el

motor.

UFr Ley tensión Frecuencia. Si no nos mueve la carga a baja frecuencia-velocidad hay que aumentar el par, se regula desde 0 – 99 (Ajustado de fabrica a 20) relacionado con UFT dependiendo del tipo de carga.

FLG Ganancia de bucle de frecuencia. Valor de fabrica 33. hay que aumentar si no hay bastante respuesta de velocidad.

ItH Protección térmica del motor. Ajustar a In del motor. UnS tensión nominal de la placa de características del estator del motor. FrS Frecuencia nominal del motor. Placa de características. tFr Frecuencia máxima salida del variador 40 – 200 Hz. Ajustar según

características del fabricante del motor.

UFt Tipo de Ley tensión Frecuencia. N Normal carga moderada. P Bombas. Ventiladores con bombas centrifugas. L En carga. Elevación, ciclos rápidos.

brA

Adaptación rampa de aceleración, en ON se adapta automáticamente al tiempo de aceleración. En OF desacelera bruscamente, aunque salte el dispositivo de protección.

SLP Compensación de deslizamiento. ON compensa las perdidas por rozamiento. Velocidad constante. OF pierde fuerza.




PRACTICA Nº 1

Nombre………………………………………………… Fecha………………………

PUESTA EN MARCHA DE UN MOTOR A VELOCIDAD Y FRECUENCIA NOMINAL

• * Previo. • Reseñar los valores de frecuencia FrH. • Reseñar los valores de tensión de red Uln. • Reseñar los valores de intensidad del motor Lcr. • Reseñar las r.p.m. con tacómetro.

PRACTICA Nº1

MAGNITUDES VALORES FrH Uln Lcr

r.p.m.




PRACTICA Nº 2

Nombre………………………………………………… Fecha………………………

PUESTA EN MARCHA DE UN MOTOR CON AUMENTO Y DISMINUCION DE VELOCIDAD Y FRECUENCIA, TARANDO LOS VALORES.


Con los valores tFr a 100 Hz y 40 Hz. PRACTICA Nº2

MAGNITUDES 100 Hz 40 Hz FrH Uln Lcr

r.p.m.




PRACTICA Nº 3

Nombre………………………………………………… Fecha………………………

PUESTA EN MARCHA DE UN MOTOR CON AUMENTO Y DISMINUCION DE VELOCIDAD Y FRECUENCIA MEDIANTE POTENCIOMETRO.


• Variando la frecuencia mínima ( baja velocidad LSP valor 0 Hz y alta

Velocidad HSP 100 Hz ) y variando el potenciómetro a 20, 60 y 90 Hz. PRACTICA Nº3

MAGNITUDES 20 Hz 60 Hz 90 Hz FrH Uln Lcr

r.p.m.




PRACTICA Nº 4

Nombre………………………………………………… Fecha………………………

PUESTA EN MARCHA DE UN MOTOR A VELOCIDAD Y FRECUENCIA NOMINAL.

ACCIONANDO LA INVERSION DEL SENTIDO DE GIRO.

• * Previo. • Reseñar los valores de frecuencia FrH. • Reseñar los valores de tensión de red Uln. • Reseñar los valores de intensidad del motor Lcr.

• Reseñar las r.p.m. con tacómetro. • Accionar el conmutador de inversión y ver la deceleración y la aceleración.

PRACTICA Nº4

MAGNITUDES VALORES FrH Uln Lcr

r.p.m.




PRACTICA Nº 5

Nombre………………………………………………… Fecha……………………… AUMENTO Y DISMINUCION DE LA RAMPA DE ACELERACION Y DECELERACION.


• Reseñar las r.p.m. con tacómetro. • Ajustar los valores de dEc a 6 sg. • Ajustar los valores de Acc a 6 sg. • Ajustar los valores de dEc a 1 sg. • Ajustar los valores de Acc a 10 sg.

PRACTICA Nº5

MAGNITUDES 6-6 sg 1-10 sg FrH Uln Lcr

r.p.m.




PRACTICA Nº 6

Nombre………………………………………………… Fecha……………………… AUMENTO Y DISMINUCION DE LA RAMPA DE ACELERACION Y DECELERACION. E INVERSOR DEL SENTIDO DE GIRO.


• Reseñar las r.p.m. con tacómetro. • Accionar el conmutador de inversión y ver la deceleración y la aceleración.

PRACTICA Nº6

MAGNITUDES 6-6 sg 1-10 sg FrH Uln Lcr

r.p.m.




3ª EVALUACION MODULO S. E. P VARIADOR DE FRECUENCIA

Nombre…………………………………………………. Fecha………………………. 1. Explica los distintos tipos de Variadores que conoces. 2. Explica el funcionamiento del convertor de frecuencia. 3. Esquema básico de variador de frecuencia. 4. Comenta los siguientes parámetros:

FrH……………………………………………………………………………………. Lcr…………………………………………………………………………………….. dEc………………………………………………………………………………….… HSP…………………………………………………………………………………… Acc……………………………………………………………………………………. tFr……………………………………………………………………………………….

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