Download Diapositiva 1 - Power Electronics

CAP 2
MOTOR INDUCCIÓN
Y ARRANCADOR ELECTRÓNICO
10 Enero 2013
MOTORES DE JAULA DE ARDILLA
» El motor de inducción, asíncrono o de jaula de ardilla, está formado por dos partes:
» El estator.
» El rotor (fijado a un eje).
» Sección motor
» Sección motor
MOTORES DE INDUCCIÓN
» El rotor se construye con barras cortocircuitadas por
medio de anillos en los extremos, formando la denominada
jaula de ardilla.
» Construcción motor
MOTORES DE INDUCCIÓN
Conectándolo a una fuente de alimentación trifásica, en el
estator se genera un campo magnético giratorio (flujo).
Esto es debido a:
» La disposición física de los devanados del estator:
3 bobinas separadas 120º físicos.
» La corriente en estos devanados está desfasada
120º eléctricos.
» Líneas de flujo
MOTORES DE INDUCCIÓN
» Las líneas de flujo (flechas) inducen unas corrientes en
las barras del rotor.
» Cuando sobre un conductor por el que circula una
corriente, actúa un campo magnético, la resultante es una
fuerza que origina el par y por tanto la rotación del rotor.
60  f
ns 
p
m  est  J
Pm  m  
Pe  3 U  I
»
»
»
»
»
»
ns: Velocidad Sincronismo
f: frecuencia alimentación (Hz)
p: Pares de polos del motor
Pm: Potencia en el eje del motor (W)
Г: Par (N·m)
J: Momento de inercia (kg·m2 )
»
»
»
»
»
α : Aceleración angular (rad/s2)
ω: Velocidad angular (rad/s)
Pe: Potencia Eléctrica (W)
U: Tensión motor (V)
I: Corriente absorbida (A)
CAMPO
GIRATORIO
» Campo giratorio
CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN MOTOR: TRANSFORMADOR
» El circuito equivalente de un motor se puede entender como un transformador.
IM: Corriente de Magnetización.
Corriente “imaginaria” que circula por el
estator. Responsable del flujo del motor.
IR: Corriente de Rotor.
Corriente “real” que circula por el rotor,
generadora de par. Aumenta con la carga del
motor.
CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN MOTOR: TRANSFORMADOR
» Controlando la tensión aplicada en el estator
» Con el aumento de la velocidad del motor, el
(E1) se puede controlar la corriente de
magnetización (IM) y por tanto el flujo.
deslizamiento (S) disminuye e Ir disminuye.
E1
IM 
2· · f ·LS
Ir 
E2 .S
R 2 r  ( X 2 ·S ) 2
CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN MOTOR: MONOFÁSICO
» El circuito equivalente de un motor en cada fase también se puede simplificar de la siguiente
forma:
Inductancia Magnética
Resistencia de Carga.
Si S  entonces R 
» El deslizamiento en un motor es función de la velocidad:
s
nS  nR
%
nS
CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN MOTOR: MONOFÁSICO
» En el momento del arranque el motor se comporta como un transformador con el secundario en
cortocircuito. Ir aumenta porque equivale a una corriente de cortocircuito.
Ir  ( 7-10 )xIn
» Con el aumento de la velocidad del rotor cosφR mejora y por tanto Ir decrece
CORRIENTE - ARRANQUE DIRECTO
CORRIENTE - ARRANQUE DIRECTO
» En ningún caso se alcanza el deslizamiento nulo (s=0). Si eso sucediese el motor perdería la
capacidad de generar par.
» La corriente nominal se alcanza aproximadamente al 95%-98% de la velocidad de sincronismo.
REDUCCIÓN DE TENSIÓN
» Se puede demostrar que:
» Si la tensión de entrada (E1) varía, entonces el par (T) varía con el cuadrado de la misma.
T   E1²
» En el arranque, el par es proporcional al cuadrado de la tensión de entrada.
RELACCIÓN PAR - VELOCIDAD
RELACCIÓN PAR - VELOCIDAD
TIPO DE ARRANQUES TRADICIONALES
» Existen distintos tipos de arranque para un motor:
»
»
»
»
Arranque directo. (DOL)
Arranque estrella triángulo. (Y/∆)
Arranque con resistencias estatóricas.
Arranque con resistencias rotóricas ( motor rotor bobinado)
» Básicamente todos ellos presentan ciertos problemas.
 Exceso de par
 Altas corrientes de arranque
 Cableado complejo
PROBLEMAS EN EL ARRANQUE DE UN MOTOR
» EXCESO DE PAR APLICADO: Aunque el par resistente inicial sea bajo, durante el arranque
directo se producen una serie de oscilaciones bruscas del par a medida que la velocidad aumenta.
Es básicamente un arranque incontrolado.
» Desventajas:
 Shocks mecánicos.
 Deslizamiento en las correas.
 Stress en las trasmisiones.
 Sobrepresiones.
PROBLEMAS EN EL ARRANQUE DE UN MOTOR
» ALTA SOBRECORRIENTE: La corriente típica, en el momento del arranque, es entre 7 y 10
veces la corriente nominal. Esto es debido a que en el arranque el deslizamiento es máximo y el
motor se comporta como un transformador con el secundario en cortocircuito.
» Desventajas:
 Caídas bruscas de tensión en líneas de poca capacidad.
 Sobredimensionado de contactores.
 Cálculo de fusibles adecuados.
CONEXIÓN ARRANQUE DIRECTO
» FINALIDAD: El motor funciona desde el momento de conexión a sus valores nominales
ARRANQUE DIRECTO
» RESULTADO: Elevada corriente de arranque. Arranque incontrolado.
CONEXIÓN ARRANQUE ESTRELLA – TRIÁNGULO
» FINALIDAD: Reducir la intensidad de fase de arranque, aunque sea a costa de reducir el par.
CONEXIÓN ARRANQUE ESTRELLA – TRIÁNGULO
» MOTOR: Es necesario que el motor tenga los bobinados del estator accesibles y configurados
para un cableado doble.
CONEXIÓN ARRANQUE ESTRELLA – TRIÁNGULO
» RESULTADO: Sobrecorrientes en la reconexión. Pérdida de alimentación. Arranque incontrolado.
OBJETIVOS
» ARRANQUE MECÁNICO PERFECTO: Vencer el par inicial paulatinamente.
» CONTROLAR EL PAR DEL MOTOR: Para controlar la aceleración del motor.
» CONTROL DEL PARO: Decelerar de forma controlada.
» MANTENIMIENTO: Ahorro en operaciones de mantenimiento de las instalaciones.
» LIMITAR LA CORRIENTE DE ARRANQUE: Para no afectar a la red de suministro.
» SANCIONES: Evitar penalizaciones por puntas de corriente que excedan la potencia contratada.
Se puede conseguir ahorro en las facturas.
ARRANCADORES ESTÁTICOS DE POWER ELECTRÓNICS
PRINCIPIOS DE LOS ARRANCADORES ESTÁTICOS
» El principio de los arrancadores estáticos es el denominado: CONTROL DE FASE.
» Controlando el instante de disparo de los tiristores se controla el valor de la tensión eficaz
aplicada a la carga.
» Con la conexión en antiparalelo de dos tiristores se puede controlar tensiones alternas y controlar
semiciclos positivos y negativos.
PRINCIPIOS DE LOS ARRANCADORES ESTÁTICOS
» Conexión de tiristores en antiparalelo.
» Tensión eficaz aplicada a la carga.
MÉTODO DE ARRANQUE: RAMPA DE TENSIÓN
» La rampa de tensión es un método de arranque en el que se aumenta progresivamente la tensión
aplicada al motor:
 No existe desconexión de alimentación.
 El nivel de tensión inicial es ajustable.
 Se puede ajustar el tiempo.
 También se puede controlar la parada del motor.
MÉTODO DE ARRANQUE: CORRIENTE CONSTANTE
» La corriente se fija a un valor determinado en función de la aplicación, por ejemplo (Ia=3xIn).
 Al principio la corriente se incrementa hasta alcanzar dicho valor.
 En este punto, el algoritmo de control no deja que la corriente disminuya.
 Para ello va incrementando la tensión de modo que se pasa de una curva a otra
manteniendo la corriente constante durante el arranque.
MÉTODO DE ARRANQUE: CORRIENTE CONSTANTE
» La corriente se fija a un valor determinado en función de la aplicación, por ejemplo (Ia=3xIn).
 Al principio la corriente se incrementa hasta alcanzar dicho valor.
 En este punto, el algoritmo de control no deja que la corriente disminuya.
 Para ello va incrementando la tensión de modo que se pasa de una curva a otra
manteniendo la corriente constante durante el arranque.
COMPARACIÓN DISTINTAS FORMAS DE ARRANQUE: DATOS
COMPARACIÓN DISTINTAS FORMAS DE ARRANQUE:
VENTAJAS
COMPARACIÓN DISTINTAS FORMAS DE ARRANQUE:
DESVENTAJAS
COMPARACIÓN DISTINTAS FORMAS DE ARRANQUE:
APLICACIONES Y COSTES
COMPARACIÓN PROTECCIONES
ARRANCADOR
» FALTA DE FASE:
Se controla si una o varias fases de entrada no
suministran tensión al arrancador para parar.
ESTRELLA – TRIÁNGULO
» FALTA DE FASE:
No se puede controlar. Problemas de
estabilidad y para generar par. El motor se
quema si la protección no está bien diseñada.
» SECUENCIA DE FASES:
Se detecta si la secuencia correcta (R-S-T)
para que el motor gire según las agujas del
reloj, está o no cambiada.
» SECUENCIA DE FASES:
Si está cambiada, el motor gira en sentido
contrario. Peligro para la aplicación. Sucede
después de operaciones de mantenimiento por
error en contactor.
» DESEQUILIBRIO ENTRE FASES:
Se controla si hay un desequilibrio en el
consumo de corriente entre fases mayor al
40%
» DESEQUILIBRIO ENTRE FASES:
No se puede controlar. Si se trabaja con
corrientes asimétricas, se producen
vibraciones y con el tiempo problemas
mecánicos.
COMPARACIÓN PROTECCIONES
ARRANCADOR
» SOBRECARGA MOTOR:
Se ha detectado un consumo de corriente
excesivo. Durante el arranque puede ser
debido a un problema mecánico. En régimen
nominal, puede ser por problemas de ajustes o
por variaciones en la carga. Existe un aviso
para esta señal que permite ser muy preciso
en el ajuste.
» SUBCARGA MOTOR:
Se ha detectado un consumo de corriente
inferior al ajustado. Está pensado para
proteger la aplicación. (Por ejemplo, bombas
sumergidas).
ESTRELLA – TRIÁNGULO
» SOBRECARGA MOTOR:
No se detecta un consumo de corriente
excesivo. El ajuste es muy impreciso. A medio
largo plazo se acaba dañando.
» SUBCARGA MOTOR:
No se puede detectar.
COMPARACIÓN PROTECCIONES
ARRANCADOR
» SOBREINTENSIDAD:
La corriente que ha circulado por el arrancador
el 6 veces la intensidad nominal del equipo. El
rotor puede estar bloqueado. Existe
información del momento del fallo: arranque,
régimen nominal o deceleración. Rápida
actuación.
» SOBRETEMPERATURA PTC MOTOR:
Disparo por PTC del motor. Sobretemperatura
del motor.
ESTRELLA – TRIÁNGULO
» SOBREINTENSIDAD:
Existe protección contra sobrecorriente, pero
no existe información del momento en el que
se produce. Reintentos de arranque y
problemas para el motor.
» SOBRETEMPERATURA PTC MOTOR:
Disparo por PTC del motor. Para detectar esto
se necesita un hardware adicional, lo que
incrementa el costo.
COMPARACIÓN PROTECCIONES
ARRANCADOR
» CORRIENTE DE SHEARPIN:
La corriente del motor ha alcanzado el valor
mayor ajustado en régimen nominal. El rotor
puede estar bloqueado mecánicamente o
puede haber un fallo mecánico. Protege la
mecánica delicada.
ESTRELLA – TRIÁNGULO
» CORRIENTE DE SHEARPIN:
No existe.
» ALTA TENSIÓN DE ENTRADA:
Voltaje de red elevado. Verificar las tensiones
de línea y los parámetros.
» ALTA TENSIÓN DE ENTRADA:
Si la tensión de red es elevada, puede trabajar,
pero si la situación permanece, habrá una
pérdida de aislamiento.
» BAJA TENSIÓN DE ENTRADA:
Voltaje de red bajo. Verificar las tensiones de
línea y los parámetros. Ofrece un servicio al
entrono de protección adicional: protección de
armarios de mando.
» BAJA TENSIÓN DE ENTRADA:
Voltaje de red bajo. La corriente se incrementa.
Si las protecciones no están bien diseñadas el
motor se puede quemar.
VENTAJAS ADICIONALES
» CONTROL DINÁMICO DE PAR:
La serie V5 incorpora un “Control Dinámico de
Par”, exclusivo de Power Electronics, que
asegura un arranque suave y progresivo en
aquellas aplicaciones que presentan un
momento de inercia elevado. Con este
algoritmo de control conseguiremos una
aceleración progresiva y una optimización de
la punta de corriente durante el arranque.
VENTAJAS ADICIONALES
» CONTROL DINÁMICO DE PAR:
• El par no está obligado a ajustarse a una
forma predeterminada: lineal o cuadrática.
• El par va incrementándose en tanto se
detecta que el motor no acelera.
• Tan pronto el motor acelera el para se
mantiene.
• Si se quiere llegar antes al final, la rampa
será más rápida.
• En ningún caso se está entregando más par
del que se necesita, con lo que no se está
perdiendo energía.
VENTAJAS ADICIONALES
» TARJETA DE CONTROL ÚNICA PARA
TODAS LAS POTENCIAS:
• Se reduce el stock de repuestos.
• La resolución de averías es muy simple por la
unificación de la electrónica.
• Existen LEDS y DISPLAY de información
para el usuario que indica el tipo de avería.
» Tarjeta de control única
ANEXO I
CASO DE ESTUDIO REAL
ANÁLISIS COMPARATIVO PRÁCTICO
» Simulación de las cargas de un ascensor.
» Comparación de comportamiento en el arranque.
» Problemas para el motor.
» Conclusiones.
ANÁLISIS CON PAR RESISTENTE DEL 15%
» DATOS:
Par resistente = 15% del Par nominal.
» ESTRELLA-TRIÁNGULO:
 Tiempo de conmutación: 3seg.
 Velocidad: Aumenta progresivamente hasta
el 60% y en la conmutación cambia
bruscamente.
 Corriente: aumento brusco de 1.3 a 4 veces
la In.
» ARRANCADOR:
 Tiempo limitación corriente : 1seg.
 Velocidad: Aumenta progresivamente hasta
el 100% sin cambiar bruscamente.
 Corriente: Controlada por la limitación de 3
veces la In. Aproximadamente en 2 seg. llega
el final del arranque.
» Medida de señales
ANÁLISIS CON PAR RESISTENTE DEL 25%
» DATOS:
Par resistente = 25% del Par nominal.
» ESTRELLA-TRIÁNGULO:
 Tiempo de conmutación: 3seg.
 Velocidad: Aumenta progresivamente hasta
el 20% y en la conmutación cambia
bruscamente.
 Corriente: aumento brusco de 1.6 a 5 veces
la In.
» ARRANCADOR:
 Tiempo limitación corriente : 1seg.
 Velocidad: Aumenta progresivamente hasta
el 100% sin cambiar bruscamente.
 Corriente: Controlada por la limitación de 3
veces la In. Aproximadamente en 2,5 seg.
llega el final del arranque.
» Medida de señales
ANÁLISIS CON PAR RESISTENTE DEL 35%
» DATOS:
Par resistente = 35% del Par nominal.
» ESTRELLA-TRIÁNGULO:
 Tiempo de conmutación: 3seg.
 Velocidad: Se mantiene casi constante en
un 16% y en la conmutación cambia
bruscamente.
 Corriente: aumento brusco de 1.5 a casi 5
veces la In.
» ARRANCADOR:
 Tiempo limitación corriente : 1seg.
 Velocidad: Aumenta progresivamente hasta
el 100% sin cambiar bruscamente.
 Corriente: Controlada por la limitación de 3
veces la In. Aproximadamente en 3 seg. llega
el final del arranque.
» Medida de señales
RESUMEN DEL ANÁLISIS COMPARATIVO
» Medida de señales
TENSIÓN EN UNA BOBINA DEL MOTOR
» OBJETIVOS:
Ver tensiones en el momento del cambio de
estrella a triángulo.
» RESULTADO:
 Momento de conmutación: Transitorio de
1700V pico a pico.
 40ms después: Transitorio de 1400V pico a
pico.
» CONCLUSIÓN:
 Primer transitorio debido a rebotes
mecánicos del contactor.
 Segundo transitorio debido a que la tensión
del motor está en contra fase con la de la red.
» Medida de señales
ANÁLISIS COMPARATIVO TOTAL
» Con el incremento del par desde el 15% hasta el 35% del par nominal:
» La velocidad pasa del 60%, luego el 20% y el 16% con el par mayor: A MEDIDA QUE
AUMENTA EL PAR LA ESTRELLA TIENE PROBLEMAS PARA LANZAR EL MOTOR.
TIEMPO DE CONMUTACIÓN FIJO.
» La corriente sufre unos bruscos saltos que van desde 1,3-1,6 hasta 4-5 veces la
nominal: CAMBIO BRUSCO EN LA VELOCIDAD, CAMBIO BRUSCO DE PAR Y
CASTIGO DE LAS PARTES MECÁNICAS.
CONCLUSIONES FINALES
» La corriente de pico en el arranque a
igualdad de condiciones es SIEMPRE MEJOR
con ARRANCADOR.
» La corriente de pico en el arranque a
» Con un par resistente superior al 35% de par
nominal, el ARRANCADOR no tiene ningún
problema para lanzar el motor.
» Con un par resistente superior al 35% de par
nominal, la ESTRELLA-TRIÁNGULO se
comporta COMO un ARRANQUE DIRECTO,
porque durante la estrella el motor no es capaz
de acelerar.
» ACELERACIÓN PROGRESIVA con el uso
de ARRANCADOR: NO STRESS en las
transmisiones.
» ACELERACIÓN BRUSCA del motor con la
conmutación de ESTRELLA-TRIÁNGULO:
PROBLEMAS de fatiga mecánica.
igualdad de condiciones es SIEMPRE PEOR
con ESTRELLA - TRIÁNGULO.
CONCLUSIONES FINALES
» Si hay un ELEVADO número de
ARRANQUES, los TIRISTORES no tienen
limitada la vida por exceso de maniobras
debido a la AUSENCIA DE PARTES
MÓVILES.
» NO HAY MANTENIMIENTO PREVENTIVO,
porque no hay partes móviles.
» Si hay un ELEVADO número de
» FLEXIBILIDAD PARA AJUSTES DE
CORRIENTE MÁXIMA: evitamos caídas de
tensión que afecten al edificio donde están
instalados.
» NO SE PUEDE AJUSTAR LA CORRIENTE
MÁXIMA: tiempo de conmutación fijo, sin
saber a qué velocidad está el motor.
» CONFORT DE PASAJEROS: puesto que no
hay cambios bruscos, sino paulatinos.
» REDUCIDO CONFORT: existen cambios
bruscos en la conmutación.
ARRANQUES, con la configuración
ESTRELLA-TRIÁNGULO tendremos
PROBLEMAS.
» SI ES NECESARIO MANTENIMIENTO
PREVENTIVO (COSTO), por la vida media de
los elementos mecánicos de las maniobras.
LA SERIE V5
» Visualizaciones mediante display en
castellano
» Display inteligente
» Protección de subcarga
» Amplio rango de tensiones
» Elementos de potencia modulares
» Tarjeta de control única
» Normativas internacionales y marcaje CE
» PROTECCIONES:
• Sobrecarga 0.8 a 1.2 In
• Tiempo actuación sobrecarga
• Subcarga 0.2 a 0.6 In
• Tiempo actuación subcarga
• Modo de corriente shearpin
• Corriente shearpin
• Termistor PTC
• Fallo de fase
• Desequilibrio de fases >40%
• Rotor bloqueado
POWER ELECTRONICS
agradece su atención
Más información en:
www.power-electronics.com