Control de Motores Dr. Jaime A. González C.

Accionamiento Industrial Eléctrico  Un Accionamiento Industrial Eléctrico es el conjunto de dispositivos organizados para la realización de una labor Industrial determinada y en donde es requerido un motor eléctrico para proveer la energía mecánica necesaria.

Accionamiento Industrial Eléctrico

Partes de un Accionamiento Industrial Eléctrico  Máquina Accionada  Motor Eléctrico  Sistema de Control  Sensores  Fuentes Variables  Sistema de Adquisición de datos  Protecciones  Otros

Máquina Accionada Es aquella máquina que realiza la labor determinada en un Accionamiento Industrial Eléctrico  Cinta Transportadora  Bobinadora de Papel  Cortadora  Bomba Hidráulica  Otras

Máquina Accionada  Información importante:  Capacidad  Necesidades de operación  Tiempo de Operación  Funciones de Operación  Protecciones  Secuencia  Otros

Máquina Accionada

Motor Eléctrico El Motor eléctrico es el encargado de proporcionar la energía mecánica que requiere la Máquina Accionada, su selección proporcionará el mejor desempeño de Accionamiento. Información:  Tipo de Alimentación  Condiciones de Operación  Capacidad en HP  Protecciones  Funciones  Otras

Motor Eléctrico Tipo de Energía Motores de Corriente Contínua Motores de Corriente Alterna

Motores de Corriente Contínua Motor Serie Motor Shunt o Paralelo Motor Compound o Compuesto Corto Largo

Motor de Corriente Contínua Fuente de Alimentación de corriente contínua Circuito de control simple Variación contínua de velocidad No puede trabajar en forma sellada

Motor de Corriente Alterna Motor Sincrónico Motor Asincrónico

Motores Especiales Motor de Paso Motor de Reluctancia Motor Universal Motor de histéresis Otros

Motor Eléctrico

Sistema de Control  El Sistema de Control garantizará el correcto desempeño de todos los dispositivos que interactúan en un Accionamiento Industrial Eléctrico, inclusive cuando dicho Accionamiento se encuentra en reposo  Información:  Clasificación de Automatización  Tipo de Automatización de acuerdo a sus dispositivos  PLC  Otros

Sistema de Control

Sistema de Control (PLC)

Adquisición de Datos (sensores) Son los dispositivo encargados de adquirir información del Accionamiento eléctrico sea ésta eléctrica o no.

Fuentes de Alimentación Variable  Los nuevos requerimientos de los procesos industriales obligan a tener operaciones más complejas obligando a trabajar a los motores con funciones especiales tales como avance gradual, inversión de sentido de giro, variación de velocidad, entre otras.  Con la aparición de la electrónica de potencia fue posible obtener fuentes variables, tanto en tensión como en frecuencia.

Fuentes de Alimentación Variable

Sistemas de Adquisición de Datos  Los Sistemas de Adquisición de Datos, también llamados SCADA realizan hoy en día, en tiempo real, el control de los Accionamientos Industriales Eléctricos complejos.

Sistemas de Adquisición de Datos

Protecciones  Inicialmente existieron protecciones de cortocircuito y sobrecarga  Hoy en día existen muchas protecciones del tipo digital y por control numérico  Los Sistemas Integran hoy en día dispositivos y protecciones juntas  estas protecciones pueden ser del tipo eléctrica, mecánica o de cualquier tipo de acuerdo al tipo de Accionamiento.

Protecciones

Accionamiento Industrial Eléctrico

Características Par vs Velocidad de las Cargas Resistentes  Una información muy importante a la hora de seleccionar los dispositivos para un accionamiento, es conocer el comportamiento de la carga resistente a la cual se le implementará el control.  Existen diferentes comportamientos de la carga resistente  Es necesario conocer los 4 cuadrantes

Cuadrantes

Restricciones Impuestas por la Máquina y por el Convertidor a = Límite del torque a’= Idem sin ventilación forzada b = Límite de Potencia c = Límite de Velocidad (razones mecánicas, tensiones máximas, frecuencias máximas, etc)

Características del Par Resistente Característica de Fricción (Coulomb) Característica de Ventilación (Fluida) Característica de Tracción ( Estática) Característica Lineal ( Viscosa)

Característica de Fricción Grúa Elevadora Bandas Transportadoras N T

Característica de Ventilación Transporte de Fluido Ventiladores. Bombas centrífugas. Compresores centrífugos N T

Característica de Tracción Descenso de cargas. Tracción Eléctrica N T

Característica Lineal Molinos Centrífugos N T

SIMBOLOGÍA  Es necesario utilizar un lenguaje universal para escribir un Accionamiento Industrial Eléctrico  Existen varias Normas para la escritura de los dispositivos  Asociación Americana de Norma (ASA)  Asociación Nacional de Constructores de Material (NEMA)  Norma Europea  Norma Alemana  Otras

SIMBOLOGÍA

Estado Normal de un Dispositivo  El estado normal de un dispositivo es aquel que tiene dicho dispositivo cuando no ha sido excitado o alimentado  Existen dos tipos de estado Normal  Normalmente Abierto  Normalmente Cerrado

Estado Normal de un Dispositivo

Interruptores y Conmutadores  Interruptor: Dispositivo que cumple la función de abrir o cerrar un circuito que podrá ser de alta o naja capacidad de corriente  Conmutador: dispositivo que cambia la dirección del flujo de corriente hacia otro circuito

Clasificación de los Interruptores y Conmutadores  Manuales: Los interruptores o conmutadores manuales son aquellos dispositivos accionados por el hombre.  Automáticos: Los interruptores o conmutadores automáticos son aquellos dispositivos que cambian su estado de acuerdo a una variable epecífica física (temperatura, presión, velocidad, etc)

Interruptores Manuales de Palanca  Son interruptores accionados por una Palanca  Existen dos tipos:  Interruptores de Cuchilla (Alta Capacidad de Corriente)  Interruptores de Volquete (Baja Capacidad de Corriente)

Interruptores Manuales de Palanca

Conmutadores Manuales de Palanca

Interruptores de Volquete (toggle switch)

 SPST: single pole single throw  SPDT: single pole double throw  DPST: double pole single throw  DPDT: double pole doublé throw

Interruptores Especiales  Interruptor de pedal: Interruptores operados por el pie del operario  Interruptor de Velocidad Cero: Interruptor diseñado para operar de acuerdo al sentido de giro del motor, es decir su variable para su actuación será la velocidad del motor

Interruptores Especiales

Interruptores Automáticos  Son Interruptores accionados por la modificación de una variable física, tal como la temperatura, presión, caudal, nivel, entre otras.  Estos Interruptores podrán ser discretos (1 y 0) o analógicos, es decir con porcentaje de variación, obligando a un tratamiento posterior analógico - digital

Interruptores Automáticos

Interruptor Final de Carrera  Es un interruptor utilizado como detector  Requiere contacto con el objeto a detectar para su operación  muy usado hasta hace pocos años  Requiere de mantenimiento debido al contacto con la pieza a detectar

Interruptor Final de Carrera  Tiene 3 partes Importantes:  Cuerpo: Lugar donde se encuentran los contactos y cables de conexión  Cabezal: Elemento que une al cuerpo con el dispositivo de ataque. Es el encarado de la adaptación de la respuesta del detector  Dispositivo de Ataque: elemento que hace contacto con el objeto a detectar. Existen muchos tipos de dispositivos de ataque

Interruptor Final de Carrera Fuente Telemecanique

Dispositivos de Ataque Fuente Telemecanique

Interruptor Final de Carrera

Interruptores Automáticos de última Generación  Dispositivos que han venido reemplazando a los finales de Carrera  Hoy llamados Detectores  Tipos:  Detectores Inductivos  Detectores Capacitivos  Detectores fotoeléctricos  Otros

Detectores Inductivos  Dispositivos basados en el fenómeno de Campo Magnético  No requiere contacto físico con el objeto a detectar  Su gran limitación es la distancia a detectar  Muy utilizado también en medición de velocidad

Detectores Inductivos  Partes:  Oscilador (Generador de Campo Magnético)  Adaptador de Señal (Tratamiento de la Señal)  Etapa de Salida (Contactos)

Detectores Inductivos Cortesía Telemecanique

Detectores Inductivos Cortesía Telemecanique

Tipos de Detectores Inductivos  De 2 Hilos  Alimentación continua  Alimentación Alterna / Continua  3 Hilos  Alimentación en Continua

Detector de 2 Hilos Cortesía Telemecanique

Detector de 3 Hilos  Existen de dos tipos:  PNP : Carga a Potencia Negativo  NPN: Carga a potencial Positivo

Detector de 3 Hilos Cortesía Telemecanique

Detectores Inductivos Cortesía Telemecanique

Detector Capacitivo  Sirve para detectar elementos Metálicos y No Metálicos  Principio basado en el Campo Eléctrico  No es muy utilizado porque presenta fallas a la hora detectar

Detectores Fotoeléctricos  Permiten detectar todo tipo de objetos  Existen gran variedad de dispositivos  Principio de Funcionamiento a base de ondas de luz

Detectores Fotoeléctricos Cortesía Telemecanique

Detectores Fotoeléctricos Cortesía Telemecanique

Sistema Barrera Cortesía Telemecanique

Sistema Reflex Cortesía Telemecanique

Sistema Reflex Polarizado Cortesía Telemecanique

Sistema con Borrado de Plano Posterior Cortesía Telemecanique

Sistema con Borrado de Plano Posterior Cortesía Telemecanique

Detectores

Dispositivos de Protección

Relé de Sobrecarga Cortesía Telemecanique

Contactor y Relé  Primer paso de la Automatización de los Accionamientos Industriales Eléctricos  Reemplazó por completo a los Interruptores de cuchilla  Se pueden aplicar en Circuitos de Control y /o Potencia  Su principio se basa en el fenómeno de Inducción Magnética

Contactor y Relé

Principio de Funcionamiento

Simbología del Relé y Contactor  M: Principal  CR: Relé de Control  F: Derecha  R: Reversa  FL: Pérdida de Campo  DB: Frenado Dinámico  AP: Anti Inversión  etc

Temporizadores  Dispositivos de control encargados de proporcionar retardos a la hora de aplicar una orden.  Generalmente Existen 3 Tipos:  ON- DELAY: Temporización a la Energización  OFF- DELAY: Temporización a la desenergización  MONOESTABLE: genera una ventana de tiempo  Hoy en día se programan en los PLC!!!

Temporizador ON - DELAY

Temporizador OFF - DELAY

Transformadores  Existen 4 tipos de Transformadores utilizados en los Accionamientos Industriales eléctricos:  Transformador de Control o de Maniobra  Transformador Compensador  Transformador Rectificador  Transformador de Medida o de Protección

Transformador de Control o de Maniobra  Es un Transformador que se utiliza para normalizar a tensión de alimentación del Circuito de Control.

Transformador Compensador  Es más bien un Autotransformador utilizado como reductor de tensión ara la alimentación de los motores de corriente alterna  Se diseñan de 2columnas (Conexión delta abierta) y de 3 Columnas (Trifásico)  Se diseñan para obtener 50% 65% y 80% de la Vn

Transformador Compensador  Autotransformador con Conexión en Delta Abierto

Transformador Compensador  Autotransformador Trifásico

Transformador Rectificador  Transformadores utilizados en los puentes rectificadores  Aíslan los sistemas electrónicos de los eléctricos

Transformador de Medida y de Protección  Utilizados para la normalización de cantidades eléctricas (V, I) para los equipos de medición y protección.

Transformador de Medida y de Protección

Elementos  Resistencias:

Elementos  Capacitores

Elementos Inductores:

Elementos  Sonido

Elementos  Lámparas:

Elementos  Conductores

Elementos  Agrupación de Conductores

Diagramas  Conocer cada símbolo de cada dispositivo no ayuda mucho para implementar un accionamiento industrial eléctrico  Existen Planos que relacionan los símbolos de cada dispositivo con la finalidad de:  Entender el funcionamiento del Accionamiento  Establecer la correcta posición de cada elemento  Determinar las conexiones de los dispositivos  Otras

Diagrama Elemental  Diagrama donde se puede diferenciar claramente el Circuito de Potencia y el Circuito de Control  Para ayudar al ítem anterior, este diagrama permite la distribución de los elementos de un dispositivo en todos los circuitos.  Diagrama utilizado para entender el funcionamiento del accionamiento y sus posible fallas. Es utilizado por los Ingenieros y Diseñadores

Diagrama Elemental  “Un Diagrama Elemental o Esquemático es el que muestra todos los circuitos y elementos de los dispositivos de un equipo y sus aparatos asociados o cualquier parte funcional del mismo claramente definida. Tal diagrama pone de manifiesto los elementos de un circuito y sus funciones y sucesión destacándolas de la deposición física de los conductores, dispositivos, o elementos del dispositivo dentro del circuito general del sistema”

Diagrama Elemental

Diagrama de Conexiones  Muestra la correcta colocación y conexión de los dispositivos  Es un diagrama para los instaladores y los de mantenimiento

Diagrama de Conexiones

Diagrama de Conexiones sin Hilos  Es un diagrama que muestra la conexión de cada conductor con su dispositivo…Se utiliza para los electricistas instaladores ConductorColorConexión 1RojoCT – PB – CR 2RojoPB – PB – CR 3RojoPB – CR – CR 4RojoCR – M – M 5RojoM – LP 6RojoLP – OL 7RojoCR – OL – M – LP 8NegroCT – OL – OL 9 10

AUTÓMATAS PROGRAMABLES

Fases de Estudio en la Elaboración de un Automatismo 1.- Estudio Previo 2.- Estudio Técnico-económico 3.- Decisión Final

Opciones Tecnológicas TIPOFAMILIA TECNOLÓGICASUBFAMILIA ESPECÍFICA LÓGICA CABLEADA ELÉCTRICARelé Electromagnético Electroneumática Electrohidraulica ELECTRÓNICAElectrónica Estática LÓGICA PROGRAMADA ELECTRÓNICASistemas Informáticos Micrordenadores Miniordenadores Microsistemas Autómatas Programables

Definición de un PLC Un Controlador Lógico Programable es una máquina electrónica, diseñada para controlar en tiempo real y en medio industrial procesos secuenciales. Su manejo y programación puede ser realizada por personal eléctrico ó electrónico sin conocimientos informáticos

Campos de Aplicación Maniobra de Máquinas. Maniobra de Instalaciones. Señalización y Control.

Ventajas del PLC 1.- Menor tiempo empleado en la elaboración de proyectos. 2.- Posibilidad de introducir cambios. 3.- Mínimo espacio de ocupación. 4.- Menor costo de mano de obra de instalación.

Ventajas del PLC 5.- Economía de Mantenimiento. 6.- Confiabilidad del Sistema. 7.- Posibilidad de gobernar varias máquinas. 8.- Menor tiempo para la puesta en funcionamiento

Estructura Modular 1.- Estructura Americana: E/S separadas del resto del PLC. 2.- Estructura Europea: Existe un módulo para cada función (fuente de alimentación, E/S, CPU,etc).

Estructura Interna 1.- La sección de entradas. 2.- La unidad central de procesos. 3.- La sección de salidas. 4.- La unidad de alimentación. 5.- La unidad de programación. 6.- Periféricos. 7.- Interfaces

Sección de Entradas Sección de Salidas Unidad de Alimentación Interfaces Captadores Actuadores Consola de Programación dispositivos Periféricos Autómata Programable (PLC)

Memorias 1.- RAM: Memoria de lectura y escritura 2.- ROM: Memoria de lectura solamente

Tipo Calculadora Son los más utilizados por los Autómatas programables de gama baja. Puede ser totalmente independiente.

Tipo Consola de Programación Presenta una pantalla para líneas y caracteres.

Unidad con PC Se adapta al Autómata programable mediante un interfaz. Permite la visualización de esquemas ó diagramas

Tamaño de los PLC’S Gama Baja: Hasta un máximo de 128 E/S Gama Media: De 128 a 512 E/S. Gama Alta: Más de 512 E/S

Tipos de Entradas Analógicas Digitales

Tipos de Salida Salidas a Relés Salidas a Triacs Salidas a Transistores

Salidas a Rele Para circuitos de C.C. y C.A. Alta Corriente Conmutaciones Lentas (Contactores, electro válvulas)

Salidas a TRIACS Circuitos de C.C y C. A. Para conmutaciones Rápidas Su vida es más larga que la del relé Capacidad de Corriente semejante a la del relé

Salidas a Transistores Para circuitos de C.C. Cargas de poco consumo Rápida respuesta Alto número de operaciones Su vida es superior a la del relé.

Lenguajes de Programación Nemónico, Lista de Instrucciones, Booleano Diagrama de Contactos Grafcet Organigrama ó Diagrama de Flujo

Nemónico

Diagrama de Contactos

Ejemplo Arranque de un motor a plena tensión por medio de un PLC

M M M L1 L2 L3 Circuito de Potencia

Circuito de Control PLC Entradas 24 V.%I 0.1%I 0.2 C%Q 0.1 Salidas 120 V. Salida para los terminales de la bobina M N P A

Arranque del Motor de Inducción

Consideraciones del Arranque Condiciones de la red de alimentación Consideraciones del Proceso Consideraciones del propio motor Imposiciones por Calidad de Energía

Tipos de Arranque del Motor de Inducción Arranque a plena tensión (J. A y R. D.) Arranque a tensión reducida Arranque con resistencias en el circuito rotórico (R. D.)

Arranque a Plena Tensión Corriente de Arranque  5-7 In Torque de Arranque  1.5 – 3 Tn

Arranque a Tensión Reducida (J.A.) Arranque con Resistencias Arranque con Reactancias Arranque con Auto transformadores Arranque Estrella – Triangulo Arrancador Suave

Arranque a Tensión Reducida Disminuye la corriente Disminuye el Torque T  V 2

Características del Torque y de la Corriente Plena tensión Tensión Reducida

Arranque a Tensión Reducida con Resistencias para Motores Jaula de Ardilla  Se aplica para Motores pequeños y medianos  Este arrancador produce pérdidas Joule (Iarrq 2 *R)  Método sencillo y barato

Arranque a Tensión Reducida con Resistencias para Motores Jaula de Ardilla

Circuito de Potencia

Circuito de Control

Arranque a Tensión Reducida con Reactancias para Motores Jaula de Ardilla  Se aplica para motores medianos y grandes  Se disminuye bastante las pérdidas Joule en la línea de Alimentación del motor  se disminuye aún más el factor de potencia del accionamiento en el arranque  Vienen diseñadas industrialmente para obtener derivaciones del 50%, 65% y 80% de la tensión Nominal

Arranque a Tensión Reducida con Reactancias para Motores Jaula de Ardilla

Arranque a Tensión Reducida con Autotransformador para Motores Jaula de Ardilla  Es considerado el arranque más costoso dentro de los arranques a tensión reducida tradicional  En ocasiones el Transformador es más costoso que el propio motor  Se puede lograr mayor relación (T/A) gracias al efecto transformador

Arranque a Tensión Reducida con Autotransformador para Motores Jaula de Ardilla

 Existen dos tipos de Conexión:  Arrancador con Transición a Circuito Abierto  Arrancador con Transición a Circuito Cerrado

Arrancador con Transición a Circuito Abierto  En este tipo de Arrancador, durante la transición de tensión reducida a plena tensión, el motor queda un instante desconectado de la red  Esto trae como consecuencia que se produzcan transitorios no deseados en la red, que dependerán de la capacidad de cada motor.  Este tipo de Arrancador se aplica a motores de inducción J. A. pequeños y medianos.  Para disminuir costos en este tipo de arrancador se utiliza un Autotransformador en conexión Delta Abierta.  Se requiere enclavamiento mecánico y eléctrico entre 1S y 2S para evitar que el secundario quede a la tensión mayor

Arrancador a tensión Reducida con Autotransformador con Transición a Circuito Abierto

Enclavamiento Mecánico  El enclavamiento mecánico consiste en un mecanismo mecánico que se ajusta entre las dos armaduras y es en forma de pivot, es decir, una vez que la armadura “A” se ha cerrado este enclavamiento mecánico mantiene la armadura “B” forzadamente abierta  Para este caso el enclavamiento mecánico evitará que el contactor 1S y 2S se activen a la vez evitando así que el secundario se conecte a la tensión mayor.

Enclavamiento Mecánico

Enclavamiento Eléctrico  Todo enclavamiento mecánico debe venir acompañado con un enclavamiento eléctrico  Si una bobina de un contactor, tiene su armadura forzadamente abierta, y es energizada dicha bobina se dañara porque la corriente de arranque de dicha bobina (que es mucho mayor a la In) permanecerá en el tiempo.

Enclavamiento Eléctrico

Arrancador a Tensión Reducida con Autotransformador con Transición a Circuito Cerrado  La Transición a Circuito Cerrado evita los problemas del diseño anterior  Se aplica para Motores medianos y grandes  Es más costoso  Se utiliza un Autotransformador Trifásico

Arrancador a Tensión Reducida con Autotransformador con Transición a Circuito Cerrado

Arranque a Tensión Reducida Estrella – Triangulo para motores Jaula de Ardilla  Arrancador más popular dentro de los arrancadores tradicionales  No requiere elementos adicionales  Sólo es posible lograr una sola tensión reducida  Requiere de un diseño especial del motor Jaula de Ardilla

Consideraciones del Motor Jaula de Ardilla para ser usado como Arrancador Estrella - Triangulo  Debe tener acceso a los 6 Terminales :

Consideraciones del Motor Jaula de Ardilla para ser usado como Arrancador Estrella - Triangulo  El motor deberá estar diseñado para trabajar en conexión Triangulo en régimen permanente:

Donde Ocurre el Arranque a Tensión Reducida?  El Arranque a tensión Reducida ocurre cuando al motor se le obliga a trabajar en conexión Estrella

Arranque a Tensión Reducida Estrella – Triangulo para motores Jaula de Ardilla  Existen dos tipos de Conexiones:  Conexión con Transición a Circuito Abierto  Conexión con Transición a Circuito Cerrado

Arranque a Tensión Reducida Estrella – Triangulo con Transición a Circuito Abierto para motores Jaula de Ardilla  Se requiere enclavamiento mecánico entre 1S y 3S

Arranque a Tensión Reducida Estrella – Triangulo con Transición a Circuito Abierto para motores Jaula de Ardilla

Arranque a Tensión Reducida Estrella – Triangulo con Transición a Circuito Cerrado para motores Jaula de Ardilla

Arrancador Suave

Funciones Control de Corriente Rampa de Tensión Aplicada Control del Tiempo de Arranque Optimización del f.p. Optimización del rendimiento a bajas potencias Monitoramento Autodiagnóstico

Inconvenientes del Arrancador Suave Torques Parásitos Pérdidas Adicionales Calentamiento Vibraciones Ruido

Ventajas del arrancador Suave Control de Corriente Control de Sobretensión Ahorro de Energía Protección térmica del motor Protección mecánica de la máquina Control en la fase de frenado

Arranque Suave con Aceleración Constante

Arranque Suave con intensidad Constante

Arranque Suave con Rampa de Tensión

Arranque de los Motores a Rotor Devanado  Los Motores de Rotor devanado pueden ser arrancados con casi todos los métodos de tensión reducida vistos anteriormente.  Es decir, que también tendrán pérdidas cuadráticas del Par  Es posible aplicar otros métodos donde se disminuya la I de arranque pero no se sacrifique el Par electromagnético

Métodos de Arranque de los Motores a Rotor Devanado  Métodos Tradicionales:  Arranque con inserción de resistencias rotóricas:  Arrancadores de Tiempo Fijo  Arrancadores por Limitación de Corriente  Métodos Modernos  Fuentes Electrónicas:  Kramer Estático  Scherbius Estático

Arranque con Resistencias en el Circuito Rotórico

Arranque del motor de Inducción de Rotor Devanado de Tiempo Fijo  Los Arrancadores de Tiempo Fijo cortocircuitan las secciones de resistencia en un tiempo fijo sin tomar en cuenta las variaciones de carga  Se utilizan cuando se espera una carga fija acoplada al eje del motor.  Si la Carga varía deberán ajustarse de nuevo los tiempos  Normalmente se utilizan temporizadores

Arranque del motor de Inducción de Rotor Devanado de Tiempo Fijo

Arranque del motor de Inducción de Rotor Devanado por Limitación de Corriente  Los Arrancadores por Limitación de Corriente toman en cuenta las condiciones de carga  Los tiempos de cortocircuito de las resistencias rotóricas serán variables y dependerán de la condición de carga  Se implementa este arrancador por medio de un sensor:  De Corriente Rotórica  De Tensión Rotórica  De Frecuencia Rotórica  Son más costosos

Arranque del motor de Inducción de Rotor Devanado por Limitación de Corriente

Arranque con Fuentes Electrónicas

Funciones Especiales de los Motores de Inducción

 Existen funciones diferentes a las de arranque y Paro de un Motor.  Las funciones especiales permiten al motor adecuarse a las exigencias que requiere el Accionamiento Industrial eléctrico  Funciones Especiales:  Avance Gradual (Jogging)  Inversión de Sentido de Giro  Frenados:  Frenado a Contracorriente  Frenado Dinámico  Frenado Regenerativo

Avance Gradual  El Avance Gradual es una Función especial encargada de obtener pequeñas aceleraciones del motor con la finalidad de obtener avances de la máquina accionada.  Esta Función podrá ser de tipo:  Manual: Utilizando pulsadores (No requiere retención)  Automática: Utilizando temporizadores reales o programados  Como el Avance Gradual es por tan poco tiempo, los elementos de tensión reducida o de limitación de corriente podrán estar presentes pero no activarse cuando esta función sea aplicada

Avance Gradual  Manual:  Automática:

Avance Gradual (Jogging)  Diseñe un Circuito de Potencia y de Control para el Arranque a Plena Tensión de un Motor de rotor Devanado que además posea Avance Gradual Manual. Se requiere Señalización de todas las funciones y protecciones.

Avance Gradual (Jogging )  Diseñe un Circuito de Potencia y de Control para el Arranque a Tensión Reducida con Resistencias de un Motor de Inducción Jaula de Ardilla que además posea Avance Gradual Automático por 5 s. Se requiere Señalización de todas las funciones y protecciones.

Inversión de Sentido de Giro de un Motor de Inducción  La Inversión de Sentido de giro se logra invirtiendo dos fases de alimentación del motor  La Inversión de sentido de giro lleva implícitamente un frenado a Contracorriente  Un motor de Inducción podrá ser invertido su sentido de giro tanto en reposo como en funcionamiento

Inversión de Sentido de Giro de un Motor de Inducción  La corriente de Inversión (Ip) es aproximadamente igual a la corriente de arranque a Plena tensión  Si el motor de Inducción requiere elementos de tensión reducida o de Limitación de corriente, éstos deberán estar presentes durante la inversión.  Se debe implementar enclavamiento mecánico y eléctrico entre F y R para evitar cortocircuito entre fases

Inversión de Sentido de Giro de un Motor de Inducción

 Circuito de Potencia:

Inversión de Sentido de Giro de un Motor de Inducción  Circuito de Control:

Inversión de Sentido de Giro de un Motor de Inducción

 Diseñe un Circuito de Potencia y de Control para el Arranque a Tensión Reducida con 2 secciones de resistencias de un Motor de Inducción Jaula de Ardilla que además posea Avance Gradual Manual e Inversión de Sentido de Giro. Se requiere Señalización de todas las funciones y protecciones.

Frenado a Contracorriente  Aprovechando la Inversión de sentido de giro del motor, un elemento que logre desconectar dicha función cuando nr =0, producirá un frenado a contracorriente.  Si el motor de Inducción requiere elementos de tensión reducida o de imitación de corriente, éstos deberán estar presentes durante el frenado.  Es común utilizar un interruptor de velocidad cero para obtener la desconexión de la función cuando nr=0

Frenado a Contracorriente

Frenado a Contracorriente (Sin Inversión)

Frenado a Contracorriente (Con Inversión)

Frenado a Contracorriente

 Diseñe un Circuito de Potencia y de Control para el Arranque a Tensión Reducida con reactancias de un Motor de Inducción Jaula de Ardilla que además posea Avance Gradual Manual y Frenado a Contracorriente. Se requiere Señalización de todas las funciones y protecciones.

Frenado a Contracorriente  Diseñe un Circuito de Potencia y de Control para el Arranque a Tensión Reducida con Autotransformador con transición a Circuito Abierto de un Motor de Inducción Jaula de Ardilla que además posea Avance Gradual Manual Inversión de Sentido de Giro y Frenado a Contracorriente. Se requiere Señalización de todas las funciones y protecciones.

Frenado Dinámico (DB)  El Frenado Dinámico consiste en aplicar una fuente de corriente continua a los bornes del motor, previa desconexión de la fuente ac  Este campo producirá un Campo Magnético unidireccional que frenará al motor de Inducción  Inicialmente es de valor bajo pero cerca de detenerse el motor este campo es elevado.

Frenado Dinámico (DB)  El tiempo de frenado dependerá de la magnitud de la corriente I DB aplicado al motor.  I DB < 5 In (valor máximo aplicado)  Un temporizador o un Interruptor de velocidad cero podrán desactivar la función.

Frenado Dinámico (DB) I DBmáx. =5 a 7 In

Frenado Dinámico (DB)

 Diseñe un Circuito de Potencia y de Control para el Arranque a Tensión Reducida con Autotransformador con transición a Circuito Cerrado de un Motor de Inducción Jaula de Ardilla que además posea Avance Gradual Manual y Frenado Dinámico. Se requiere Señalización de todas las funciones y protecciones.

Frenado Dinámico (DB)  Diseñe un Circuito de Potencia y de Control para el Arranque a Tensión Reducida Estrella Triangulo con transición a Circuito Cerrado de un Motor de Inducción Jaula de Ardilla que además posea Avance Gradual Manual, Inversión de Sentido de Giro y Frenado Dinámico. Se requiere Señalización de todas las funciones y protecciones.

Control de los Motores de Corriente Continua

 Muy utilizados para accionamientos de Velocidad Variable  Hoy en día muy poco utilizados en los accionamientos de velocidad variable y han sido desplazados por el motor de Inducción  Motores con mayor mantenimiento  No pueden ser encapsulados

Control de los Motores de Corriente Continua  Existen hoy en día fuentes variables de corriente Continua que han permitido eliminar el problemas de fuentes de corriente continua  Los motores de Corriente Continua presenta facilidad de implementar estrategias de control ya que sólo se requiere hacer control de magnitud.

Tipos de Motores de Corriente Continua  Máquina de Excitación Separada  Máquina Shunt (Paralela)  Máquina Serie  Máquina Compound (Compuesta)  Compound Largo  Compound Corto

Tipos de Motores de Corriente Continua

Técnicas de Control de la Máquinas Eléctricas  Funciones de los dispositivos de Control:  Establecer determinadas variables( velocidad, Te, etc) de acuerdo a los valores de referencia, sean ellos fijos o variables  Realizar la Interface Hombre - Máquina  Protección de los equipos  Proporcionar toda a potencialidad del conjunto con un buen rendimiento  Adaptarse a nuevas estrategias de control ????

Estructura de un Sistema de Control ( Lazo Abierto)

Estructura de un Sistema de Control ( Lazo Cerrado)

Descripción de los Sistemas A, B, C, D Matrices Constantes x=variables de estado de entrada Y= variables de salida U= vector de entrada

Sistemas Contínuos descritos por Funciones de Transferencia

Control de Velocidad en Lazo Abierto  La Regulación de Velocidad en Lazo abierto, tal como indica su nombre, no tomará en cuenta ningún ajuste de los parámetros a controlar.

Control de Velocidad en Lazo Cerrado

Control de Velocidad en Lazo Abierto

Rapidez de Respuesta en los Sistemas (Primer orden)

Rapidez de Respuesta en los Sistemas (Segundo orden)

Rapidez de Respuesta en los Sistemas

Respuesta de un Sistema de Segundo Orden

Proyecto de Sistemas Univariables por Vía Analítica  El Proyecto de un Sistema de Control consiste en la síntesis de controladores que cumplan determinadas especificaciones:  Estabilidad  Error  rapidez  Otras

Proyecto de Sistemas Univariables por Vía Analítica  Ayudas:  Técnicas Teóricas  Experiencias del Proyectista  Programas apoyados por Computadora  Verificaciones  Correcciones experimentales

Compensación en Lazo Cerrado

Tipos de Controladores más Utilizados

Reacción a la Perturbación de Carga y de Ruído de Observación  En un sistema puede existir:  Perturbación en el lazo directo v(t)  Perturbación en el sensor w(t)  v(t) esta asociado a fenómenos de carga (misma frecuencia de las entrada)  w(t) esta asociada al error en la medición (alta frecuencia)

Reacción a la Perturbación de Carga y de Ruído de Observación

Reacción a la Perturbación de Carga y de Ruido de Observación

Realimentación con Ganancia Unitaria  Hasta ahora los proyectos vistos se consideran:  con realimentación Unitaria  Ganancia Unitaria  Esto implica que las variables usadas en el módulo de referencia y sumador están en la misma escala que la variable controlada (no es siempre verificable)  Por lo tanto se hace necesario un sensor para medir la variable controlada

Realimentación con Ganancia Unitaria

Problemas Típicos de Control Univariable en Accionamientos  Regulación de una Corriente de Excitación  Control de una Corriente en un Circuito con Fuerza Electromotriz Perturbadora  Control de Velocidad  Control de Posición

Regulación de una Corriente de Excitación  El Comportamiento Dinámico del Conjunto:  ζe: atraso estático del convertidor (despreciable)

Regulación de una Corriente de Excitación

Control de la Corriente en un Circuito con Fuerza Electromotriz Perturbadora  Que hacer cuando se requiere controla la Corriente en circuitos sujetos a perturbaciones  El Inducido de un motor de Corriente Contínua con excitación separada es un caso típico  fem  Variación de la tensión del convertidor  La constante ζi=L/R es normalmente baja

Control de la Corriente en un Circuito con Fuerza Electromotriz Perturbadora

Solución alternativa realizando precompensación del efecto de la femm

Control de Velocidad  Considerando la parte electromagnética del actuador:  Circuito de Comando  Convertidor  Máquina eléctrica  descrita de la siguiente forma:  Bloque con kte de tiempo eléctrica ζ y ganancia K  Bloque mecánico con J, K D  T r

Control de Velocidad

 El Compensador PI se torna interesante para eliminar el error y atenuar la perturbación de la carga  Una solución consiste en cancelar el polo mecánico con e cero del compensador

Control de Posición  Un modelo de control de posición deberá incluir el modelo de velocidad + una integración  k será un factor de escala  existen entones 3 polos en el sistema a controlar (uno en el origen)  Obliga un Efecto de avance en la compensación(por lo menos un cero) para lograr rapidez y estabilidad

Control de Posición

 Una Solución simple es colocar un cero entre el polo y el origen (b,c) PD:

Control de Posición

Consideraciones  Viabilidad de los modelos adoptados para los diferentes elementos físicos (sobre todo en las simplificaciones)  Conocimiento de los parámetros y previsión de sus variaciones  Limitaciones físicas de los elementos (P, I, V, wr, etc)

Control de Máquinas de Corriente Contínua  Fueron las primeras máquinas con control de velocidad por su simplicidad  Circuitos basados en reóstatos  Costos por las pérdidas Joule  Regulación de Velocidad Ward Leonard  Hoy en día convertidores de potencia realizan dicha labor

Control de Máquinas de Corriente Contínua

Sistema Ward Leonard

Control de Velocidad en Lazo Abierto Esquema básico:

Control de Velocidad en Lazo Abierto

 Para el caso de carga lineal Tr=K D ω

Control de Velocidad en Lazo Abierto  La velocidad de régimen permanente impuesta por un valor fijo Uc, aparece sobrepuesto de un desvío Δω gracias al Torque de carga Tr

Control de Velocidad en Lazo Abierto  Precauciones:  El error debido a Tr es independiente de la velocidad y puede volverse preocupante en baja velocidad  La variación de K (Ganancia de Convertidor) provoca un error relativo de igual proporción en la velocidad establecida  K en los rectificadores y circuitos de disparo o es lineal  K entonces puede provocar variaciones

Regulación de Velocidad en Lazo Abierto 

Revisar

Control de Velocidad en Lazo Cerrado  Para este tipo de Control se utilizan dos tipos de convertidores:  Rectificadores Convencionales  Convertidores DC – DC (Choppers)  Existen, de acuerdo al cuadrante de operación del accionamiento, diferentes topologías

Control de Velocidad en Lazo Cerrado

 Accionamientos Unidireccionales: Con parada natural  Accionamientos Unidireccionales: Con frenado electromagnético, frenado regenerativo  Accionamientos Bidireccionales: Con carga activa (elevación de carga)  Accionamientos Bidireccionales: Con Inversión Rápida (servomecanismos)

Control de Velocidad en Lazo Cerrado

 Tipos de Control:  Control Directo de Velocidad  Control de Velocidad con Control Subordinado de Corriente

Control Directo de Velocidad

 Un polo atrasado del convertidor  Dos polos asociados al motor  reales para M2 y complejos conjugados para M1 M3 y M4 (Tabla)  Se debe configurar el PI=

Control Directo de Velocidad

 Para el caso d:

Control Directo de Velocidad

Control de Velocidad con Control Subordinado de Corriente  Ia es proporcional al Te  La Ia de un motor de cc es elevada In  Se hace necesario Limitar la Corriente  Esto afectará el Te

Control de Velocidad con Control Subordinado de Corriente

Control de Velocidad de los Motores de Inducción

Definiciones Regulación de Velocidad: Es la capacidad que tiene el control de mantener la velocidad constante cuando suceden variaciones del torque Control de Velocidad: Es la variación de velocidad de un motor manteniendo siempre el torque constante

Velocidad del Campo Magnético Giratorio (CMG)

Velocidad del Motor

Ecuación Básica de la Velocidad n r = Velocidad del rotor P= número de polos s= Deslizamiento f e = Frecuencia de la red de alimentación

Métodos del Control de Velocidad Variación de la Tensión de Alimentación Variación del Número de Polos Variación del Deslizamiento Variación de la Frecuencia de la red de Alimentación

Variación de la Tensión de Alimentación  Control relativamente continuo de velocidad  T  V 2  Motores con resistencia rotórica baja (normalmente), provocan variaciones grandes de velocidad  Corrientes elevadas  No es un método muy utilizado

Variación de la Tensión de Alimentación

Variación del Número de Polos Variación Discreta de la Velocidad Motor costoso Disminución del Torque Motor de bajo Rendimiento Aplicable a motores de Jaula de Ardilla

Variación de la Resistencia Rotórica  Aplicable a motores de Rotor Devanado  Control relativamente continuo de la velocidad  Las resistencias de Arranque pueden servir para el control de velocidad  Teóricamente 50% de velocidad  Genera pérdidas

Variación de la Resistencia Rotórica

Hoy en día

Variación de la Frecuencia de la Red de Alimentación  Mudar la frecuencia implica mudar el campo magnético giratorio  Redes de Alimentación de corriente alterna con frecuencias normalizadas a 50 y 60 hz.  Inicialmente un sistema de control muy costoso (máquinas adicionales)  Poco utilizado hasta la década del ochenta

Variación de la Frecuencia de la Red de Alimentación  Aparecimiento de la Electrónica de Potencia  Posibilidad de producir Fuentes trifásicas de Tensión y de Frecuencia Variable.  Comienza el desarrollo del motor de Inducción en el área de variación de la velocidad  Comienza el control de lazo Cerrado ( no aplicable al motor de Inducción de jaula de Ardilla).

Variación de la Frecuencia de la Red de Alimentación

 Como variar entonces la frecuencia de la red de alimentación????  Condiciones para variar la frecuencia????  Que sucede con el torque electromagnético?????  El control es confiable???? CONVERTIDORES

Control de Velocidad

Convertidores de Frecuencia variable Ciclo convertidores Inversores

Partes de un Inversor  Etapa Rectificadora

Partes de un Inversor Etapa de Filtraje

Partes de un Inversor  Etapa Inversora

PWM  V c = sinal de control  V t = sinal de disparo

Tipos de Inversores  Inversor de fuente de tensión con modulación de amplitud de pulso con rectificador de diodo (PWM-VSI)  Inversor de fuente de tensión de onda cuadrada con rectificador de tiristor(Square-wave VSI )  Inversor fuente de corriente con rectificador de tiristores (CSI)

PWM  Amplitud de Modulación  Frecuencia de Modulación

Inversor Trifásico PWM-VSI

Variación de la Velocidad

Velocidad por encima de la Velocidad Base

 Control de Debilitamiento de Campo

Velocidad por debajo de la Velocidad Base  Hay que realizar controle V/f

Relación Tensión / Frecuencia

Característica del Torque vs Velocidad  Sin tomar en cuenta la saturación

Característica del Torque vs Velocidad

Motor Trifásico de Inducción

Por qué el Motor de Inducción?  Menor tamaño  Menor peso  Bajo costo  Bajo mantenimiento  Mayor relación Torque/ Amperio  Posibilidad de ser encapsulado  Otras

Tipos de Motores de Inducción  Motor de Rotor Bobinado  Motor de Jaula de Ardilla

Campo Magnético Giratório

Tipos de Motor de Inducción de Jaula de Ardilla  Motor Classe A  Motor Classe B  Motor Classe C  Motor Classe D  Motor Classe F

Torque Electromagnético

Velocidad del Campo Magnético Giratorio (CMG)

Velocidad del Motor

Modelo Matemático del Motor de Inducción

Ecuaciones del Motor Bifásico

Ecuaciones del Motor de Inducción Bifásico

Transformada de Park

Ecuaciones de Transformación

Nuevas Ecuaciones

Enlaces de Flujo

Motor Trifásico de Inducción

Distribución de Los Flujos

Ecuaciones de Transformación

Ecuaciones

Ecuaciones referidas al Estator

Expresión del Torque

Ecuación Dinámica del Motor

Corrientes del Estator i ds vs Tiempo i qs vs Tiempo

Velocidad del Motor Velocidad vs Tiempo

Torque del Motor Torque vs Tiempo

Circuito Equivalente del Motor de Inducción

Control Vectorial  Que hacer para mejorar o desempeño del Control???????? Control Vectorial

 También llamado Control de Orientación del Campo (FOC)  El eje de referencia se sitúa fijo a un vector de flujo  O vector más utilizado, es el vector de flujo del rotor  Pretende simular el motor de inducción como un motor de corriente continua, donde la corriente de campo y la corriente de torque estén ortogonales T = k  I

Control Vectorial

 Todo el método esta basado en la posición correcta de los ejes con el flujo

Control Vectorial  r = Velocidad del rotor  sl = Velocidad del rotor Como determinar  sl ?????

Control Vectorial

 Como determinar la posición exacta del flujo????  Métodos Directos : Blaschke propuso un método, pero implicaba modificar la máquina con la colocación de sensores de flujo de efecto Hall en el entrehierro de La máquina  Observadores de Flujo: Control Indirecto de Flujo

Control Indirecto del Flujo

Control de Torque Directo

 El control de Torque Directo no reproduce el comportamiento electromecánico del motor DC  Procura explorar las capacidades del torque y del flujo del motor

Control de Torque Directo

Enlaces de Flujo

Ecuación del Motor para ejes de referencia en el Estator (  =0)

Expresión del Torque

Principio del DTC  El vector de tensión aplicado produce una variación del flujo del estator en la misma dirección del vector de tensión y una amplitud proporcional al valor de la tensión y al intervalo de tiempo.

Principio del DTC

El torque es proporcional al producto escalar entre los flujos del estator y del rotor, desfasados 90° grados.

Principio del DTC  La única cantidad a ser controlada por el inversor es el vector de tensión del estator.  El vector de tensión comanda prácticamente la variación del vector de campo del estator.  Cualquier variación del vector de campo del estator lleva a una variación del torque debido a la variación de la amplitud y de la fase entre los vectores de flujo de estator y del rotor.

Principio del DTC