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Capitulo 12

Control de velocidad de motores eléctricos DC-AC

12.1 El cambio de sentido de giro en motores DC

¿Cómo se realiza la inversión de marcha en los camiones 830E?

En los motores DC la inversión de giro puede hacerse invirtiendo la polaridad de laalimentación en el circuito de campo o en el circuito de armadura.

En los motores DC de los camiones 830E, la inversión de giro para la marcha hacia atrás, serealiza en el circuito de campo.

Circuito inversor, camión 830E

La inversión se realiza mediante un contactor llamado “Reverser” y controlado por programa conreferencia a la palanca de sentido de marcha del operador.

¿Por qué se han colocado dos varistores MFDR en paralelo con el contactor “Reverser”?

Los varistores sirven para evitar sobre tensiones en el circuito de campo de los motores debido amaniobras como la inversión de sentido de giro donde se generan altas tensiones en losterminales de las bobinas.

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12.2 Cambio de sentido de giro en motores AC

¿Cómo es la inversión de marcha en los motores AC?

En los motores de inducción trifásicos tipo jaula de ardilla, la inversión se hace permutando dosterminales del motor.

Circuitos de fuerza y mando para inversión de giro

El circuito de la figura anterior es empleado para la inversión de giro en motores de bajapotencia.

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¿Este procedimiento de inversión de giro es siempre el mismo para todos los motores AC?

No, esto es debido a la fuerte corriente que demandan los motores en el arranque o inversión degiro, valor que puede ser hasta ocho veces la corriente nominal.

La variedad de arranques para motores AC es en buena parte orientada a limitar la corriente en laconexión.

Arranque estrella – triangulo, circuitos de fuerza mando

¿Cómo es la inversión de marcha en los camiones que emplean motores AC?

Los camiones 930E-3/4, no permutan dos terminales si no la secuencia de las ondas del sistematrifásico pero este cambio se realiza mediante el software.

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La inversión de giro está en el orden de disparo de los GTO’s, camión 930E

Existen solo dos secuencias de fase, la secuencia “derecha” y la “ izquierda”. Estas se puedendetectar con el instrumento llamado “Secuencímetro”.

Secuencímetro TECPEL

Al ser gobernados por inversores, los motores AC pueden invertir su sentido de giro cambiandola secuencia de disparo de los GTO’s o IGBT’s.

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¿Cómo se observarían las ondas de voltaje?

Pueden observarse mediante un osciloscopio de mas de dos canales donde se puede apreciar elorden de las ondas, pero es mas práctico observarlas mediante el sentido de giro de un motortrifásico.

Es necesario notar que en el camión no pueden tomarse mediciones de secuencia ni de forma deonda con osciloscopio por el elevado voltaje con el que trabajan los inversores así como la formay frecuencia de las ondas.

12.3 El problema del diferencial

¿Cómo es el cambio de dirección en los vehículos mecánicos?

El cambio de dirección en los vehículos ha originado el empleo de un dispositivo conocidocomo diferencial.

Diferencial: semiejes girando a la misma velocidad

Cuando los semiejes giran a la misma velocidad los planetarios giran con los satélites.

Diferencial: un semieje detenido

Si un semieje se detiene, los satélites giran sobre el planetario detenido moviéndose el otrosemieje.

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El problema es mantener el torque proporcional a la velocidad a medida que se produzca un girodonde, como se sabe, una rueda gira a más velocidad que la otra.

Diferencial: movimiento en línea recta, los satélites no giran sobre sus ejes

Diferencial: curva cerrada, un semieje detenido, los satélites giran sobre sus ejes

Diferencial: curva suave, un semieje mas rápido que el otro

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¿Cómo es el cambio de dirección en los camiones 830E?

El problema de las diferentes velocidades en las ruedas ha sido resuelto en los camiones conmotores DC conectando las dos armaduras en serie.

El cambio de dirección origina torques distintos en las ruedas

Al realizar un cambio de dirección, una de las ruedas experimenta mayor oposición almovimiento, es decir se le pide más torque y menor velocidad.

Al producirse este fenómeno y estar las armaduras en serie la fuerza electromotriz (fem)disminuye en la armadura que esté a menor velocidad.

Efecto de la fuerza electromotriz sobre las armaduras

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Como el alternador mantiene el voltaje sobre las dos armaduras, el voltaje debe necesariamentesubir en la otra armadura elevando su velocidad.

Aquí se aprecia en forma eléctrica que el torque proporcionado por los motores se adecua a lavelocidad.

¿Se produce algún otro fenómeno debido a esta conexión?

Si una de las ruedas patina, se incrementa la fem en esa rueda por tanto disminuye en la otrareduciendo su velocidad.

¿Puede ocasionar algún tipo de problema esta disposición de las armaduras?

Si se produce el deslizamiento de una rueda y el deterioro de su sensor de velocidad, la corrientese incrementará naturalmente y podría deteriorar esta armadura.

12.4 El motor DC como generador

¿Cómo un motor DC se convierte en generador DC?

El Motor que emplea el 830E, es del tipo excitación independiente, si el torque proviene delexterior de la rueda y se suprime la corriente de armadura; el motor se transforma en generador.

El descenso del camión proporciona el torque externo

¿Qué es lo que ocurre en la armadura?

La armadura al girar dentro de un campo magnético genera tensiones inducidas y corrientes queson dirigidas a las parrillas.

La corriente que circula al colocársele resistencias a la armadura genera a su vez un campomagnético que produce un torque opuesto al que mueve la rueda.

Se produce así el frenado dinámico. Si desconectamos las parrillas en un descenso con estefrenado perderíamos el torque opositor.

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Principio generador

¿Qué es necesario para el frenado dinámico?

Nótese que para el frenado es necesario:

a) Corriente de excitación de campo

b) Torque externo

c) Supresión de corriente de armadura del convertidor - alternador

Diagrama esquemático del generador

¿Cual es la diferencia entre extraer la corriente de la armadura con escobillas de uncolector y con anillos rozantes?

El colector permite “rectificar la corriente” lo que no ocurre con los anillos donde se obtiene laonda alterna como corresponde a la tensión inducida básica.

Los anillos se emplean en máquinas de corriente alterna.

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Tensión inducida en la armadura con colector

¿Cómo se determina el sentido de la corriente inducida?

Mediante la regla de Lenz o regla de la mano derecha o del sacacorchos.

Regla de la mano derecha para el sentido de la corriente inducida

¿Cómo se controla la corriente de armadura durante el frenado dinámico?

Si bien podría suponerse que cuando el motor funciona como generador la corriente de armadurafluye libremente dependiendo únicamente del pedal de retardo y la acción de los RP se observaen el software de control que la corriente de excitación del motor –generador varía.

Por consiguiente se controla la corriente generada también con la excitación del motor-generador.

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Sentido de la corriente de armadura e inversión del torque

12.5 El motor AC como alternador

¿El alternador del 930E es similar al motor de tracción AC?

No, físicamente son distintos; el alternador posee un rotor bobinado y cuenta con anillos rozantespara la inyección de corriente de excitación DC.

Freno de parqueo y extremo final del motor de tracción 5GDY 85/106, 930E

En un motor de inducción el rotor está separado eléctricamente del estator

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El motor de tracción es del tipo jaula de ardilla y no tiene ninguna conexión eléctrica con elestator.

¿Si no son iguales como es que el motor AC de tracción genera corriente?

El motor AC jaula de ardilla puede generar corriente alterna pero es un alternador fuera de locomún y es conocido como alternador asíncrono.

El rotor genera campo magnético

Se le llama así por que no trabaja a velocidad síncrona sino al igual que en los motores AC avelocidades, en este caso, distintas a ella.

En el camión existe otro alternador que es el similar al que tienen todos los vehículos modernosy emplea corriente de excitación DC.

¿Cómo funciona entonces el alternador asíncrono?

Deben cumplirse las mismas condiciones que se dan para el funcionamiento de un alternadorsíncrono:

a) Debe haber un torque externo

b) Debe haber corriente de excitación

¿Cómo puede haber corriente de excitación si el rotor está aislado eléctricamente delestator?

El rotor jaula de ardilla como sabemos posee una estructura de aluminio que inducida por elestator genera una corriente que está circulando por un devanado en cortocircuito.

Esta corriente es intensa y retardada por el fenómeno inductivo, si cesa el campo magnético quese genera desde el estator, esta corriente se prolonga por algunos milisegundos; es una corrientede excitación.

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Esta corriente es intensa pero breve que inducirá una corriente en el estator por tanto elcomportamiento como alternador AC es también corto.

¿Cómo es que en los camiones 930E el comportamiento como alternador del motor AC esprolongado?

Se requiere conseguir inyectar una corriente al motor AC para la excitación en formapermanente.

Esto no es posible en el sistema del camión pues este esta inmerso en un proceso irreversible defrenado, alimentar normalmente al motor AC desde el rectificador principal agravaría laaceleración.

No puede entonces provenir energía del alternador a través del rectificador principal.

¿De donde puede venir esta corriente de “excitación”?

Proviene del banco de condensadores, que se encuentran sobre las barras Link.

Condensador para la regeneración sobre las barras, camión 930E-3

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Estos condensadores electrolíticos de relativa gran capacidad y alto voltaje (2700uF-1800V) sonlos que mantienen el proceso de inyección de corriente de excitación en forma “cuasi”permanente.

En realidad el motor AC siempre genera corrientes por un instante y recibe excitación duranteotro.

Banco de condensadores en la parte inferior del gabinete de control, camión 930E-4

¿Cómo es este proceso?

Como se aprecia en el gráfico, el proceso de frenado regenerativo es en realidad discontinuo perorápido.

Voltaje en el condensador y corriente en la resistencia de frenado durante el frenado regenerativo

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El tiempo “T” es de milisegundos y es el condensador el que almacena la energía para laexcitación del alternador asíncrono y también para las parrillas.

Condensador en proceso de carga (+) durante el funcionamiento como alternador asíncrono

Condensador en proceso de carga (-) durante el funcionamiento como alternador asíncrono

¿Pueden los condensadores almacenar toda la energía de la regeneración?

La energía que puede almacenar el banco de condensadores del 930E-3 y la potencia quepueden entregar diez capacitores de 2700Uf durante, supongamos 1ms, con una variación devoltaje de 100V es:

kWWt

EP

JV

CE

5,12112150010.1

5,121

5,1212

300.102700

2

3

26

2

Para diez capacitores:

kWPPTOTAL 1215.10

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Que es una potencia bastante grande para la excitación. Para el 930E-4 los capacitores sonsemejantes.

¿Pueden funcionar simultáneamente un GTO y el diodo de retroalimentación que tiene enparalelo en los inversores del 930E?

No, al funcionar uno de ellos el otro queda polarizado inversamente.

Voltaje sobre el IGBT durante la inversión

¿No se deterioraría el IGBT’s al ser polarizado inversamente por el diodo deretroalimentación?

No, pues recordemos que el voltaje directo del diodo de retroalimentación cuando conduce esmucho menor que el voltaje máximo inverso CE que puede soportar el IGBT.

Voltaje sobre el IGBT durante la regeneración, camión 930E-4

¿La frecuencia del motor AC como alternador es similar a la del voltaje que recibe delinversor?

No, el motor como alternador gira a una velocidad mayor a la del campo magnético giratorio yse le denomina “hipersíncrona”.

La velocidad del motor AC en este estado es menor que la que tiene el campo magnéticogiratorio en funcionamiento como motor AC normalmente controlado de manera semejante acomo lo hace un variador de frecuencia.

La frecuencia del voltaje generado por el motor del camión durante el frenado depende de lafrecuencia con la que el inversor proporcione la excitación.

Lo curioso es que la frecuencia no depende de la velocidad que adquiera el rotor del motor. Estees un tema bastante profundo en la investigación del funcionamiento del alternador asíncrono.

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Condensador en descarga durante el frenado regenerativo

No olvidemos que la frecuencia del voltaje que proviene del banco de condensadores depende delos pulsos de control de los inversores.

Es el controlador quien determina el estado de frenado regenerativo al establecer la velocidadhipersíncrona.

¿La corriente que genera el motor AC-alternador es derivada solo para la excitación?

Solo una parte, la mayor cantidad va hacía las parrillas este proceso es en parte controlado por elpedal de retardo y otra por el controlador a través del chopper.

Circuitos que reciben alimentación durante el frenado regenerativo

Esto hace que el proceso de frenado sea mucho mas eficiente que en los camiones 830E.

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¿Cómo seria el inversor si el sistema del camión se acoplara a una red externa?

En casos donde los motores AC estén conectados a una red de corriente alterna (barra infinita), lacorriente regenerada puede inyectarse a la red mediante un convertidor DC-AC.

Convertidores en doble funcion

¿Por qué se dice que el motor AC para que funcione como alternador recibe comoexcitación potencia reactiva?

El circuito que demanda corriente cuando ocurre la regeneración son las bobinas trifásicas delmotor de inducción, este circuito es predominantemente inductivo por tanto la potencia queabsorbe es reactiva.

Flujo de potencia del alternador asíncrono

Motor ACAsíncrono

(Alternador)

Excitación ACTensión trifásica

Frecuenciadesconocida

Q P,Q=S

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12.6 Emparrillamiento parcial

¿Los motores de tracción DC pueden emparrillarse independientemente?

Si observamos la disposición de contactores RP de los motores de tracción DC, notaremos que esposible que cada armadura pueda conectarse independientemente con una parte de lasresistencias de frenado.

Si una de las ruedas posteriores patina, el camión tenderá a irse hacia uno de los lados. Se corrigela dirección frenando la rueda contraria. Esto puede ocurrir de tres formas:

a) Durante el frenado regenerativo en descenso (“Slice”)

b) Durante la marcha normal en plano

c) Durante el ascenso (“Spin”)

Parrillas en descenso

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¿Cómo es este control durante el frenado en descenso?

Si se esta produciendo el frenado regenerativo, uno de los contactores RP (1 ó 2) se cierra. Enese momento el grupo parcial de resistencias adyacente, es la carga eléctrica de la armadura queestá generando.

¿Cómo es este control durante la marcha normal en plano?

Al estar en marcha normal, la conexión del grupo parcial de resistencias de una de las armadurasno corresponde a un “emparrillamiento” como durante el frenado regenerativo.

Ahora las resistencias forman una derivación en paralelo que hará disminuir la corriente por laarmadura. Se conseguirá reducir el torque y la velocidad.

Parrillas marcha normal en plano

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¿Como es este control durante el ascenso?

El ascenso es una marcha normal con mayor requerimiento de potencia en ambas ruedas. Eldeslizamiento aquí se conoce como “Spin”.

Al igual que en la marcha normal en plano no existe realmente un frenado regenerativo sino masbien una derivación de la corriente que va por una de las armaduras. El circuito sería similar alde marcha en plano

El software exige condiciones mínimas de tiempo y velocidad para corregir el desvío de ladirección por el deslizamiento.

La demora se debería a la compensación que auto mágicamente realizan las armaduras en serie.