DRIVES DE AC PARA MOTORES DE INDUCCION Y MOTORES SINCRÓNICOS

La función de un DRIVE de C. A La función de un DRIVE de C. A. es arrancar el motor y controlar su velocidad. El arranque en motores de inducción se debe realizar de tal manera que no provoque perturbaciones en el alimentador (caídas de voltaje) que hagan funcionar mal a otros equipos conectados al mismo alimentador. Para no provocar caídas de voltaje excesivas se debe limitar la corriente de arranque, pero cuidando que no se afecte al arranque del motor. En muchas ocasiones no se necesita un DRIVE y se puede usar un arrancador que limite la corriente de arranque.

Existen varios mecanismos que se pueden implementar para reducir la corriente que el motor toma en el arranque: a.- Insertar impedancias en serie en las líneas del motor. b.-Usar un transformador o auto-transformador para reducir el voltaje aplicado al motor. c.- En motores diseñados para que sus embobinados operen conectados en DELTA se puede implementar un arranque con los embobinados inicialmente conectados en ESTRELLA y luego cambiar a DELTA. d.- En motores de rotor devanado se puede arrancar con resistencias en serie con el rotor.

Para comprender como se afecta al motor al implementar estas técnicas de arranque se debe entender como afectan a la característica del motor, en particular a la característica corriente del estator versus velocidad y par del motor versus velocidad . Lo anterior se puede determinar mediante el análisis del circuito equivalente del motor.

CIRCUITO EQUIVALENTE DE MOTOR DE INDUCCIÓN Rs ES LA RESISTENCIA DE LA BOBINA DEL ESTATOR Xs ES LA REACTANCIA DE DISPERSIÓN DE LA BOBINA DEL ESTATOR Rr ES LA RESISTENCIA DEL EMBOBINADO DEL ROTOR REFERIDA AL ESTATOR Xr ES LA REACTANCIA DE DISPERSION DEL EMBOBINADO DEL ROTOR REFERIDA AL ESTATOR XM ES LA REACTANCIA DE MAGNETIZACIÓN DEL MOTOR

El circuito equivalente se puede desglosar para separar la potencia en el rotor en dos partes: las pérdidas de cobre en el rotor y la potencia convertida de eléctrica a mecánica. Psu =3 Rs I12 = Pérdidas de cobre en el estator Pru=3 Rr Ir2 = Pérdidas de cobre en el rotor Pd =3 Rr (1-s)/s Ir2 = Potencia convertida ( eléctrica a mecánica)

Pg =3 Rr /s Ir2 = Potencia que cruza del estator al rotor Pentrada = 3 VLN Is Cos <VnlIs h= Eficiencia =Psalida/Pentrada La impedancia del motor se puede obtener de:

También se puede calcular el par de salida Una vez calculada la potencia convertida se puede calcular el par interno También se puede calcular el par de salida Si este proceso se realiza en forma repetitiva para diferentes valores de Wm se pueden obtener características de corriente de estator (Is) y Par interno contra velocidad

Zona de operación como de Generador Zona de operación como Motor Zona de Frenado Se han normalizado tanto el par como la velocidad

Si no se conocen los parámetros del circuito equivalente se puede determinar la impedancia del motor en el arranque con la letra de código y el factor de potencia en el arranque. La letra de código indica los KVA de rotor bloqueado por caballo de salida. KVA de rotor bloqueado = Rango de tabla * HP de motor

LETRA DE CODIGO RANGO DE: KVA DE ROTOR BLOQUEADO POR HP A 0.00 A 3,14 L 9.00 A 9.99 B 3.15 A 3.54 M 10.00 A 11.19 C 3.55 A 3.99 N 11.20 A 12.49 D 4.00 A 4.49 P 12.5 A 13.99 E 4.50 A 4.99 R 14.0 A 15.99 F 5.00 A 5.59 S 16.0 A 17.99 G 5.60 A 6.29 T 18.0 A 19.99 H 6.30 A 7.09 U 20.00 A 22.39 J 7.10 A 7.99 V 22.4 Y MAYOR K 8.00 A 8.99

ARRANQUE CON IMPEDANCIA EN SERIE Se inicia el arranque cerrando los contactos S, y después de un atraso de tiempo se cierran los contactos R y luego se pueden abrir los contactos S

Si el motor se conecta directamente al voltaje nominal se obtiene: Si se conecta el motor con impedancia en serie se obtiene:

Se puede usar una impedancia externa, tanto usando resistencia como reactancia. Dependiendo de las características del alimentador puede convenir mas usar una que la otra. La impedancia del motor en el arranque se puede separar en parte real y parte reactiva. Rmarr = Zmarr f.p.arr Xmarr = Zmarr * Sen (Cos-1 f.p.arr )

Si se desea agregar REACTANCIA en serie (Re=0) Si se desea agregar RESISTENCIA en serie (Xe=0)

LOS VALORES DE RE Y XE SE SELECCIONARON PARA REDUCIR LA CORRIENTE DE ARRANQUE A LA MITAD

Con impedancia en serie si la corriente de arranque se reduce a la mitad el par de arranque se reduce a una cuarta parte.

Caída de voltaje en alimentadores La caída de voltaje en alimentadores depende de la impedancia del alimentador y de la corriente que circula por el mismo. A bajos voltajes el efecto resistivo es importante. A altos voltajes predomina el efecto inductivo. DV= Z I = (r + j x) (Iw +Ivar) donde: Iw es la parte de la corriente que suministra potencia promedio Ivar es la parte de la corriente correspondiente a la potencia reactiva. Ing. Javier Rodríguez Bailey

Caso de alimentador resistivo Iw Ivar Vs VL r Iw DV En este caso la corriente Iw provoca una caída en fase con el voltaje de la fuente, y la corriente Ivar no altera significativamente la magnitud del voltaje en la carga, solo altera su ángulo de fase. r Ivar Ing. Javier Rodríguez Bailey

Caso de alimentador inductivo Iw Ivar VL Vs DV jx Iw DV jx Ivar En este caso lo corriente Ivar produce la caída que se resta en fase con el voltaje de la fuente y la corriente Iw no modifica en forma predominante la magnitud de voltaje de la carga, solo cambia el defasamiento. Ing. Javier Rodríguez Bailey

ARRANQUE CON AUTO-TRANSFORMADOR Se inicia el arranque cerrando los contactos S, y después de un atraso de tiempo se ABREN los contactos S y luego se CIERRAN los contactos R (Transición en circuito abierto)

La corriente en el motor se reduce en la misma proporción que se reduce el voltaje (a) La corriente en el alimentador se reduce en proporción al cuadrado de la reducción del voltaje (a2)

Con auto-transformador si la corriente en el alimentador se reduce a la mitad, el par de arranque también se reduce a la mitad.

ARRANQUE EN ESTRELLA OPERACIÓN EN DELTA ARRANQUE EN DELTA ARRANQUE EN ESTRELLA

SOFT START PARA MOTORES DE INDUCCION

ARRANQUE CON RESISTENCIA EXTERNA EN ROTOR EN MOTOR DE INDUCCION DE ROTOR DEVANADO SE INICIA EL ARRANQUE CERRANDO LOS CONTACTOS M, EL MOTOR INICIA SU ARRANQUE CON TODAS LAS RESISTENCIAS EN SERIE CON EL ROTOR, DESPUES DE UN TIEMPO SE CIERRAN LOS CONTACTOS 1A QUE PONEN EN CORTO PARTE DE LAS RESISTENCIAS Y POSTERIORMENTE SE CIERRA EL CONTACTO 2A QUE PONE EN CORTO TODAS LAS RESISTENCIAS DEL ROTOR

ARRANQUE CON RESISTENCIA EXTERNA EN ROTOR Los puntos de las características de corriente y par se mueven a la izquierda. Un punto que ocurría con un deslizamiento S1, al triplicar la resistencia ahora se obtiene con un deslizamiento de 3 S1

Los puntos de las características par se mueven a la izquierda Los puntos de las características par se mueven a la izquierda. Un punto que ocurría con un deslizamiento S1, al triplicar la resistencia ahora se obtiene con un deslizamiento de 3 S1

CONTROL DE VELOCIDAD Algunas de las técnicas vistas para arrancar un motor de inducción también pueden usarse para controlar la velocidad, 1.- Control de voltaje aplicado al estator. 2.- Control de voltaje en el rotor. 3.- Control de frecuencia. 4.- Control de voltaje y frecuencia aplicado al estator. 5.- Control de corriente aplicada al estator, 6.- Control de frecuencia, voltaje y corriente del estator

La ecuación de arriba muestra la dependencia de la velocidad del motor de tres variables s, f y P: deslizamiento, frecuencia y del numero de polos. El deslizamiento se puede modificar cambiando la curva velocidad par del motor para que la característica del motor corte la curva de la carga a un diferente deslizamiento. Ya se vieron dos formas de alterar la curva par velocidad: modificando el voltaje aplicado al motor y agregando resistencia al rotor en motores de inducción de rotor devanado.

Desafortunadamente el hacer operar el motor a un deslizamiento mayor trae como consecuencia una disminución en la eficiencia. De la potencia que cruza del estator al rotor Pg se pierde como perdidas de cobre el rotor sPg. Por lo que entre mayor valor de “s” se use mas pérdidas se tendrán en el rotor. Los otros mecanismos adicionales para variar la velocidad consiste en variar la frecuencia mediante el uso de una fuente de frecuencia variable y también se puede cambiar la velocidad en forma discreta cambiando el número de polos del embobinado. En este ultimo caso se pueden tener dos embobinados en el motor y cada uno puede operar con dos número de polos diferente (usando polos consecuentes).

Modificación de la velocidad cambiando el voltaje

Con este controlador se puede controlar el voltaje RMS que se aplica al motor y con ello la velocidad de operación. El inconveniente de este esquema es que además del incremento de pérdidas por operar a mas alto deslizamiento, se tienen también pérdidas por las corrientes armónicas producidas.

Modificando la velocidad con resistencias en el rotor

En este caso se dejaría la resistencia externa en serie con el rotor (sin ponerla en corto) y se lograría reducir la velocidad. El inconveniente de operar a mayor deslizamiento nuevamente son las pérdidas adicionales que haría mas ineficiente al motor.

SISTEMA KRAMER Procedimiento para variar la velocidad del motor de inducción de rotor devanado recuperando parte de la energía entregada al exterior del rotor.

Cambio de velocidad cambiando solo la frecuencia Si solo se varía la frecuencia sin variar el voltaje RMS, se incrementara el flujo de operación del motor y esto saturara el circuito magnético haciendo que se incremente la corriente de excitación y el calentamiento del motor

Cambio de velocidad cambiando voltaje y la frecuencia manteniendo el cociente constante (V/f) En este caso el par máximo tiende a ser más constante.

Forma de variar el voltaje de directa que se aplica a un inversor trifásico, para de esta manera variar además de la frecuencia el voltaje RMS aplicado al motor para mantener V/f = constante

Otra forma de variar el voltaje de directa que se aplica a un inversor trifásico, para de esta manera variar además de la frecuencia el voltaje RMS aplicado al motor para mantener V/f = constante

Cuando se controla la velocidad con un inversor de voltaje (VSI) que varíe la frecuencia pero manteniendo la relación de voltaje a frecuencia constante, esto se hace bajo los siguientes criterios: a.- En el rango de 10 a 60 Hz se mantiene esta relación constante. b.- En el rango de 0 a 10 Hz el voltaje se mantiene constante en el valor que le correspondería a 10Hz, para de esta manera compensar la mayor influencia de la resistencia del estator y evitar que el par máximo se reduzca. c.- De 60 Hz para arriba (hasta aproximadamente 120Hz) el voltaje se mantiene constante en el valor nominal. (No es prudente aplicar voltajes mayores)

En motores grandes es común usar inversores de corriente (CSI) en lugar de inversores de voltaje (VSI). Cuando se usan inversores de corriente el par máximo ocurre a deslizamientos mas pequeños. Para determinar el deslizamiento al cual ocurre el par máximo se debe proceder de la siguiente manera: A.- En el circuito equivalente del motor de inducción, la fuente, RS, XS Y XM se reemplazan por un circuito Thevenin equivalente formado por una fuente de voltaje VTH, una resistencia RTH y una reactancia XTH. B.- En el circuito resultante se determina el valor de S que haga máxima la potencia en Rr/s (o sea que haga máximo Pg) y a ese valor será máximo el par (T=Pg/ws)

Característica Par-velocidad con fuente de corriente

Con una fuente de corriente conectada al estator, con deslizamientos altos la mayor parte de la corriente se pasa al rotor y no por la inductancia de magnetización, por lo que el flujo de operación es bajo. Una vez que se incrementa la velocidad, mayor corriente pasa por la reactancia de magnetización y tanto el flujo como el voltaje empiezan a crecer y es muy factible que sobrepasen el valor nominal por lo que el circuito magnético se satura. Si se satura el circuito magnético no se obtiene el par máximo mostrado en la figura ya que esté se obtuvo usando el circuito equivalente que supone comportamiento lineal. Para evitar que se sature frecuentemente se opera en la parte de la curva donde el par sube, que es una zona de operación inestable y para mantenerlo en esa zona se usa un circuito de control.

Puntos de equilibrio estable Punto de equilibrio inestable

Las fuentes de corriente no son tan comunes, normalmente usamos fuentes de voltaje. La fuente disponible proporcionada por CFE es una fuente de voltaje ideal con una impedancia en serie (El circuito thevenin equivalente), sin embargo esta también se puede representar por una fuente de corriente en paralelo con una impedancia (El circuito Norton equivalente). Su comportamiento se aproxima más a la de una fuente ideal de voltaje que la de una de corriente. Una fuente de corriente se puede implementar con una fuente de voltaje con un elemento que trate de mantener la corriente constante. En fuentes de corriente directa esto es relativamente fácil de implementar. Se coloca una inductancia grande en serie con una fuente de voltaje y la inductancia tratara de mantener la corriente constante. A continuación se muestran algunos esquemas para implementar fuentes de corriente

CONTROL CON VOLTAJE, CORRIENTE Y FRECUENCIA EN GENERAL ES POSIBLE COMBINAR LAS ESTATEGIAS ANTERIORES PARA IMPLEMENTAR UN CONTROL DONDE SE VARIEN TANTO VOLTAJE, CORRIENTE Y FRECUENCIA. PARA VELOCIDADES BAJAS SE PODRIA EMPEZAR USANDO CONTROL DE VOLTAJE O CORRIENTE PERIMITIENDO TENER PAR CONSTANTE, LUEGO A VELOCIDADES MAYORES SE PUEDE USAR CONTROL DE CORRIENTE CAMBIANDO EL DESLIZAMIENTO Y EN LA REGION DE MAS ALTA VELICIDAD SE USARIA CONTROL DE FRECUENCIA CONTROLANDO LA CORRIENTE DEL ESTATOR.

CONTROLES RETROALIMENTADOS

CONTROL VECTORIAL DE MOTORES DE INDUCCIÓN

CON UN INVERSOR SE PUEDE CONTROLAR LA VELOCIDAD DE UN MOTOR DE INDUCCIÓN TAN FACILMENTE COMO SE PUEDE CONTROLAR LA VELOCIDAD DE UN MOTOR DE CORRIENTE DIRECTA. ESTO ES VALIDO DESDE EL PUNTO DE VISTA DE OPERACIÓN DE ESATDO ESTABLE, SIN EMBARGO DESDE UN PUNTO DE VISTA DINÁMICO EL CONTROL DEL MOTOR DE CORRIENTE DIRECTO ES SUPERIOR. LA RAZÓN DE ESTO ES BASICAMENTE QUE LA CORRIENTE DE ARMADURA DE UN MOTOR DE CORRIENTE DIRECTA SE PUEDE ALTERAR SIN MODIFICAR EL FLUJO PRODUCIDDO POR EL EMBOBINADO DE CAMPO. LO ANTERIOR PERMITE UN MEJOR CONTROL DEL PAR PRODUCIDO POR EL MOTOR DE CORRIENTE DIRECTA.

LO ANTERIOR SE DEBE A QUE LA CORRIENTE DE CAMPO ACTUA EN UN EJE (DE DIRECTA) QUE SE ENCUENTRA ORTOGONAL CON RESPECTO AL EJE (DE CUADRATURA) DE LA CORRIENTE DE ARMADURA.

PARA MEJORAR LA RESPUESTA DINÁMICA DE UN MOTOR DE INDUCCIÓN SE PUEDEN IMPLEMENTAR TECNICAS DE CONTROL VECTORIAL PARA PODER EFECTUAR CONTROLES SIMILARES A LO QUE SE HACE CON LOS MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA. EN ESTE CONTROL VECTORIAL LA IDEA BASICA ES LA DE PODER CONTROLAR EN FORMA INDEPENDIENTE LA PARTE DE LA CORRIENTE QUE PRODUCE EL PAR DE LA PARTE DE LA CORRIENTE QUE PRODUCE EL FLUJO.

PARA LOGAR LO ANTERIOR SERA NECESARIO TRANSFORMAR LOS EMBOBINADOS REALES DEL MOTOR DE INDUCCIÓN EN UNOS EQUIVALENTES (QUE PRODUZCAN EL MISMO EFECTO) PERO DONDE ESTOS EMBOBINADOS EQUIVALENTES SE ENCUENTREN ORTOGONALES.. Un ejemplo podría ser convertir un sistema trifásico en un bifásico

SINEMBARGO OTRO REQUISITO DEL EQUIVALENTE QUE DESEAMOS ES QUE UNA BOBINA DEL EQUIVALENTE PRODUZCA EL FLUJO Y LA OTRA SEA LA QUE PRODUCE EL PAR. EN VEZ DE TENER UN SISTEMA ESTATICO PODRIA SER UN EQUIVALENTE QUE ESTE GIRANDO Y PODEMOS HACER COINCIDIR UNA BOBINA CON LA DIRECCION DEL CAMPO GIRATORIO PRODUCIDA EN EL MOTOR DE INDUCCIÓN. EN ESTE CASO ESTAS BOBINAS TENDRIAN EN ESTADO ESTABLE CORRIENTE DIRECTA EN VEZ DE ALTERNA.

PARA TRANSFORMAR DEL CIRCUITO REAL AL EQUIVALENTE SE PUEDEN USAR LAS SIGUIENTES ECUACIONES, QUE SE APLICARAN A LAS VARIABLES CORRIENTE, VOLTAJE Y ENCADENAMIENTOS DE FLUJO TANTO DEL ROTOR COMO ESTATOR. Donde la primera ecuación quedaría:

Las ecuaciones para la fase “a” quedaría como se muestra a continuación y ecuaciones similares se usarían para la fase b y c y las tres bobinas del rotor Al reemplazar las ecuaciones de transformación se obtendrían las ecuaciones de los circuitos equivalentes Si se desea un circuito con sus bobinas girando a la velocidad del campo, para el estator se usaría q=wst y para el rotor q=(ws-wm)t

CIRCUITOS EQUIVALENTES RESULTANTES EJE CUADRATURA EJE DIRECTO

EN EL CIRCUITO EQUIVALENTE TRANSFORMADO Iq DEL ESTATOR SERÍA EL EQUIVALENTE A LA CORRIENTE DE ARMADURA DE LA MÁQUINA DE C. D. E Id (Imd) DEL ESTATOR SERIA LA EQUIVALENTE A LA CORRIENTE DE CAMPO. LOS CONTROLADORES ACTUARIAN SOBRE LAS CORRIENTES Iq E Id Y LUEGO SE CONVIERTEN DE NUEVA CUENTA EN LAS VARIABLES REALES (abc) PARA QUE EL INVERSOR LAS IMPLEMENTE LAS TRANSFORMACIONES DE LAS VARIABLES REALES A EQUIVALENTES TENDRIAN QUE SER PROCESADAS POR UN MICROCONTROLADOR Y LO MISMO LAS QUE CONVIETEN LAS EQUIVALENTES A LAS REALES

CIRCUITO DE CONTROL PARA IMPLEMENTAR EL CONTROL VECTORIAL O DE ORIENTACION DE CAMPO.