Regulación y control electrónico de motores electricos

Tema 9

Regulación y control electrónico de motores

1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2. Regulación de motores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3. Regulación durante el arranque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4. Variación de velocidad de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 5. Regulación de parada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 6. Frenado de parada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 7. Inversión del sentido de marcha sin frenado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 8. Inversión del sentido de marcha con frenado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 9. Frenado de ralentizamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 710. Los principales modos de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 711. Regulador de velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1012. Variadores de velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1413. Arrancadores progresivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

Curso virtual: Electricidad industrial

Módulo 2. Tema 9 Regulación y control electrónico de motores Página 1 de 20

Tema 9

Regulación y control electrónico de motores

1. INTRODUCCIÓN

Los motores, son las máquinas auxiliares de una máquina principal. La máquinaprincipal produce un trabajo con el auxilio de uno o varios motores. Los motoreseléctricos, se paran o se ponen en funcionamiento, obedeciendo a un mando manualo un programa preestablecido. Se detienen cuando se alcanza un nivel, o se ponen enmarcha en el momento que un mecanismo está en una determinada posición. La puestaen marcha, o parada, de estos motores auxiliares, está controlados por los sensores oelementos de detección. Dependiendo de que sustancia hay que detectar los elementosque entran en la regulación de los motores serán totalmente distintos en suconstrucción, en el aspecto físico, y en principio de funcionamiento.

2. REGULACIÓN DE MOTORES

Los puntos de regulación de un motor son diferentes, dependiendo del momento defuncionamiento.

Durante el arranque, el motor tiene que vencer la inercia que supone su peso, hastaalcanzar la velocidad de funcionamiento, en este tiempo, consume de tres a cuatroveces mas, de su consumo normal.

Una vez alcanzada la marcha normal, el consumo disminuye; durante la marcha, sepuede presentar el caso de que sea necesario variar la velocidad.

Al final cuando se desea parar el motor, se corta el suministro y el motor se para, peroel motor lleva una inercia y hace que se pare después de pasado un tiempo.

Estos tres estados de funcionamiento se regulan de forma diferente.



3. REGULACIÓN DURANTE EL ARRANQUE

Se denomina arranque, al tiempo que transcurre desde la parada hasta suvelocidad de funcionamiento. La puesta en tensión directa de cualquier receptorpuede provocar riesgos eléctricos, como puntas de corriente, caída de tensión, a losque se añaden los de una máquina en movimiento, como golpes o desplazamientos.

Se dice que un motor arranca en directo, cuando se aplica a sus bornes, de formadirecta, a la tensión de trabajo. Suponiendo que el motor arranca en carga, el bobinadotiene que soportar una intensidad de corriente superior a la normal de trabajo,dependiendo de la carga, y de la masa inerte del motor, la intensidad nominal In seincrementa entre tres y cuatro veces, pudiendo llegar a ser hasta ocho veces lanominal.

En la figura 1 puede verse la curva de la intensidad de corriente absorbida por unmotor durante el arranque.

Figura 1 CORRIENTE DE ARRANQUE DIRECTO

La ventaja del arranque directo es conseguir un elevado par de arranque, que puedellegar a 1,5 veces la potencia nominal.

En el arranque directo se emplean los contactores, y se utiliza siempre que la potenciadel motor sea menor de 3 CV = 2 Kw y arranque en carga, si arranca en vacío se llegahasta 4 CV = 3 Kw.

Si en lugar de un motor, son varios los que arrancan y paran de forma intermitente, setendrá un problema importante cuando se trata de motores superiores a los 3 Kw. Enestos caso se acude a sistemas de arranque que disminuyan el consumo aunquesuponga una menor potencia en el momento del arranque (el momento de arranquepuede durar como máximo a tres minutos, en la mayoría de las veces, suele serde medio minuto)



Figura 2 GUARDAMOTOR DE ARRANQUE DIRECTO EN SU CAJA DE PROTECCIÓN

Para reducir la intensidad adsorbida durante el arranque, tradicionalmente, se ha venidoutilizado los arrancadores como:

S Estrella triánguloS Resistencias estatóricasS Autotransformadores

Figura 3 ARRANCADOR ESTRELLA TRIÁNGULO



En la figura 4 puede verse la curva comparada de la intensidad de corriente absorbidapor un motor durante el arranque directo y con arrancador estrella triángulo (trazogrueso).

Figura 4 CURVAS DE CORRIENTE DURANTE EL ARRANQUE

A estos sistemas hay que añadir un sistema nuevo, el arrancador progresivo, queutiliza un solo contactor, con otra ventaja añadida, que es estático y por lo tanto, sindesgaste mecánico. Aunque, de momento, su precio es superior al sistema tradicional.

El arrancador estático, permite el arranque de motores, aplicando una tensiónprogresiva, con lo que, se limita la corriente del par de arranque.

4. VARIACIÓN DE LA VELOCIDAD DE FUNCIONAMIENTO

Puede darse dos casos distintos: que se desee variar la velocidad o que se quieraregular la velocidad. No es lo mismo regular, que variar, aunque suceda al mismotiempo.

S Un variador puede no ser a la vez un regulador. Es un sistema que posee unmando con amplificación de potencia pero no tiene bucle de retorno. “Se llamade bucle abierto”. No es un sistema enclavado.



El valor de la salida evoluciona poco a poco en función de las perturbaciones.

La zona de velocidad se expresa en función de la velocidad nominal.

Un regulador es un sistema enclavado, posee a la vez:

S Un sistema de mando con amplificación de potencia.

S Un sistema "de retorno" o "de bucle cerrado". Así, la magnitud de la salida(tensión, corriente, potencia, velocidad, aceleración, posición, etc.), se comparaa la magnitud de entrada, llamada consigna o referencia.

Si la consigna es variable, el sistema es a la vez variador y regulador.

El regulador está dotado de una cierta precisión (generalmente expresada en % delvalor nominal de la magnitud a regular) que hace la salida prácticamente independientea las perturbaciones (variaciones de la tensión de alimentación, de la carga, de latemperatura, etc.)

Figura 5 VARIADOR DE VELOCIDAD

Para más información sobre variadores de velocidad vea el tema 6



5. REGULACIÓN DE LA PARADA

En muchos casos, resulta necesario el paro instantáneo de elementos de rotación. Seutilizan tres sistemas distintos para conseguir el frenado:

S Frenos mecánicos, llamados electrofrenos.S Freno por contracorriente, con inversión brusca del giro y desconexión

inmediata.S Frenado por corriente continua, alimentando dos fases con corriente continua

inmediatamente después de la desconexión.

6. FRENADO DE PARADA.

Deceleración de la velocidad establecida hasta la velocidad nula por aplicación de unpar de frenado controlado o no. Por ejemplo, para una “parada de emergencia”, se frenapor todos los medios lo más rápidamente posible, sin controlar los fenómenos dedeceleración.

Figura 6 FRENO PARA EL EJE DEL MOTOR

7. INVERSIÓN DEL SENTIDO DE MARCHA SIN FRENADO.

Posibilidad de mandar el otro sentido de marcha, habiendo realizado una inversión auna velocidad nula, después de deceleración sin frenado eléctrico.

Figura 8 INVERSOR SIN FRENADO



8. INVERSIÓN DEL SENTIDO DE MARCHA CON FRENADO

Posibilidad de mandar el otro sentido de marcha y obtener una inversión rápida confrenado eléctrico, deceleración y la aceleración controladas.

9. FRENADO DE RALENTIZAMIENTO.

Deceleración de la velocidad establecida hasta una velocidad intermedia por aplicaciónde un par de frenado controlado.

FIGURA 8-7 FRENO ELÉCTRICO

10. LOS PRINCIPALES MODOS DE FUNCIONAMIENTO

Unidireccional

Un dispositivo de conversión en electrónica de potencia es llamado unidireccional sisolo permite el paso de la energía en el sentido red receptor.

No permite pues un frenado estático de ralentizamiento ni una inversión estática delsentido de marcha.

Sin embargo, un frenado de parada puede ser ejecutado desconectando el motor de lared y conectándolo, por un dispositivo distinto, a una resistencia que disipará la energíaalmacenada en las piezas en movimiento.



Reversible (llamado también "bidireccional")

Un dispositivo de conversión en electrónica de potencia es llamado reversible cuandoautoriza el transfert de la energía en los dos sentidos red receptor.

Un frenado puede entonces ser ejecutado mandando a la red de alimentación toda oparte de la energía almacenada en las piezas en movimiento.

Estos transfert se pueden hacer:

S Bien por el mismo bloque rectificador, los acoplamientos del motor se efectúanpor contactores. Es un reversible por contactores.

S O bien por dos bloques rectificadores distintos, (llamados también "antiparalelo").Es un reversible estático.

Puente mixto- Puente completo

Los semiconductores de potencia están montados en puente de Graetz.

El puente es llamado mixto cuando está compuesto a la vez de semiconductorescontrolados (tiristores- transistores) y semiconductores no controlados (diodos).

Figura 9 - PUENTE MIXTO

Tal puente solo puede transmitir la energía en un solo sentido.

Van provistos de uno o varios diodos llamados de descarga o de rueda libre.



El puente es llamado completo cuando está enteramente compuesto desemiconductores controlados. Tal puente es apto para transmitir la energía en losdos sentidos.

Figura 10 CONTACTOR ESTÁTICO UNIPOLAR

Figura 11 CONTACTOR TRIFÁSICO



11. REGULADOR DE VELOCIDAD

Un dispositivo de conversión en electrónica es llamado regulador cuando suministra, apartir de una red monofásica o trifásica, una tensión alterna de valor eficaz variable yde frecuencia fija, la de la red, por modulación del ángulo de cebado de lossemiconductores. Estos últimos se acoplan y se montan en oposición y colocan en unafase de la red.

Figura 12. - REGULADOR

Par constante, potencia constante

La zona de funcionamiento es llamada par constante cuando el motor suministra elpar nominal cualquiera que sea la velocidad.

La zona de funcionamiento es llamada a potencia constante cuando el motor puedesuministrar un par de inversión proporcional a la velocidad angular. Es el caso, porejemplo, de un enrollador axial cuya velocidad angular debe disminuir continuamentea medida que aumenta el diámetro de enrollamiento por acumulación del material.

Es igualmente el caso del plato de un torno vertical durante el desbastado de una carahorizontal de la pieza:

La velocidad angular debe aumentar regularmente a medida que el útil se acerca alcentro.

El número de aplicaciones que requiere un funcionamiento a potencia constante esrelativamente pequeño.



Carga arrastrante

Una carga es llamada arrastrante cuando provoca una velocidad superior a lavelocidad de consigna. Por ejemplo, el viento sobre los movimientos horizontales deuna máquina de manutención, instalada al aire libre y la gravedad sobre un movimientode elevación son cargas arrastrantes permanentes.

Cuadrantes de funcionamiento

La repartición de las masas puede provocar los mismos efectos: es el caso, porejemplo, del de una pieza en rotación que es arrastrante sobre la mitad de cada vuelta.

Figura 13. - CUADRANTES DE FUNCIONAMIENTO

Conclusión :

Los diversos funcionamientos pueden ser caracterizados de la siguiente manera:

S Cuadrantes 1 y 3 -Marcha en motor (la máquina giratoria suministra una potenciamecánica).

S Cuadrantes 2 y 4 -Marcha en frenado la máquina giratoria absorbe una potenciamecánica.



El mando de las cargas resistivas

Se efectúa por regulador con tiristores. Va provisto de 2 tiristores montados. Colocadoen una fase de la red, permite alimentar una carga resistiva en el momento delencendido de los tiristores.

Figura 14. - REGULADOR CON TIRISTORES

Figura 15. - REGULADOR TRIFÁSICO

El mando de los tiristores se efectúa por tren de ondas enteras. El momento inicial decada ciclo de trabajo es síncrono con la tensión red. La duración de un tren de ondases de 2,5 s.



En este período la gestión del número de ondas enteras de corriente, para obtener laregulación de temperatura deseada, se asegura por el regulador asociado a otroregulador.

Figura 16. - TREN DE ONDAS

Sectores de aplicación

El conjunto de los productos electrónicos de potencia, se compone de tres familias:

Los variadores de velocidad para:

S Motores de corriente continua: ofrecen una gran precisión y una larga gama develocidad, así como grandes posibilidades de adaptabilidad;

S Motores asíncronos estándar, robustos y sin mantenimiento.

S Motores asíncronos de jaula resistente o de anillos, destinados principalmenteal arrastre de los ventiladores.

S Los arrancadores para motores asíncronos estándar aseguran una limitación dela corriente de llamada y permiten realizar un ahorro sobre la mecánicaarrastrante.

S Los reguladores por tren de ondas enteras, para electrotermia resistiva.

Los criterios de elección o valores de uso más determinantes, frente a una máquina aequipar, deben conducir a una solución más económica.

Solo el estudio profundo de la aplicación permite definir la elección de la soluciónóptima.

“La electrónica de potencia” está presente en todos los sectores de actividades y latabla más abajo indica algunas de las aplicaciones más corrientes.



Variadores de velocidad

Aplicaciones Corrientecontinua Corriente alterna Jaula de ardilla

Bobinado

Arrancadorprogresivo

Normal

Por tren deondasCargas

resistivas

Ventilación Apropiado Apropiado Apropiado

Bombasvolumétricas Apropiado Apropiado

Bombas centrífugas Apropiado Apropiado

Cintastransportadoras Apropiado Apropiado Apropiado

Escalerasmecánicas Apropiado

Máquinas cíclicas Apropiado Apropiado Apropiado

Compresores Apropiado

Trituradoras,arranque en vacío Apropiado

Cadenas deproducción Apropiado Apropiado

EnrolladoresDesenrolladores Apropiado

Calefacciónresistiva Apropiado

TABLA DE APLICACIONES DE LOS VARIADORES DE VELOCIDAD

12. VARIADORES DE VELOCIDAD.

Características generales

Los variadores de velocidad son convertidores de frecuencia destinados a laalimentación de los motores asíncronos normalizados, en una gama de potencia muyalta de 90 W a 90 Kw.

Funcionan según el principio de modulación de longitud de impulsos (PWM Sinus) porsegmentación de una tensión continua fija. Esta técnica asegura una rotación regulary sin sacudidas de los motores, incluso a velocidad muy baja, gracias a una forma decorriente de salida muy cercana a la sinusoide.



Figura 17 ONDA MODULADA

La fiabilidad del producto es el resultado de una gran integración de las funcioneselectrónicas y de los medios industriales de control, llevado a cabo en todos los nivelesde la cadena de producción.

Campos de aplicación

Los variadores de velocidad encuentran su utilización en numerosos sectores de laindustria, ya que se asocian a los motores asíncronos que responden perfectamente alas exigencias de robustez y de sencillez de los utilizadores.

Estos variadores de velocidad están particularmente bien adaptados al mando demotores asíncronos normalizados, suministrando una frecuencia y tensión variables delsector.



Los principales criterios de elección del usuario pueden ser la calidad de arrastre, larotación regular y sin oscilaciones (máquina-herramienta), la posibilidad de sobre-parsin desclasificación, aún en baja velocidad (machacadoras, mezcladoras), unaadaptación sin reglaje a cualquier tipo de motor ya las fluctuaciones de carga(transportadores). Las extensas posibilidades de diálogo con el operador, incluso conlos autómatas programables, les confieren una gran flexibilidad de explotación ennumerosos sectores de actividades de la industria, entre los cuales habría que citar:

Figura 18 CAMPO DE APLICACIÓN DE LOS VARIADORES DE VELOCIDAD



Principio

Los variadores de velocidad han sido concebidos para las aplicaciones donde loscriterios de economía y de robustez tienen una gran importancia. Comprendenprincipalmente:

S Un rectificador constituido por una fuente de tensión continua elaborada apartir de un puente rectificador alimentado por una red monofásica o trifásica, yde un circuito de filtrado.

S Un ondulador constituido por 6 transistores de potencia.

Este ondulador está compuesto por uno o tres módulos aislados según el calibre, ycrea, a partir de la tensión continua fija, una red alterna trifásica a tensión y frecuenciavariables.

Estos productos están pilotados por una unidad de control que, organizada alrededorde un microprocesador, asegura las funciones de mando de los componentes depotencia, de diálogo, de protección y de seguridad.

La utilización de tecnologías modernas (componentes de potencia integrados,microcomponentes, control de microprocesador) ha permitido una disminución sensibledel volumen de estos productos.

Figura 19 INTEGRADO DEL VARIADOR DE VELOCIDAD



13. ARRANCADORES PROGRESIVOS.

Generalidades

El arrancador ralentizador es un regulador de 6 tiristores que permite el arranque y laparada controlada de los motores asíncronos trifásica de jaula, de 3 a 800 Kw.

FIGURA 8-20. - ARRANCADOR PROGRESIVO

Asegura :

S El control de las características de funcionamiento, principalmente durante losperíodos de arranque y parada.

S La protección térmica del motor y del arrancador.

S La protección mecánica de la máquina arrastrada por supresión de los golpesde par y reducción de la corriente de llamada.

Para las aplicaciones sencillas y los pequeños motores hasta 7,5 Kw (a 380 V), es unarrancado económico.



Constitución

Está constituido esencialmente de dos partes:

S Un módulo potencia provisto de tiristores con enfriadores, los circuitos decebado, de lectura corriente y según el calibre, un ventilador.

S Un módulo de mando y de protección electrónica, basado en microprocesador.

Principales funcionalidades

Comprende:

Tres posibilidades de arranque:

S Una rampa de aceleración regulable de 1 a 30 s.

S Una limitación de corriente regulable, de 2 a 5 In, para las máquinas de graninercia.

S Una rampa y limitación combinadas para controlar el par en el arranque.

En las tres posibilidades de arranque, es posible obtener un sobre-par intempestivo,llamado “impulso adicional”.

Tres modos de parada:

S Parada libre por corte de alimentación,

S Parada decelerada en rampa regulable de 2 a 60 s,

S Parada frenada "tipo inyección de corriente continua".

Tres protecciones integradas:

S Protección térmica del motor con alarma.

S Protección térmica.

S Detección y señalización de defectos: desequilibrio y ausencia de fases,defecto tiristores,...



Aplicaciones

Se utiliza en la mayoría de los sectores industriales: siderurgia, agro-alimentaria,terciario, transportes, bancos, textil, etc.

Algunos ejemplos: ventiladores, bombas, compresores (arranque en vacío), cintastransportadoras, rotativas, imprenta, escaleras mecánicas, máquinas textiles.

Elección del calibre

La elección se efectúa en función de la tensión de la red y de la potencia normalizadadel motor.

Este acercamiento resuelve la mayoría de los casos.

Sin embargo, en el caso de esfuerzos particulares, por ejemplo débil llamada decorriente o máquina de gran inercia, el conocimiento de las características eléctricas ymecánicas es indispensable:

S Par resistente en función de la velocidad de la máquina arrastrada así como lainercia de las piezas en movimiento.

S Características del par y corriente en función de la velocidad del motor. Estosdatos están tratados en un programa específico.

La elección correspondiente a estos datos específicos se determina por softwareespecializado.

Regulación y control electrónico de motores electricos

Engineering

Transcript of Regulación y control electrónico de motores electricos