10. Controles de motores

Anibal T. De Almeida

Día 2

Temario• Arranque• Arrancadores suaves• Variadores de velocidad

Controles de Motor - ArranqueConsumo de energía para un periodo de aceleración: (A) Motor

corriente, (b) Motor de número de polos variable, (c) Variadores develocidad (VSD).

Arranque estrella-triángulo

Arrancador suave• Un arrancador suave tiene características diferentes de

las de los otros métodos de arranque. Tiene tiristoresen el circuito principal, y la tensión del motor se regulapor medio de una placa de circuito impreso. Elarrancador suave utiliza el hecho de que cuando latensión del motor es baja durante el arranque, lacorriente de arranque y el par de arranque también sonbajos.

• Durante la primera parte del arranque la tensión delmotor es tan baja que sólo es capaz de ajustar el juegoentre las ruedas de engranaje o de estirar las correas,las cadenas, etc. En otras palabras, elimina tironesinnecesarios durante el arranque.

Arrancador suave• Gradualmente, la tensión y el par van aumentando hasta que la

maquinaria empieza a acelerar. Uno de las ventajas de este método dearranque es la posibilidad de ajustar el par con exactitud según seanecesario, si la aplicación tiene carga o no. En principio, todo el par dearranque está disponible, pero con la gran diferencia de que elprocedimiento de arranque le exige mucho menos a la maquinaria deaccionamiento, lo que resulta en menores costos de mantenimiento.

• Otra característica del arrancador suave es la función de parada suave,que es muy útil para parar bombas cuando el problema son los golpes deariete en el sistema de tuberías en parada directa, como en losarrancadores de estrella-triángulo y en los directos. La función de paradasuave se puede usar también para para las cintas transportadoras a finde evitar que el material se deteriore cuando la cinta se para muy rápido.

Arrancador suave

Arrancador suave

Variadores de velocidad - VSD

Para motores de inducción

VSD - Regeneración

Variadores de velocidad - VSD

Entradadesdelínea

principalSalida al

motor

Rectificador Etapa de salidaVínculo de CC

Inversor modulado por ancho de pulso

Diagrama del circuito y principio de control de los inversores PWM

Corriente fundamental

Tensión fundamental

CicloconvertidoresFrequency=10Hz

Frequency=20Hz

u(t)

u(t)

i(t)

i(t)

iRef(t)

iRef(t)

Variadores de velocidad - VSDLimitaciones del par y la potencia del motor en motores de inducción totalmente cerradosenfriados por ventilador y alimentados mediante un VSD VSI-PWM, suponiendo unatemperatura de funcionamiento nominal constante del motor (frecuencia de conmutación > 5kHz, punto de debilitamiento del campo a frecuencia nominal). Curvas par-velocidad paradistintos tipos de cargas.

Variadores de velocidad - VSD

Par

(Nm

)

Control de V/f• La amplitud de la tensión se especifica

como una función de la frecuencia real delmotor.

• Se puede ajustar la característica de V/f.Los tipos de características más comunesson las que tienen un par constante o, paralas bombas y los ventiladores, lacaracterística de la ley del cuadrado.

Variación de la tensión con la frecuencia

Vn

Tensiónde offset

Control de V/fLas siguientes medidas mejoran las propiedades del control de V/f:• La compensación del deslizamiento mantiene la velocidad constante cuando hay cambios

de carga, usando un refuerzo de frecuencia dependiente de la corriente de la carga. Lacompensación del deslizamiento empieza a ser efectiva a partir de aproximadamente el10% de la velocidad nominal del motor. Por lo tanto, permite que se logre mantener lavelocidad con una precisión de aproximadamente 0,2 x deslizamiento nominal. Porejemplo, para motores de 30 kW y más, el deslizamiento nominal es de aproximadamente1,5%.

• El control FCC (control de la corriente de flujo, compensación i*R extendida) tambiénmejora la precisión del mantenimiento de la velocidad cuando hay cambios de carga. ElFCC adapta la tensión -y por lo tanto, el flujo del rotor- a la carga.

• El aumento de tensión en las frecuencias bajas ("refuerzo") optimiza el comportamientode arranque.

• La amortiguación de la resonancia atenúa las oscilaciones electromagnéticas en el rangoentre 10 y 40 Hz para motores de inducción de hasta aproximadamente 160 kW.

• El control limitante de la corriente se usa como protección de la entrada en pérdida.

Control vectorialEl control vectorial (también denominadocontrol de campo orientado - FOC) es unatécnica de control de motores polifásicos(motores de inducción y síncronos), quepermite operar un motor trifásico con elmismo rendimiento dinámico que un motorde CC.El motor de inducción emula elcomportamiento de un motor de CCorientando la corriente del estátor conrespecto al flujo del rotor de manera quepuede control el flujo y el parindependientemente.

Control vectorial• El sistema de referencia de las ecuaciones de la máquina no se

orienta con el estátor estacionario, sino con el campo magnéticogiratorio.

• En este sistema de referencias giratorio, el campo pareciera serestacionario. Ahora se pueden remitir las tensiones del motor - yespecialmente las corrientes - a este sistema.

• La corriente del motor se divide en la componente generadora delcampo (corriente magnetizante id, en la dirección del campo) y lacomponente generadora del par (corriente activa iq, perpendicular alcampo [eje de cuadratura]); ambas se pueden controlarindependientemente una de la otra.

• Usando operaciones con matrices, las cantidades del marco dereferencia del eje giratorio d-q se transforman en el marco dereferencia estacionario i1, i2, i3 y viceversa.

Control vectorial

• El control de campo orientado exige como precondición que seconozca la alineación del campo magnético del motor. La misma sedetermina a partir de datos medidos (corriente, tensión, velocidad oposición del motor) en un modelo de motor o de flujo.

• Los controles de circuito cerrado sin sensores, que no necesitancodificadores de posición y velocidad, también calculan estancantidades.

Representación esquemática del control de campoorientado de un motor de inducción

Ventajas de los VSD• Ahorros energéticos asociados con el control de la velocidad• Aumento del rendimiento dinámico de los motores de inducción• Alta eficiencia de los VSD (96-98%) y alta fiabilidad• Alto factor de potencia (si se usa el extremo delantero activo)• Tamaño pequeño y flexibilidad de ubicación• Arranque suave (¡ahorros!) y frenado controlado/regenerativo• Dispositivos de protección del motor• Menor ruido acústico y mejores procesos de control• Menos mantenimiento por desgaste de las partes mecánicas

Posibles desventajas de los VSD

• Inyección de distorsión armónica en la red• Picos de tensión que producen fallas en el

aislamiento del devanado en los motoresantiguos

• Corriente en los cojinetes que produce fallasprematuras

Tipos de VSD - Pros y contrasTipos de VSD Ventajas DesventajasModulado porancho de pulso(PWM)

Buen factor de potencia en todo el rango develocidad.Baja distorsión de la corriente del motor.Amplia rango de velocidad (100:1).Con capacidad para varios motores.

Sin capacidad de regeneración.Limitado a los VSD por debajo de 1000 kW*.Ligeramente (aproximadamente 1%) menoseficiente que los inversores con fuente detensión (VSI) o que los inversores con fuentede corriente (CSI).

Inversor confuente de tensión(VSI) de seispasos

Buena eficiencia.Configuración del circuito sencilla.Amplia rango de velocidad (10-200%).Con capacidad para varios motores.

Factor de potencia pobre a velocidad bajas (amenos que se use un rectificador/interruptorchopper convertidor CA/CC).Sin capacidad de regeneración.El funcionamiento por debajo del 10% de lavelocidad nominal puede producir cogging.

Inversor confuente de corriente(CSI) de fuerzaconmutada

Diseño de circuito simple y robustoCapacidad regenerativa.Protección contra cortocircuitos integrada.Amplia rango de velocidad (10-150%).

Voluminoso.Factor de potencia pobre a velocidad o cargabajas.Posible cogging por debajo del 10% de lavelocidad nominal.

Tipos de VSD - Pros y contrasTipos de VSD Ventajas Desventajas

Inversor de cargaconmutada (LCI)

Diseño de circuito simple y económico.Capacidad de regeneración.Protección de cortocircuitos integrada.

Factor de potencia pobre a velocidad baja.Sólo se puede utilizar con motores síncronos.

Accionamiento deKramer estático

La potencia del VSD es menor que lapotencia del motor.Se puede agregar como retrofit a los motoresde inducción de rotor devanado (W.R.I.M.)con resistor externo.

Sólo se puede utilizar con W.R.I.M.Factor de potencia pobre a velocidades bajas.Solo velocidad subsíncrona (50-100%).

Accionamiento deScherbius estático

La potencia del VSD es menor que lapotencia del motor.Rango de velocidad más amplio (70-130% ).Se puede agregar como retrofit a un W.R.I.M.con resistor externo si son posibles losexcesos de velocidad.

Más complejo y costoso que losaccionamientos de Kramer.Sólo se puede utilizar con los W.R.I.M.

Cicloconversores

Puede funcionar hasta con velocidad cero.Capacidad de alto par con control de campoorientado.Pueden usarse con motores de inducción ysíncronos.

No pueden usarse con una frecuencia deentrada superior al 33%.Diseño de circuito complejo.Factor de potencia pobre a velocidad baja.

Tipos comunes de VSD y usos

THD Y ARMÓNICOS EN LA ENTRADA Y SALIDA DE UN VSD CONVSI-PWM Y DIODO RECTIFICADOR

REDUCCIÓN DE LA EFICIENCIA DEL MOTOR EN LOS MOTORESDE INDUCCIÓN ALIMENTADOS POR UN INVERSOR

Reducción de la eficiencia de los motores en los motores deinducción alimentados por un VSD

Cuando se hace funcionar una máquina de CA con un suministro no sinusoidal, es inevitableque la máquina sufra pérdidas adicionales. Estas pérdidas se dividen en tres categoríasprincipales

• Pérdidas en el cobre del estátor. Son proporcionales al cuadrado de la mediacuadrática de la corriente. También hay que tener en cuenta pérdida adicionales debidoal efecto superficial.

• Pérdidas en cobre del rotor. La resistencia del rotor es diferente para cada corrientearmónica presente en el rotor. Esto obedece al efecto superficial y es especialmentepronunciado en los rotores de barras profundas. Dado que la resistencia del rotor esfunción de la frecuencia, las pérdidas de cobre del rotor deben calcularseindependientemente para cada armónico. Aunque las pérdidas adicionales eransignificativas en la época de los primeros inversores modulados por ancho de pulso, enlos variadores modernos con frecuencias de conmutación por arriba de 3 kHz laspérdidas adicionales son mínimas.

• Pérdidas en el hierro. Aumentan por los componentes armónicos en la tensión dealimentación.

Pérdidas típicas de los motores energéticamente eficientes, losconvertidores y los frenos electromecánicos.

Eficiencia y pérdidas de los motores con respecto a la carga,con arrancador directo y alimentado por un VSD

DOL (arrancador directo)

DOL (arrancador directo)

con VSD

Eficiencia del motor (37 kW)

Fuente: LTE Canada 2009

Eficiencia del VSD (37 kW)

Fuente: LTE Canada 2009

Eficiencia del motor + VSD (37 kW)

Fuente: LTE Canada 2009

Precios relativos de motores y VSD

Transitorios de tensión en las terminales de los motoresalimentados por inversores

(!) DESCARGA PARCIAL

VIDA ÚTIL¡BUENA

SOLUCIÓN!

VSD Motor

lcabo

Corriente de los cojinetes de los motoresalimentados con un inversor

Corrientes circulantes

Corrientes de los cojinetes de los motoresalimentados con un inversor

Corrientes de modo común

Corrientes de los cojinetes de los motoresalimentados con un inversor

Se pueden adoptar varias medidas para mitigar las corrientes en loscojinetes de los motores alimentados con inversores:

- adecuada selección de la frecuencia de conmutación

- cables con el tipo y el tamaño adecuados (p. ej. blindados)

- sistemas de toma a tierra bien diseñados

- filtros entre el motor y el inversor

- cojinetes aislados

- conexión a tierra del eje (p. ej., mediante un escobilla de contacto)

- etc.

Es aconsejable que los usuarios soliciten a los fabricantesinformación sobre estos temas.

Gracias