Apuntes Mando Regulacion Bloque II

8/16/2019 Apuntes Mando Regulacion Bloque II

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Mando y regulación de máquinas eléctricas. Bloque II. 1

BLOQUE II- METODOS DE ARRANQUE. CONTROL DE VELOCIDAD

Problemas con el arranque directo en línea

En el arranque directo en línea, (DOL), de un motor a inducción, hay tres efectos que son de notar.

El primer efecto es la gran cantidad de par de exceso disponible. Aún aunque el par de arranque es reducido, elpar salta rápidamente al valor de pico a medida que la velocidad del rotor se incrementa. Este par puede estarsobrepasar en exceso por lejos el par que la carga requiere. En el arranque este exceso de par puede causarshock mecánico, deslizamiento de correas y tensión en componentes de la transmisión. Esto puede causargolpes de agua en cañerías conectadas a bombas controladas por el motor. El arranque DOL es esencialmenteun arranque descontrolado.

El segundo efecto es la gran corriente de arranque tomada por el motor , que es típicamente, en el instante delarranque, seis veces la corriente de carga total.. Esta alta corriente puede causar caídas de tensiónconsiderables en una alimentación de red de baja capacidad, y necesita el dimensionamiento de todos loscontactos y fusibles de potencia del motor a inducción para manejar esta variación sin daño.

El tercer efecto es que causa un calentamiento adicional en el motor . El calentamiento del rotor se empeoraporque el rotor usualmente tiene una resistencia efectiva más alta en el arranque que en el funcionamiento,porque el “efecto pelicular” causado por la alta frecuencia de deslizamiento en el rotor concentra la corriente enla parte exterior de las barras del rotor. El sobrecalentamiento del rotor puede convertirse en severo conrepetidos arranques, o con pars o inercias de carga alta, y pueden causar la falla por cortocircuito de los anillosdel rotor o el derretimiento de la jaula del rotor.

Métodos de arranque(Máquinas eléctricas II)

Efecto del arranque a tensión reducidaSi la tensión de arranque suministrada a un motor a inducción es reducida, el par disponible del motor sereduce con el cuadrado de la reducción de tensión. Cualquier técnica de arranque con tensión reducida

causará que el motor opere a un alto deslizamiento por periodos largos durante el arranque. Con altodeslizamiento, el par es sólo moderado, el factor de potencia es pobre y el calentamiento del motor(especialmente del rotor) es muy alto.

Métodos de arranque a tensión reducidaTodos los métodos de arranque a tensión reducida discutidos en esta sección reducen la tensión aplicada alestator del motor, pero no alteran la frecuencia. Como consecuencia, la relación del par motor con la corrientedel motor es siempre reducida.

1) Estrella – tri ángulo: En funcionamiento normal, los bobinados son conectados en triángulo, pero en el arranque son conectados enestrella. La ventaja de este método es que mantiene la relación entre el par motor y la corriente dealimentación. Durante la transición de estrella a triángulo, el motor es desconectado momentáneamente,

causando así una pérdida de torque temporal, y un pico de corriente en la reconexión.


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2) Autotransformador:Un arrancador a autotransformador alimenta al motor desde un autotransformador de varias etapas. Cuando elmotor es primeramente arrancado, es conectado a una etapa que le suministra tensión reducida. A medida quela velocidad del motor se incrementa, las etapas son conmutadas para incrementar la tensión del motor. , hastaque en la velocidad total el motor recibe 100% de tensión. Típicamente, hay dos o tres etapas. Cada etaparequiere un contactor enclavado, el cual necesitará ser controlado por una secuencia de temporizadores para

un arranque automático. Este método desconecta momentáneamente el motor entre cada etapa, causando asípicos de corriente y pérdidas momentáneas de par. Una ventaja de este método es que, por la acción deltransformador, la línea de corriente es reducida durante el arranque.

3) Arranque de Resistencia PrimariaEste método usa algún tipo de resistencia en serie con la alimentación en el arranque. A medida que el motoraumenta la velocidad, la resistencia es reducida y finalmente cortocircuitada. Un tipo de este arrancador en usacomún es el “Arrancador de Resistencia Líquida”, el cual usa láminas conductivas suspendidas en cubos decarbonato de sodio como elementos resistivos. Este método no da un muy buen control de la tensión en losterminales del motor, y es muy ineficiente debido a la alta pérdida calórica en los resistores durante el arranque.

4) Arrancadores Electrón icos de Tensión Reducida:En su forma más común, un arrancador electrónico de tensión reducida (RVS) consiste en tres pares SCRs

inversos y paralelos conectados en serie con las tres líneas de entrada del motor. Con el control de fasemediante el disparo de los SCRs, se puede reducir la tensión aplicada al motor.

Principios del control de fase del scr

Un SCR (rectificador controlado de silicio, o tiristor) es un dispositivo semiconductor de conmutación, con dosterminales de potencia, llamados ánodo (A) y cátodo (K) y un terminal de control llamado gate (G).

Principios de Operación: Si el terminal K (cátodo) es llevado a positivo con respecto de A (anodo) , el SCR espolarizado en inversa y bloqueará la circulación de corriente. Si el terminal A es llevado a positivo conrespecto a K, el SCR es polarizado en directa, y bloqueará la circulación de corriente hasta que el terminal G(gate) reciba un pulso positivo con respecto a K. Este pulso de disparo disparará al SCR hacia la conducción

y la corriente pasará de A a K. El SCR continuará conduciendo después de que el pulso de disparo hayacesado, hasta que la corriente a través del SCR cese, en cuyo punto volverá al estado de bloqueo.


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Conexión Inversa Paralela: Si dos SCRs son conectados en paralelo, ánodos con cátodos como muestra laFigura, se llama conexión inverso paralelo, (también llamado antiparalelo). En esta configuración, el SCRpuede ser usado para controlar formas de onda de CA. En los semiciclos positivos, el SCR1 controla lacorriente que fluye a la carga. En los semiciclos negativos, el SCR2 controla el flujo de corriente.

Control de Fase: Si los SCRs son conectados en inverso paralelo, y el pulso de disparo para cada SCR existe

en un punto controlado de cada semiciclo de la forma de onda de CA, podemos controlar la tensión promedioaplicada a la carga. En función del ángulo de disparo (α), se controla la tensión que aparece a través de lacarga en cada semiciclo. Este método de control de la tensión de la carga mediante el control de los puntos dedisparo de los SCRs es llamado control de fase, y es el principio detrás de los Arrancadores de TensiónReducida

Arrancadores electrónicos de tensión reducida

El Arrancador Electrónico de Tensión Reducida de PDL tiene tres pares de SCRs en inverso paralelo, un par encada línea entre la alimentación de tres fases y el motor de tres fases. Estos SCRs tienen la fase controlada por lospulsos de disparo de la Electrónica de Control de la PCB. Estos pulsos de control están dirigidos a cada uno de losseis SCRs por un transformador de pulsos u opto-acoplador, para dar aislación galvánica entre la Electrónica deControl y los circuitos de potencia. De esta manera el motor puede ser arrancado y parado, y la tensión en el motorpuede ser controlada automáticamente, mediante la Electrónica de Control de la PCB. Arrancadores de Tensión Reducida más sofisticados miden el flujo de corriente al motor, y pueden controlar esta

corriente y proveer al motor de protección contra sobrecarga térmica. Los fusibles de entrada son provistos paraproteger a los SCRs y al motor contra sobrecargas y cortocircuitos.

Arranque por rampa de tensión, arranque con límite de corri ente

El arranque por rampa de tensión es un método de arranque que aplica al motor un incremento de tensiónconstante.


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En este ejemplo la tensión de salida del arrancador es "rampeada" de 0 a 100% en cuatro segundos. Sin embargodebería notarse que hay una demora de tiempo entre la rampa de arranque y el arranque del motor para rotar. Larampa de tiempo es ajustable por el usuario.Normalmente es aplicado un nivel de “Tensión de Arranque” ajustadopor el usuario (en la figura b 40%)

Arranque con Límite de Corriente es un método de arranque que sólo está disponible en los Arrancadores deTensión Reducida con monitoreo de corriente de salida. La máxima corriente de arranque requerida espreseleccionada por el usuario. Una vez arrancado, el arrancador de Tensión Reducida subirá a un valor derampa prefijado hasta que la corriente del motor alcance el nivel. En este punto la rampa de tensión de salidaes automáticamente ajustada para mantener la corriente de arranque a este nivel a por debajo de él. Estemétodo es adecuado si la máxima corriente de arranque va a ser limitada debido a, por ejemplo, capacidad dela red inadecuada. Este es también un buen método para el arranque de cargas altamente inerciales que soncargadas sólo cuando alcanzan velocidad total, p. ej. ventiladores, hojas de sierra, etc.

En la Figura (a), se fija un límite de corriente de 400%, y la carga se acelera a velocidad total exitosamente. Sinembargo, en la Figura (b), el límite de corriente es de 200% y en un punto del ciclo de arranque, el par requerido porla carga excede el torque disponible del motor. El motor no acelerará más allá de este punto y se bloquea. El motorcontinuará tomando el doble de la corriente total de carga, y tendrá un enfriamiento reducido por su velocidadreducida. Así, el motor se sobrecalentará muy rápidamente. Esto ilustra el peligro de fijar el nivel de límite decorriente muy bajo.

Este tipo de arrancadores, si bien resulta muy económico tiene como principal inconveniente la limitación del par dearranque. Si este arranque se r ealiza variando la frecuencia en lugar de la tensión, se supera este inconveniente,como se verá más adelante


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ASPECTOS GENERALES DE LOS SISTEMAS DE REGULACIÓN DE LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS

REGULACIÓN DE VELOCIDAD

La velocidad que alcanza el rotor de un motor asíncrono viene dada (como en cualquier tipo de motor) por aquelvalor para el cual el par motor desarrollado iguala al par resistente ofrecido por la carga accionada, por tanto para

variar la velocidad de un motor habrá que modificar la forma o la posición de su característica mecánica conrespecto a la característica resistentePara una determinada carga mecánica la velocidad alcanzada viene dada por:

nr f

ps=

⋅⋅ −

60 1 1( )

De donde se aprecia que se puede conseguir variar la velocidad del rotor variando el deslizamiento s , el númerode pares de polos p ,o la frecuencia de alimentación f alguno de estos procedimientos permiten una variacióncontinua de la velocidad mientras que otros sólo permiten una variación por escalones.

Para actuar sobre eldeslizamientose puede:

• Variar la tensión de alimentación: procedimiento muy sencillo que se basa en reducir la velocidad

disminuyendo la tensión de alimentación, ya que la característica mecánica depende de ésta. Presenta elinconveniente de que el margen de regulación no suele ser grande ya que la tensión no puede reducirseindefinidamente sin riesgo de calado o de aumentar excesivamente la corriente, además el rendimientoempeora ya que las pérdidas se van haciendo porcentualmente mayores cuanto menor es la velocidad. Seutiliza en motores de muy poca potencia.

• Variar la resistencia rotórica ( motores de rotor bobinado): el inconveniente que presenta este procedimientode regulación de velocidad es el bajo rendimiento obtenido del motor debido en este caso a la potencia depérdidas en el rotor y resistencia adicional (que se denomina potencia de deslizamiento) que pueden llegara ser de la misma cuantía que la potencia mecánica desarrollada, por ese motivo este método queda limitado alarranque del motor. La potencia de deslizamiento se puede recuperar y volcar a la red mediante rectificadoreselectrónicos. Este convertidor recibe el nombre decascada subsíncrona porque la regulación de velocidad espor debajo de la de sincronismo, pudiéndose regular en la práctica hasta la mitad de la velocidad desincronismo. La forma en que se lleva a cabo la variación de velocidad es trasladando paralelamente a sí

misma la característica mecánica del motor.

Variando el número de pares de polos:• Conexión Dahlander : los devanados de la máquina poseen una toma intermedia que permite conectar la

máquina de forma que se varíe el número de polos del estator. Se utiliza casi exclusivamente en motores de

jaula porque en este tipo de motores el rotor se adapta automáticamente al nº de polos que presenta el

devanado del estátor (en motores de rotor bobinado habría que variar simultáneamente el número de polos del

rotor)

Variando la frecuencia de la alimentación

• Convertidores rotativos: se alimenta la máquina a diferente frecuencia a partir de un generador trifásicoaccionado a diferentes velocidades, o a partir del rotor de otra máquina asíncrona. Estos procedimientos están

prácticamente en desuso al exigir el uso de varias máquinas para realizar el control de la velocidad.• Convertidos electrónicos: a partir de circuitos electrónicos se alimenta el motor a una frecuencia diferente de

la de la red. El rectificador pasa a continua la tensión alterna de la red, los armónicos procedentes del

rectificado son parcialmente eliminados por el filtro, el ondulador recibe una tensión continua que es pasada

nuevamente a alterna con distintos valores de tensión y frecuencia.

=

=M

Rectificador Filtro Ondulador


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VARIACIÓN DEL NÚMERO DE PARES DE POLOS.

Este procedimiento, el más conocido de los cuales se denomina conexión Dahlander , se basa en que siendoconstante la frecuencia de alimentación, la velocidad de sincronismo depende del nº de pares de polos

nsf

p1

60

1=

⋅

Si se pasa a un nº de pares de polos distinto se tiene nsf

p2

60

2=

⋅

La velocidad se modifica en la relaciónns

ns

p

p

1

2

2

1=

Para disminuir el nº de pares de polos que presentan las bobinas del estátor de la máquina es preciso modificar las

conexiones en ellas a través de bornas intermedias, la forma de realizarlo es agrupando dos mitades de bobina en

paralelo (o en serie) de manera que la corriente que circula por ellas determine la aparición de campos magnéticos

de igual polaridad.

En las figuras siguientes se indica de forma esquemática el paso de p=2 ap=1 mediante la conexión en paralelo de

las dos mitades de la bobina de una fase.

p=2

+

1

32

N

N

SS

p=1

+

1

3 2

N

S

1

23

paralelo1 2

3

p=2 p=1

En la conexión Dahlander el cambio de velocidades siempre se produce por escalones en la relación 2↔1 dadoque el cambio de nº de pares de polos guarda esa proporción (p.ej de p=8 se puede pasar a p=4 o viceversa), las

velocidades de sincronismo a 50 Hz serían 3000↔1500, 1500↔750, etc.Dado que a su vez los devanados del estátor en máquinas trifásicas pueden estar conectados en estrella o en

triángulo esto da lugar a dos variantes.

1ª. Conexión en triángulo.

Baja velocidad Alta velocidadtriángulo doble estrella

En el caso de la conexión a baja velocidad la tensión en cada semidevanado en Δ es la mitad de la tensióncompuesta y la corriente es la de fase (nominal) la potencia por fase es :

P U I

F L L= ⋅ ⋅ 3

cosϕ

En la conexión de alta velocidad la tensión en cada semidevanado es la simple y la corriente de línea puede ser el

doble de la de la conexión Δ ya que cada semidevanado puede soportar sin calentamientos excesivos su propiacorriente nominal, suponiendo igual factor de potencia, la potencia por fase en este caso es:


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P U I U I

P PF L L L L

F B V F B V = ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅

⋅ = ⋅ ≈ 3

2

3

2

3 31 15cos cos , ( . ) ( . )ϕ ϕ

Para que las corrientes en los devanados sean las mismas, la potencia solicitada al motor debe de ser

aproximadamente la misma. En la conexión de alta velocidad ésta prácticamente se duplica lo cual indica que la

carga mecánica no puede ser del tipo de par constante ya que en este caso la potencia mecánica también se

duplicaría al pasar de B.V a A.V lo que se traduciría en una sobrecarga en el motor. A esta conexión se le denomina

de potencia constante porque para mantener la corriente en su valor nominal es preciso que par resistente yvelocidad de accionamiento cumplan Mr .nr ≅cte.

2ª. Conexión en estrella

Baja velocidad Alta velocidadestrella doble estrella

En la conexión de baja velocidad la tensión en cada semidevanado es la mitad de la tensión simple y la corriente es

la de línea (nominal) la potencia por fase es :

P I U

F LL= ⋅ ⋅3

cosϕ

En la conexión de alta velocidad la tensión en cada semidevanado es nuevamente la simple y la corriente de línea

puede ser el doble de la de la conexión Y simple, ya que cada semidevanado puede soportar sin calentamientos

excesivos su propia corriente nominal, suponiendo igual factor de potencia, la potencia por fase en este caso es:

P U

I U I PFL

L L L F B V= ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ = ⋅3

2 2

32cos cos ( . )ϕ ϕ

La potencia puede ser aproximadamente la doble siendo iguales las corrientes en los devanados. En la conexión dealta velocidad ésta prácticamente se duplica lo cual indica que la carga mecánica puede ser del tipo de par

constante ya que en este caso la potencia mecánica se duplicaría al pasar de B.V a A.V sin que se produzca una

sobrecarga en el motor. A esta conexión se le denomina de par constante

Se construyen motores con tres o cuatro velocidades de sincronismo, este tipo de motores en realidad presentan

dos devanados independientes en el estátor en el que uno de ellos puede ser de polos fijos (p.ej.2↔4 + 3 pares depolos), si ambos devanados son de polos conmutables se obtienen cuato velocidades distintas (p.ej. 2↔4 + 3↔6pares de polos)

También existen, aunque son menos utilizados, motores de polos conmutables que no están en relación 2:1

mediante ejecuciones especiales de devanados denominadas PAM (Pole-Amplitude-Modulation) y P.F.M (Pole-

Frecuency-Modulation).


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Circuito de fuerza correspondiente a un arrancador inversor de un motor Dahlander de dosvelocidades.


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VARIACIÓN DE LA FRECUENCIA DE ALIMENTACIÓN. CONSIDERACIONES PREVIAS.

En la siguiente figura se muestra el circuito equivalente de la máquina asíncrona.

2I

o

RFe Xm

R'2 (1-s)s

R t X t

U

1

I

I '

E

En este circuito se cumple: max'Nf 44.4EU φ ⋅⋅⋅=≈

Si se varía el valor de la frecuencia de alimentación por debajo de la frecuencia nominal, y se mantiene el valor de la

tensión de alimentación, tiende que aumentar el valor de maxφ , lo que traería como consecuencia la saturación de la

máquina. Para que el flujo se mantenga constante, debe de variarse la tensión y la frecuencia en la mismaproporción, es decir:

ctef

U =

Si se pretende aumentar la frecuencia por encima de la nominal habría que hacer otro tanto para que el valor delflujo se mantuviera constante, sin embargo por razones obvias la tensión no se puede elevar más que en unpequeño porcentaje sobre la tensión nominal.

Variación de la característica del par de la máquina en función de la frecuencia.

Al variar la frecuencia de alimentación varían:

• Velocidad de sincronismo:p

'f 60'ns

⋅=

• La impedancia de la rama serie del motor viene afectado por el cambio de frecuencia ya que la reactancia dedispersión depende directamente de ella , si Xt es la reactancia total a la frecuencia nominal "f" a la frecuencia

"f ' " se tiene: tt Xf 'f 'X ⋅=

Del L.G. de la impedancia serie:

Se obtiene a la frecuencia ft

1

X

Rtg =α

t

21

X

'RRtg

+= β

tX

1D =

A f’ α α tg'f

f

'X

R'tg

t

1 ⋅== β β tg'f

f

'X

'RR'tg

t

21 ⋅=+

= D'f

f

'X

1'D

t

⋅==

Supóngase que la máquina trabajando a tensión y frecuencia nominal toma la corriente nominal, ésta es

prácticamente la de la rama serie dada la pequeñez de la corriente de vacío. En estas condiciones γ cosDY = y la

corriente UcosDIn ⋅⋅= γ

Al disminuir simultáneamente tensión y frecuencia en la misma proporción Uf 'f 'U

f U

'f 'U ⋅=⇒=

La corriente será:

U'cosD'U'cosD'f

f 'I ⋅⋅=⋅⋅⋅= γ γ

La condición para que no se sobrepase la corriente nominal ( I' = In ) es que γ' =γ.

Los pares en las distintas condiciones de funcionamiento son:

)tg(tgcosUX

3M 22

ts

α γ γ ω

−⋅⋅⋅

=

)'tg(tgcosU

f

'f

Xf 'f

3)'tg(tgcos'U

'X'

3'M 22

2

ts

2

22

ts

α γ γ

ω

α γ γ

ω

−⋅⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ ⋅

⋅⋅⎟ ⎠ ⎞⎜

⎝ ⎛

=−⋅⋅

⋅

=


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En la práctica tanto α como α' son muy pequeños (R1


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En el controlador de velocidad, a medida que la frecuencia es ajustada de 0 a 50 Hz, la salida de tensión esajustada de 0 a 100% (p. ej. 0 a 400 Vca). Esto asegura condiciones de flujo en el motor aparentemente constantes.Esto se conoce como mantenimiento de un valor de tensión-frecuencia constante, ley de tensión-frecuencia...

La frecuencia puede ser incrementada más allá de los 50 Hz, aumentando la velocidad por encima de la nominal.Sin embargo, la tensión al motor no puede ser incrementada más allá del 100% por lo que por encima de 50 Hz, elvalor tensión-frecuencia se reduce, reduciendo así el flujo en el motor. Esto reduce el par motor disponible avelocidades por encima de 50 Hz. Este fenomeno se conoce como debilitamiento de campo.

Hasta ahora se han ignorado los efectos de las impedancias en serie del estator. Estos dos últimos términosprovocan una caída de tensión cuando el motor es cargado, lo que lleva a una reducción de la tensión eficazaplicada al motor y por tanto del campo del estator con una reducción del par disponible. Esto es más evidente abajas velocidades cuando la tensión aplicada al motor ya es baja.Para superar esto, se puede aplicar un refuerzo de tensión al motor, tal como muestra la figura. El refuerzo esrequerido usualmente en cargas con alto par de arranque, p. ej. cintas transportadoras, o cargas de alta inercia. Lasobre-aplicación del refuerzo puede causar que el motor se sature, sobrecargando así el motor o el controlador. Losúltimos Variadores de Velocidad de Motores de CA “inteligentes” pueden calcular automáticamente y aplicar la

óptima cantidad de refuerzo.


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La siguiente figura muestra la característica de par de la máquina alimentada desde un convertidor de frecuencia deeste tipo. (Telemecánica)

A velocidades reducidas, el ventilador de enfriamiento del motor a inducción no es efectivo. Por esto,el motor no debería estar continuamente cargado al torque total a velocidades reducidas, a menosque sea provisto un enfriamiento suplementario (motores motoventilados).

Convertidores de frecuencia

El objetivo de los variadores de velocidad es alimentar a los motores asíncronos trifásicos para conseguircaracterísticas de funcionamiento radicalmente diferentes a las de su utilización normal (motores alimentados endirecto por la tensión de red), a amplitud y frecuencia constantes. Consiste en suministrar al motor una onda detensión a amplitud y frecuencia variables.

Circuito electrónico

Diagrama de bloquesLa siguiente figura muestra el diagrama en bloques simplificado de un convertidor de frecuencia. Una red trifásicaalimenta la entrada. Aquí es rectificada a CC y filtrada por un filtro L-C. Este “Bus de CC” alimenta un puenteinversor de tres fases, donde es convertida nuevamente a una forma de onda de CA de tres fases, pero a la tensióny frecuencia necesarias para funcionar el motor a la velocidad deseada.

Circuito de rectificado y filtradoUna red trifásica es rectificada por un puente rectificador de 6 diodos estándar. Esta es filtrada por un choque de CCen cada salida del rectificador, y por un banco de condensadores electrolíticos.

Las resistencias de frenado están el paralo con condensadores para proveer un camino de descarga en el

apagado.


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Circuito inversorHay seis Transistores Bipolares de Compuerta Aislada (IGBTs) en configuración de puente de tres fases. Estostransistores son dispositivos electrónicos de alta potencia. La conmutación de los transistores se produce de formaque cuando el transistor superior de cada rama (o fase) está saturado, el inferior no lo está, y viceversa. Entonces,

si se observa el punto central de cada fase, conmuta periódicamente entre los polos positivo y negativo del Bus deCC.Si cada una de las tres fases son conmutadas de esta manera, pero con la conmutación de cada fase desfasada120º eléctricos de la fase previa, las tres formas de onda de los puntos centrales (VAC, VBO, VCO) son como lasmostradas en la figura. Si es medida la diferencia de tensión entre dos fases cualquiera, (VAB en la figura), elresultado es una onda de seis pasos o cuasi-cuadrada. VBC y VCA son las mismas excepto que están desplazadaslas fases 120 grados una de otra. Así, las salidas del puente inversor de tres fases es una forma de onda de tresfases.

IA representa la corriente fluyendo en la fase A del motor. Note que la inductancia del motor suaviza esta forma deonda de manera tal que la corriente del motor es aproximadamente sinusoidal.


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Modulación de la forma de ondaEn el caso anterior cada contacto es conmutado a la frecuencia de salida requerida, a un ciclo de trabajo 50 - 50.Note que la forma de onda de la corriente se desvía de ser un onda senoidal, esto es, tiene un alto contenidoarmónico. Esta distorsión armónica no es deseable porque puede causar calentamiento excesivo en los bobinadosdel motor, y las pulsaciones de flujo acompañantes en el motor pueden causar ruido magnético en las laminacionesy bobinados.

En práctica, la forma de onda es un ancho de pulso modulado con “altibajos”. Estos altibajos son de tamañovariable. El propósito es doble: hacer las corrientes de salida del inversor más cercanas a parecer una ondasenoidal, y permitir el ajuste de la tensión de salida eficaz (RMS).

Un método de modulación usado a menudo es “modulación sinusoidal”. Una forma de onda triangular es comparadacon una forma de onda senoidal. Cuando la onda senoidal excede la onda triangular, el contacto superior de la fase

del inversor es energizado. Cuando la onda triangular excede la onda senoidal, el contacto inferior es energizado. Laforma de onda de la corriente resultante en el motor es cercanamente una sinusoidal con muy poca distorsión.


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Un análisis armónico de la forma de onda de la corriente del motor muestra un componente fundamental a la mismafrecuencia que la señal de referencia senoidal. Existe también un componente armónico en la frecuencia deportadora. Cuanto más alta la frecuencia de portadora, más baja la magnitud de esta componente armónica, ymenor el calentamiento y el ruido magnético del motor. Para una modulación exitosa, la frecuencia de portadoradebería ser al menos 20 veces la frecuencia de salida, y un múltiplo de tres veces la frecuencia de salida paraasegurar la simetría de tres fases.

El ancho y número de altibajos son ajustados electrónicamente para reducir la tensión de salida del inversor confrecuencia reducida. La forma de onda es derivada reduciendo la magnitud y frecuencia de las señales senoidalesde referencia.En los últimos productos se usa una técnica coordenada llamada modulación del espacio vectorial. Esta produceuna forma de onda aún mejor con menos conmutaciones.

Modulación del espacio vectorial

En un puente inversor de tres fases, tratamos de reconstruir una onda senoidal de tres fases, pero no podemoshacer una forma de onda perfecta porque no tenemos la capacidad de rotar continuamente. Existen ocho estadosde salida posibles para las tres salidas A, B, C, dependiendo de cuáles IGBTs están saturados. Dos de estosestados son vectores de tensión “nula”, mientras que los seis restantes están separados espacialmente 60º. Elmovimiento secuencial entre estos seis estados activos producirá una salida de onda cuasi-cuadrada, como ya seha visto.


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Los ocho estados en la entrada pueden ser representados por una estructura hexagonal Note que la conmutaciónentre un estado cualquiera y su estado adyacente, o entre un estado activo y un estado nulo, requiere el cambio deestado de sólo un par de IGBTs. Esto es importante para lograr la más alta modulación de frecuencia posible con elmenor número de conmutaciones Para generar un vector de tensión intermedio, esto es, de una variación demagnitud y fase que no corresponde con uno de seis vértices del hexágono, necesitamos modular entre dos estadosadyacentes, (para determinar la fase) y uno de los estados nulos (para determinar la magnitud).

Este método presenta frente al anterior las siguientes ventajas

Reducidas corrientes armónicas al motor, al ser la regulación más continua

Reducido ruido de ripple de torque: Las pulsaciones de torque debidas a ripple en el flujo magnético delentrehierro en el motor son menores cuando se usan técnicas de Modulación del Espacio Vectorial. Estaspulsaciones son a la frecuencia de modulación, y resultan en ruido magnético audible del motor. Como resultado, el

motor es considerablemente más silencioso que uno controlado por un inversor de modulación sinusoidal.

Frecuencia de modulación constante: La modulación sinusoidal es sincrónica, es decir, la frecuencia demodulación es ajustada en función de la frecuencia fundamental de salida del inversor. Se necesitan por tantotécnicas de “cambio de nivel”, donde los cambios de escalón en la frecuencia de modulación ocurren a medida quela frecuencia de salida es ajustada a través del rango. La Modulación del Espacio Vectorial es asincrónica,constante a todas las frecuencias de salida.

Utilización mejorada de la tensión de alimentación: Si en la modulación sinusoidal, se hace un intento deincrementar la magnitud de la forma de onda de referencia sobre la de la forma de onda de la portadora, se producela saturación de modulación con el resultante incremento de la distorsión de tensión. Si esto es llevado al extremo,el resultado serán ondas cuasi-cuadradas. Con Modulación de Espacio Vectorial, la máxima forma de onda nodistorsionada está dada por un círculo que inscribe el hexágono. Esta máxima tensión no distorsionada es 115% de

la obtenible por moduladores sinusoidales, permitiendo así una mejor utilidad de la tensión del Bus de CCdisponible. Sin embargo a este nivel de salida, la forma de onda se vuelve trapezoidal en naturaleza.

Adecuada para generación de forma de onda por microprocesador: La técnica de Modulación del EspacioVectorial es posible sólo en sistemas digitales basados en microprocesador. Es posible cambiar la frecuencia demodulación para adecuarse a las características de los IGBTs, o para conmutar aleatoriamente entre frecuencias demodulación diferentes para reducir el ruido aparente del motor.

IGBTEl transistor bipolar de compuerta aislada (IGBT) es un transistor bipolar controlado por tensión, donde laconmutación es lograda controlando con una tensión el terminal gate. El efecto puede ser modelado considerandoun transistor MOSFET controlando un transistor PNP. El IGBT es saturado aplicando a la puerta una tensión positiva

(+15V). Puede ser rápidamente cortado aplicando a la puerta una tensión negativa (-5V). Las principales ventajasdel IGBT son una menor tensión de saturación, velocidades de conmutación más altas, más alta capacidad de


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sobrecarga, y menores requerimientos de potencia. Los dispositivos más grandes son de valores de 300A 1200V.Se pueden lograr valores más altos conectando en paralelo dos o más de estos dispositivos. Los Variadores deVelocidad de Motores de CA usan hasta seis en paralelo.

El convertidor comprende:

un puente rectificador mono o trifásico de diodos conectados a un condensador formando una fuente de tensióncontinua (Bus de tensión continua o Bus DC),

un puente ondulador generalmente con IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), alimentado por la tensióncontinua y que genera una onda de tensión alterna de amplitud y frecuencia variables por la técnica de «Modulación de Anchura de Impulsos » o PWM,

una unidad de mando que suministra las órdenes de conducción a los IGBT con arreglo a las consignas dadaspor el operador (orden de marcha, sentido de marcha, consigna de velocidad) y de la medida de magnitudeseléctricas (tensión red, corriente motor).


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Ventajas de la util ización de los variadores de velocidad


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Principales funciones de los arrancadores y variadores de velocidad electrónicos

Aceleración controladaLa aceleración del motor se controla por medio de una rampa de aceleración lineal o en forma de S.Generalmente, la rampa puede regularse y, por tanto, permite variar el tiempo de aceleración.

Variación de velocidadUn variador de velocidad puede no ser al mismo tiempo un regulador. En este caso, se trata de un sistemadotado de un control con amplificación de potencia pero sin bucle de retorno. Se denomina “sistema enlazo abierto”. La velocidad del motor queda determinada por una magnitud de entrada (tensión o corriente)denominada consigna o referencia. Para un valor dado de la consigna, la velocidad puede variar enfunción de las perturbaciones (variaciones de la tensión de alimentación, de la carga o de la temperatura).El rango de velocidad se expresa en función de la velocidad nominal.

Regulación de la velocidadUn regulador de velocidad es un variador con seguimiento de velocidad. Dispone de un sistema de controlcon amplificación de potencia y bucle de retorno. Se denomina “sistema en lazo cerrado”.La velocidad del motor queda determinada por una consigna, cuyo valor se compara permanentemente auna señal de retorno que representa la velocidad del motor. Generalmente, la señal procede de un

generador tacométrico o de un generador de impulsos montado en el extremo del eje del motor. Si sedetecta una desviación como consecuencia de la variación de la velocidad, el valor de la consigna secorrige automáticamente para ajustar la velocidad a su valor inicial. La regulación permite que la velocidadsea prácticamente insensible a las perturbaciones.Generalmente, la precisión de un regulador se expresa en % del valor nominal de la magnitud regulada.

Deceleración controladaCuando se corta la alimentación de un motor, su deceleración se debe únicamente al par resistente de lamáquina (deceleración natural). Los arrancadores y variadores electrónicos permiten controlar ladeceleración por medio de una rampa lineal o en forma de S, que suele ser independiente de la rampa deaceleración. Es posible regular la rampa para que el tiempo de transición entre la velocidad en régimenestable y una velocidad intermedia o nula sea: – inferior al tiempo de deceleración natural el motor debe desarrollar un par resistente que se añade al

par resistente de la máquina, –

superior al tiempo de deceleración natural el motor debe desarrollar un par motor inferior al parresistente de la máquina.La mayoría de los reguladores realizan el frenado mediante la inyección de corriente continua. Además suelen tener la posibilidad de conectar una resistencia de frenado llegando a aumentar el par defrenado desde el 30% del valor del par nominal hasta el 150%.

RegeneraciónCuando un motor está manejando una carga de alta inercia, entonces tiene su frecuencia desalida reducida, el motor puede estar funcionando más rápido que la velocidad de sincronismo,esto es, con un deslizamiento negativo. El mismo efecto puede suceder durante el descenso deun montacargas. Bajo esta condición, el motor está ahora generando, y está absorbiendoenergía mecánica desde la carga hacia el Controlador. Esto es llamado regeneración .Durante la regeneración, la energía fluye retornando al Controlador, y es rectificada por los

diodos de rueda libre de los transistores (en paralelo con los IGBT), pero no puede retornar a lared debido a que es bloqueada por el rectificador de entrada (de un sólo sentido). El efecto esque el Bus de CC se “sature” en tensión, lo que puede causar que el Drive se dispare si no se


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chequea. Una solución es poner un Freno Dinámico a través del Bus de CC. Para ello seconecta un reostato a un contacto electrónico activado por tensión. Cuando la tensión del Bus deCC excede el nivel predefinido, el reostato es conectado a través del bus y disipa la energíaregenerativa.

Inversión del sentido de marchaPuede controlarse a velocidad nula después de la deceleración sin frenado eléctrico, o con frenadoeléctrico, para que la deceleración y la inversión sean rápidas.

Protección integradaGeneralmente, los variadores modernos garantizan tanto la protección térmica de los motores como lasuya propia. Un microprocesador utiliza la medida de la corriente para calcular el aumento de latemperatura del motor. En caso de recalentamiento excesivo, genera una señal de alarma o de fallo.Por otra parte, los variadores, especialmente los convertidores de frecuencia, suelen incluir proteccióncontra: – cortocircuitos entre fases y entre fase y tierra, – sobretensiones y caídas de tensión,

– desequilibrios de fases,

– funcionamiento monofásico.


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Aplicaciones

En general, un motor de inducción puede ser alimentado a partir de un variador de velocidad sin afectarsignificativamente al funcionamiento. Sin embargo, debemos tener en cuenta las siguientes consideraciones :

• Hasta 50 Hz, el máximo par disponible en el motor se mantiene prácticamente constante, lo que significa que la

potencia va incrementándose desde 0 Hz hasta 50 Hz.• Por encima de 50 Hz, el par disponible disminuye, debido a la reducción de la corriente magnetizante y elconsiguiente debilitamiento del campo.

• A bajas velocidades, la efectividad de la refrigeración disminuye, de forma que el motor no puede proporcionarel par nominal a bajas velocidades, a no ser que se prevea una refrigeración adicional.

Tipos de cargas

Potencia constante. El par requerido por la carga

aumenta cuando la velocidad disminuye, de talmanera que el producto del par y la velocidad(potencia) permanece constante. Ejemplos sonbobinadoras que controlan la bobina desde su ejecentral y tornos.

Par constante. En este tipo de carga, el par requieremantenerse constante sin importar la velocidad. Estaes una característica muy común. Ejemplos soncintas transportadoras, montacargas e imprentas. Sedebe tener cuidado si la intención es controlar porperíodos extensos a bajas velocidades.


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Par propor cional a la velocidad. Tales cargasincluyen mezcladores, bombas dedesplazamiento positivo, compresores, etc.Tales cargas no suelen causar problemas decalentamiento en el motor. Tales cargas nosuelen necesitar la aplicación de tensión inicial.

Par proporcional al cuadrado de lavelocidad. Este es un tipo de carga muycomún, y se aplica a bombas centrífugas yventiladores. Más del 70% de las cargasusadas en motores controlados porVariadores de Velocidad de Motores de CA

están en esta categoría. El par requerido abajas velocidades es muy pequeño.

Los cuatro tipos de carga de arriba son una simplificación de las características prácticas de la carga. En la realidaduna carga puede exhibir una combinación de dos o más de los tipos de carga de arriba. Por ejemplo, una bomba dealta elevación muestra una característica de ley cuadrada combinada con una característica de par constantecorrespondiente a la cabeza estática del sistema.

Para lograr la mejor utilidad del motor, es necesario diseñar el sistema de manera tal que el motor funcione tancerca de su base de velocidad (velocidad 50 Hz) como sea posible, bajo condiciones normales de funcionamiento.Esto incluye la selección del número de polos del motor y los niveles de transmisión para asegurar esto. Elfuncionamiento del motor a una velocidad significantemente más baja que la base de velocidad significa que elmotor no está entregando la potencia total disponible, y dependiendo del tipo de carga, puede causar elsobrecalentamiento del motor. El funcionamiento más rápido que la base de velocidad causa una reducción en elpar disponible, y también puede causar sobrecalentamiento y excesivo desgaste de rulemanes.

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Apuntes Mando Regulacion Bloque II