Producción de torque con variador y motor A.C. Rockwell Automation Drives Business Reliance Electric Spring Update CD, May 2001

Revisión de fundamentos de motores AC y DC Motor Revisión de fundamentos de motores Spring Update CD, May 2001

Zona de torque constante Zona de potencia constante Motor Basics La potencia de placa se alcanza en las rpm de placa HP = Torque * Speed / 5252 Zona de torque constante Zona de potencia constante Torque RPM Velocidad en placa 100% Potencia La potencia de placa se alcanza a la rpm de placa, NO ANTES! Spring Update CD, May 2001

Estator trifásico con conexiones T1, T2 & T3 Motor AC Frame Rotor y eje Bobinado del estator Estator trifásico con conexiones T1, T2 & T3 Spring Update CD, May 2001

Campo mágnetico rotatorio de motor de dos polos Operacion del motor AC Motor de dos polos RPM es igual a : Note que la Frecuencia es la única variable que puede influir el la velocidad del motor 120 * Frequency # Motor Poles Campo mágnetico rotatorio de motor de dos polos Spring Update CD, May 2001

Conmutador y escobillas Motor DC Conmutador y escobillas Armadura Polos de campo Note que la armadura y el campo están fijos a 90° todo el tiempo La armadura el el campo están separados Spring Update CD, May 2001

Funcionamiento de Motor DC Modelo Simple RPM es igual a: S N V Voltaje - ( Caida Voltaje ) Flujo de campo Arm Ambos voltaje de armadura e intensidad de campo afectan la velocidad del motor Para aumentar el torque incrementamos la corriente de armadura Spring Update CD, May 2001

Las diferencias mecánicas deben tratarsen matematicamente Resumen: Puntos claves: El motor de indución AC tiene un circuito: Las conexiones al estator son T1, T2 y T3. Los motores DC tienen tienen dos circuitos: F1 y F2 para el campo. A1 y A2 para la armadura. Para tratar los motores AC como DC: Veamos los AC como con dos circuitos Las diferencias mecánicas deben tratarsen matematicamente Spring Update CD, May 2001

Fundamentos de variadores AC PWM AC Drive Basics Fundamentos de variadores AC PWM Spring Update CD, May 2001

Variador AC El puent rectificador convierte AC en DC. Motor Red AC Inversor IGBT Diodo Rectificador Filtro DC El puent rectificador convierte AC en DC. El voltaje DC es filtrado para reducir las variaciones. El inversor convierte la DC en voltaje AC PWM. Spring Update CD, May 2001

Drive AC – Forma de onda PWM 1 3 + DC Bus - DC Bus VLL @ Drive 500 Volts / Div. Phase Current 10 Amps / Div. M2.00s Ch1 1.18V La onda PWM es una serie de pulsos repetitivos de voltaje Spring Update CD, May 2001

Variado AC - Relación V/Hz La relación V/Hz determina que a frecuencia de placa se logra potencia de placa Frecuencia de salida Frecuencia de palca 60 Voltaje de salida Hz 30 460 230 115 15 90 460 / 60 = 7.67 V/Hz Operation at Base Speed El motor es controlado por cambio de voltaje y frecuencia Spring Update CD, May 2001

AC Drive Basics - V/Hz Operation A 50% de la frecuencia de placa, la relación V/Hz determina que se logre el 50% de la potencia Funcionamiento a 50% de frecuencia de placa Output Frequency Base Frequency 60 Output Voltage Hz 30 460 230 115 15 90 230 / 30 = 7.67 V/Hz Al 50% de la velocidad, voltaje y frecuencia son reducidos a La mitdad Spring Update CD, May 2001

Variador AC – Funcionamiento V/Hz A 25% de la velocidad se tiene 25% de la potencia de placa Frecuencia de salida Frecuencia de placa 60 Voltaje de salida Hz 30 460 230 115 15 90 115 / 15 = 7.67 V/Hz Funcionamiento a 25% de la frecuencia de placa A 25% de la velcidad, Voltaje y frecuencia decrecen en 3/4 Spring Update CD, May 2001

Variador AC – Funcionamiento V/Hz Para mejorar el arranque, se usa Incremento de voltaje que aumenta la magnetización del motor y el torque Frecuencia de salida Frecuencia de placa 60 Voltaje de salida Hz 30 460 248 138 15 90 460 V / 60 Hz = 7.67 V/Hz + % BOOST Aumento de Voltaje Aumentado el voltaje se mejora el torque en el arranque Spring Update CD, May 2001

Variador AC – Funcionamiento V/Hz Aumentar el voltaje durante mucho tiempo recalienta el aislamiento del motor y puede resultar en un daño prematuro. Advertencia: La vida del aislamiento decrece 50% por cada 10C por encima de su temperatura de trabajo. Incapaz de trabajar como un motor DC, la industria va hacia el control vectorial Spring Update CD, May 2001

Variador AC - Vectorial Si podemos separar y regular la componente de corriente que crea a torque en el motor, podremos regular torque en el motor, no solo la velocidad! Esta es la base del control vectorial La regulaión de corriente permite el control del torque Spring Update CD, May 2001

Fundamentos del variador vectorial Variador AC Fundamentos del variador vectorial Spring Update CD, May 2001

Variador AC – Modelo del motor El modelo del motor se basa en los datos ajustados en los parámetros Corriente de magnetización Amperios de plena carga Voltaje del motor Frecuencia en placa RPM en placa (Deslizamiento) Potencia en placa La corriente de placa es el más importante de los datos Spring Update CD, May 2001

Variador AC – Modelo del Motor Parametro: Corriente de magnetización Corriente de magnetización es la corriente requerida para excitar el estator y las bobinas sin carga. Corriente de magnetización: Corriente de vacio sin fricción Determina el flujo mágnetico (FLA - Mag. Amps) = 100% Torque Current Una mala calibración de FLA puede reducir el torque La corriente de magnetización va del 35% al 50% FLA FLA = corriente a plena carga (Dato de placa) Spring Update CD, May 2001

Variador AC – funcionamiento vectorial De esta forma el torque se produce aún a “0” RPM Corriente de magnetización = corriente de vacio Valor fijo de 0 RPM a RPM nominal Corriente para torque Corriente de magnetización 100% 90 La corriente de magnetización equivale a corriente de campo Spring Update CD, May 2001

Variador AC– Modelo del Motor Parámetro: “Corriente a plena carga” (FLA) El valor de FLA puede ajustar: La sobrecarga del motor La sobrecarga del variador La disponibilidad de torque (FLA x %OL) - Mag. Amps = Max. Corriente disponible para torque Una mala calibración disminuye el torque y puede dañar el motor. Como cada algoritmo vectorial es único, revise este dato con el fabricante Spring Update CD, May 2001

Variador AC – Modelo del Motor Parámetro: “Voltaje y frecuencia de placa” Voltaje y Hz en placa pueden: Determinan la relación de voltios y frecuencia a la salida del variador Una mala calibración puede recalentar el motor, reducir la vida útil del aislamiento y el torque disponible. Debemos asegurarnos operación correcta del motor sin recalentamiento Spring Update CD, May 2001

Variador AC – Modelo del Motor Parámetros: “frecuencia y RPM” Determinan: Cálculo del deslizamiento. Espera medir unas RPM a determinada frecuencia Permiten detectar y corregir errores de RPMs Establecen el punto de debilitamiento de campo Una mala calibración puede causar sobrecorrientes Los variadores AC regulan la velocidad teniendo en cuenta el deslizamiento Spring Update CD, May 2001

Variador AC – Modelo del Motor Parámetro: “Potencia (HP ó Kw)” La potencia puede ser usada para: Estimar la impedancia del motor Estimar la inductancia del motor Calcular la ganacia para realimentación de torque Una mala calibraciónpuede causar una pobre regulación de torque o velocidad La información de la potencia es vital Spring Update CD, May 2001

Variador AC – Funcionamiento Vectorial El Flux Vector actua más como un variador DC La corriente de magnetización decae por encima de la frecuencia de placa Torque Current Magnetizing Current 100% 90 Torque Current Magnetizing Current 100% 90 El debilitamiento de campo ocurre por encima de la frecuencia de placa Spring Update CD, May 2001

Variador AC – Funcionamiento Vectorial El torque del motor depende de la carga Los cambios en la corriente para torque dependen de los cambios de la carga Torque Current Magnetizing Current 100% 90 Torque Current Magnetizing Current 10% 90 Spring Update CD, May 2001

Variador AC – Funcionamiento Vectorial Torque en el eje del motor se basa en una referencia de torque Torque Current Magnetizing Current 100% 90 Torque Current Magnetizing Current 10% 90 La corriente de torque se basa en una referencia Spring Update CD, May 2001

AC Drive Basics - Vector Operation La corriente de torque debe estar a 90° con magnetización Sintonización inadecuada, incorrecta parametrización, mala realimentación de velocidad o baja potencia del variador ocasionaran mala regulación del torque. Torque Current Magnetizing Current 100% 90 Producción optima de torque Torque Current Magnetizing Current ? Pobre producción de torque El torque es optimo solo cuando se mantienen los 90° Spring Update CD, May 2001

Variador AC – Funcionamiento Vectorial Clase de carga: velocidad directa y torque inverso ? Si los rodillos están acoplados durante el recorrido, se puede presentar una condición de velocidad directa y torque inverso. Use V/Hz or vectorial si la inercia o la velocidad es alta. La forma en que la carga afecta al drive es crítico para el exito en la aplicación. La carga con velocidad directa y torque inverso es la más dificil de manejar. El tiempo para saber velocidad y posición es limitado por la inercia y la velocidad Spring Update CD, May 2001

Variador AC – Funcionamiento Vectorial Corriente de motor = Suma vectorial de torque y magnetización Acá aparece el nombre de vectorial 100% A² + B² = C² Magnetizing Current Torque Current 100% Motor Current 90 Corriente del motor es la que se mide en sus fases Spring Update CD, May 2001

Variador AC – Funcionamiento Flux Vector Flux Vector regula corriente y torque usando velocidad del rotor y posición para optimizar torque en el eje junto con realimentación de corriente del motor. L1 L2 L3 Current Feedback Motor E Micro P El encoder proporciona la información de rpm y posición Spring Update CD, May 2001

Variaador AC – Torque y temperatura de rotor A medida que el motor llega a la temperatura de trabajo, la linealidad y precisíón del torque mejoran en Flux Vector Precisión del torque 5% o mejor ! % Torque Inch - Lbs HOT Motor COLD Motor Spring Update CD, May 2001

Variador AC – Control de campo orientado Es básicamente el mismo Flux Vector Control, con realimentación de Voltaje para detectar cambios de temperatura en el motor. L1 L2 L3 Voltage Feedback Motor E Micro P El variador continuamente se adapta a los cambios de temperatura del motor Spring Update CD, May 2001

Variadores AC - Resumen Ideas claves: Los errores en la realimentación del encoder afectan el control: Produciendo inestabilidad en la velocidad Debe estar libre de ruido Seleccione un encoder apropiado para motor vectorial Tierras apropiadas son importantes Los datos del motor deben ser precisos en el variador La información del motor medida o programada es la clave del exito Spring Update CD, May 2001

Todos los vectoriales sin realimentación no son los mismos Variador AC Actualmente hay dos tipos de variadores vectoriales El de nucleo escalar El de nucleo vectorial Todos los vectoriales sin realimentación no son los mismos Spring Update CD, May 2001

Variador AC – Variador vectorial SVC basado en el escalar (V/Hz) Usa un algoritmo sofisticado de limitación de corriente para mejorar el torque constante y el de arranque. Necesita menos información para puesta en marcha ganando así simplicidad. Puede manejar motores en paralelo. Solo regula la frecuencia , fijando la corriente. No regula el torque SVC con V/Hz puede manejar multiples motores Spring Update CD, May 2001

Variador AC - Vectorial Solo vectorial: Separa la corriente de torque y la de magnetización, para mantener el angulo de 90°. El arranque es algo más complicado por que se necesita más información del motor. Solo maneja un motor a la vez. Controla velocidad y torque Spring Update CD, May 2001

Variador AC - Vectorial El variador SVC vectorial cálcula la velocidad del rotor y su posición L1 L2 L3 Motor Sensores de corriente Micro P ( FVC + Speed Estimator ) Spring Update CD, May 2001

Variador AC – Lazos de control Hay tres lazos de control: POSICION RPMs TORQUE MOTOR La referencia de posición es opcional en la mayoria de controles vectoriales La referencia de velocidad es de uso común La referencia de torque puede ser directa, evitando el lazo de velocidad como referencia para aplicaciones como enrolladoras y Equipos de pruebas 10 rad/sec 100 rad/sec 1,000 rad/sec Spring Update CD, May 2001

AC Drive Basics - Regulator Diagram Referencia De velocidad Flux Command Torque Señales a los IGBTs RED AC Realimentación de corriente Velocidad y posición rotor + - Lazo de torque Lazo de velocidad Controlador de campo Inversor PWM Realimentación de velocidad AC Motor E Diagrama de control Flux Vector Spring Update CD, May 2001

AC Motor Basics - Inverter Duty Motor para variador Spring Update CD, May 2001

AC Motor Basics - Inverter Duty Algunos motores tiene el frame ajustado para disipar calor sin necesidad de ventilación forzada Ventilador si se desa trabajar a “0” RPM with 100% de Torque continuamente Spring Update CD, May 2001

Seleccione el tipo de motor de acuerdo a sus necesidades Motor AC para inversor Seleccione el tipo de motor de acuerdo a sus necesidades Tipo de motores AC Los motores con Frame T tienen en ´común la base y altura del eje. Los de Frame laminado proporcionan densidad an altas potencias y mejores curvas de comportamiento. Spring Update CD, May 2001

El diseño del rotor afecta la producción de torque! Motor AC para inversor El diseño del rotor afecta la producción de torque! El diseño del rotor cambia de motor a motor: El rotor “jaula de ardilla sencilla” está diseñado para usar con variador El motor industrial estandar con rotor doble jaula de ardilla esta diseñado para lograr el mejor torque. Spring Update CD, May 2001

Motor AC – Diagrama equivalente Diagrama del circuito equivalente del motor de inducción Resistencia del estator Inductancia estator Rotor Resistencia Inductancia de magnetización Voltaje de entrada - + Current Working El calentamiento del rotor afecta la produccíon de troque! Spring Update CD, May 2001

Breakdown Torque (BDT) Motor AC Motor diseño NEMA B Torque a plena carga Breakdown Torque (BDT) Regla del pulgar: El 80% de BDT se usa para cuando hay cambios subitos en la carga. El torque pico depende de las características del motor Spring Update CD, May 2001

Motor AC – Region de operación NEMA Design “B” Motors vary in Breakdown Torque capacity Según la aplicación se debe escoger el motor por la curva de torque Spring Update CD, May 2001

Motor AC – Rango de operación Curva de motor para inversor con Variador % TORQUE 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 6 12 18 24 36 42 48 54 66 72 78 84 Torque HZ Región aceptable Para operación continua Motor para variador a 1/10 de RPM placa Spring Update CD, May 2001

Motor AC- Rango de operación Curva de motor para inversor con variador AC % TORQUE 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 6 12 18 24 36 42 48 54 66 72 78 84 Torque HZ La región de potencia constante va hasta el 150% de Frecuencia de placa Spring Update CD, May 2001

AC Motor – Rango de operación Curva de torque de motor para variador con variador vectorial % TORQUE 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 6 12 18 24 36 42 48 54 66 72 78 84 Torque HZ Región de trabajo continuo El motor para variador trabaja a “0” RPM con 100% Torque Constante Spring Update CD, May 2001

Motor AC – Rango de operación Curva de torque de motor para variador y variador vectorial HZ % TORQUE 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72 78 84 90 Torque 10 20 40 50 70 80 100 96 102 108 114 120 Algunos motores pueden trabajar hasta 8 veces la frecuencia de placa Algunos motores trabajan hasta 2 veces la fercuencia de placa Spring Update CD, May 2001

De comportamiento de los variadores Variador AC Comparación De comportamiento de los variadores Spring Update CD, May 2001

Selección para cargas rotativas FVC es la mejor si la posición y la velocidad son conocidas. V/Hz es muy comodo y adaptable con altas inercias. SVC más dificil de manejar debidoa las limitaciones del fabricante. Procesador y algoritmo dependiente. Spring Update CD, May 2001

Selección para motores en paralelo V/Hz funciona perfecto con motores en paralelo. SVC or FVC es posible unicamente si los ejes de los motores están acoplados y l variador puede trabajar solo con el total de la corriente. Spring Update CD, May 2001

Selección Para torque constante V/Hz es bueno hasta 10:1 Constant Torque. SVC es bueno hasta 40:1 Constant Torque. FVC es bueno hasta 1,000:1 incluyendo velocidad cero. Spring Update CD, May 2001

Control Selection V/Hz no es medible la respuesta. SVC bueno hasta 100 Radians/second. FVC bueno hasta 1,000 Radian/second. Spring Update CD, May 2001

Comparativo Spring Update CD, May 2001

Las tecnologías AC y DC tiene sus virtudes cada una Comparativo Las tecnologías AC y DC tiene sus virtudes cada una Spring Update CD, May 2001

Drive Selection - Speed Range El comportamiento de los variadores AC y DC es similar Spring Update CD, May 2001

Gracias! Preguntas? Spring Update CD, May 2001