Y ARRANCADOR ELECTRÓNICO CAP 2 MOTOR INDUCCIÓN Y ARRANCADOR ELECTRÓNICO 10 Enero 2013

MOTORES DE JAULA DE ARDILLA El motor de inducción, asíncrono o de jaula de ardilla, está formado por dos partes: El estator. El rotor (fijado a un eje). » Sección motor » Sección motor

MOTORES DE INDUCCIÓN El rotor se construye con barras cortocircuitadas por medio de anillos en los extremos, formando la denominada jaula de ardilla. » Construcción motor

MOTORES DE INDUCCIÓN Conectándolo a una fuente de alimentación trifásica, en el estator se genera un campo magnético giratorio (flujo). Esto es debido a: La disposición física de los devanados del estator: 3 bobinas separadas 120º físicos. La corriente en estos devanados está desfasada 120º eléctricos. » Líneas de flujo

MOTORES DE INDUCCIÓN Las líneas de flujo (flechas) inducen unas corrientes en las barras del rotor. Cuando sobre un conductor por el que circula una corriente, actúa un campo magnético, la resultante es una fuerza que origina el par y por tanto la rotación del rotor. CAMPO GIRATORIO ns: Velocidad Sincronismo α : Aceleración angular (rad/s2) f: frecuencia alimentación (Hz) ω: Velocidad angular (rad/s) p: Pares de polos del motor Pe: Potencia Eléctrica (W) Pm: Potencia en el eje del motor (W) U: Tensión motor (V) Г: Par (N·m) I: Corriente absorbida (A) J: Momento de inercia (kg·m2 ) » Campo giratorio

CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN MOTOR: TRANSFORMADOR El circuito equivalente de un motor se puede entender como un transformador. IM: Corriente de Magnetización. Corriente “imaginaria” que circula por el estator. Responsable del flujo del motor. IR: Corriente de Rotor. Corriente “real” que circula por el rotor, generadora de par. Aumenta con la carga del motor.

CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN MOTOR: TRANSFORMADOR Controlando la tensión aplicada en el estator (E1) se puede controlar la corriente de magnetización (IM) y por tanto el flujo. Con el aumento de la velocidad del motor, el deslizamiento (S) disminuye e Ir disminuye.

CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN MOTOR: MONOFÁSICO El circuito equivalente de un motor en cada fase también se puede simplificar de la siguiente forma: Inductancia Magnética Resistencia de Carga. Si S  entonces R  El deslizamiento en un motor es función de la velocidad:

CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN MOTOR: MONOFÁSICO En el momento del arranque el motor se comporta como un transformador con el secundario en cortocircuito. Ir aumenta porque equivale a una corriente de cortocircuito. Con el aumento de la velocidad del rotor cosφR mejora y por tanto Ir decrece

CORRIENTE - ARRANQUE DIRECTO

CORRIENTE - ARRANQUE DIRECTO En ningún caso se alcanza el deslizamiento nulo (s=0). Si eso sucediese el motor perdería la capacidad de generar par. La corriente nominal se alcanza aproximadamente al 95%-98% de la velocidad de sincronismo.

REDUCCIÓN DE TENSIÓN Se puede demostrar que: Si la tensión de entrada (E1) varía, entonces el par (T) varía con el cuadrado de la misma. En el arranque, el par es proporcional al cuadrado de la tensión de entrada.

RELACCIÓN PAR - VELOCIDAD

RELACCIÓN PAR - VELOCIDAD

TIPO DE ARRANQUES TRADICIONALES Existen distintos tipos de arranque para un motor: Arranque directo. (DOL) Arranque estrella triángulo. (Y/∆) Arranque con resistencias estatóricas. Arranque con resistencias rotóricas ( motor rotor bobinado) Básicamente todos ellos presentan ciertos problemas. Exceso de par Altas corrientes de arranque Cableado complejo

PROBLEMAS EN EL ARRANQUE DE UN MOTOR EXCESO DE PAR APLICADO: Aunque el par resistente inicial sea bajo, durante el arranque directo se producen una serie de oscilaciones bruscas del par a medida que la velocidad aumenta. Es básicamente un arranque incontrolado. Desventajas: Shocks mecánicos. Deslizamiento en las correas. Stress en las trasmisiones. Sobrepresiones.

PROBLEMAS EN EL ARRANQUE DE UN MOTOR ALTA SOBRECORRIENTE: La corriente típica, en el momento del arranque, es entre 7 y 10 veces la corriente nominal. Esto es debido a que en el arranque el deslizamiento es máximo y el motor se comporta como un transformador con el secundario en cortocircuito. Desventajas: Caídas bruscas de tensión en líneas de poca capacidad. Sobredimensionado de contactores. Cálculo de fusibles adecuados.

CONEXIÓN ARRANQUE DIRECTO FINALIDAD: El motor funciona desde el momento de conexión a sus valores nominales

ARRANQUE DIRECTO RESULTADO: Elevada corriente de arranque. Arranque incontrolado.

CONEXIÓN ARRANQUE ESTRELLA – TRIÁNGULO FINALIDAD: Reducir la intensidad de fase de arranque, aunque sea a costa de reducir el par.

CONEXIÓN ARRANQUE ESTRELLA – TRIÁNGULO MOTOR: Es necesario que el motor tenga los bobinados del estator accesibles y configurados para un cableado doble.

CONEXIÓN ARRANQUE ESTRELLA – TRIÁNGULO RESULTADO: Sobrecorrientes en la reconexión. Pérdida de alimentación. Arranque incontrolado.

OBJETIVOS ARRANQUE MECÁNICO PERFECTO: Vencer el par inicial paulatinamente. CONTROLAR EL PAR DEL MOTOR: Para controlar la aceleración del motor. CONTROL DEL PARO: Decelerar de forma controlada. MANTENIMIENTO: Ahorro en operaciones de mantenimiento de las instalaciones. LIMITAR LA CORRIENTE DE ARRANQUE: Para no afectar a la red de suministro. SANCIONES: Evitar penalizaciones por puntas de corriente que excedan la potencia contratada. Se puede conseguir ahorro en las facturas.

ARRANCADORES ESTÁTICOS DE POWER ELECTRÓNICS

PRINCIPIOS DE LOS ARRANCADORES ESTÁTICOS El principio de los arrancadores estáticos es el denominado: CONTROL DE FASE. Controlando el instante de disparo de los tiristores se controla el valor de la tensión eficaz aplicada a la carga. Con la conexión en antiparalelo de dos tiristores se puede controlar tensiones alternas y controlar semiciclos positivos y negativos.

PRINCIPIOS DE LOS ARRANCADORES ESTÁTICOS Conexión de tiristores en antiparalelo. Tensión eficaz aplicada a la carga.

MÉTODO DE ARRANQUE: RAMPA DE TENSIÓN La rampa de tensión es un método de arranque en el que se aumenta progresivamente la tensión aplicada al motor: No existe desconexión de alimentación. El nivel de tensión inicial es ajustable. Se puede ajustar el tiempo. También se puede controlar la parada del motor.

MÉTODO DE ARRANQUE: CORRIENTE CONSTANTE La corriente se fija a un valor determinado en función de la aplicación, por ejemplo (Ia=3xIn). Al principio la corriente se incrementa hasta alcanzar dicho valor. En este punto, el algoritmo de control no deja que la corriente disminuya. Para ello va incrementando la tensión de modo que se pasa de una curva a otra manteniendo la corriente constante durante el arranque.

MÉTODO DE ARRANQUE: CORRIENTE CONSTANTE La corriente se fija a un valor determinado en función de la aplicación, por ejemplo (Ia=3xIn). Al principio la corriente se incrementa hasta alcanzar dicho valor. En este punto, el algoritmo de control no deja que la corriente disminuya. Para ello va incrementando la tensión de modo que se pasa de una curva a otra manteniendo la corriente constante durante el arranque.

COMPARACIÓN DISTINTAS FORMAS DE ARRANQUE: DATOS

COMPARACIÓN DISTINTAS FORMAS DE ARRANQUE: VENTAJAS

COMPARACIÓN DISTINTAS FORMAS DE ARRANQUE: DESVENTAJAS

COMPARACIÓN DISTINTAS FORMAS DE ARRANQUE: APLICACIONES Y COSTES

COMPARACIÓN PROTECCIONES ARRANCADOR ESTRELLA – TRIÁNGULO FALTA DE FASE: Se controla si una o varias fases de entrada no suministran tensión al arrancador para parar. FALTA DE FASE: No se puede controlar. Problemas de estabilidad y para generar par. El motor se quema si la protección no está bien diseñada. SECUENCIA DE FASES: Se detecta si la secuencia correcta (R-S-T) para que el motor gire según las agujas del reloj, está o no cambiada. SECUENCIA DE FASES: Si está cambiada, el motor gira en sentido contrario. Peligro para la aplicación. Sucede después de operaciones de mantenimiento por error en contactor. DESEQUILIBRIO ENTRE FASES: Se controla si hay un desequilibrio en el consumo de corriente entre fases mayor al 40% DESEQUILIBRIO ENTRE FASES: No se puede controlar. Si se trabaja con corrientes asimétricas, se producen vibraciones y con el tiempo problemas mecánicos.

COMPARACIÓN PROTECCIONES ARRANCADOR ESTRELLA – TRIÁNGULO SOBRECARGA MOTOR: Se ha detectado un consumo de corriente excesivo. Durante el arranque puede ser debido a un problema mecánico. En régimen nominal, puede ser por problemas de ajustes o por variaciones en la carga. Existe un aviso para esta señal que permite ser muy preciso en el ajuste. SOBRECARGA MOTOR: No se detecta un consumo de corriente excesivo. El ajuste es muy impreciso. A medio largo plazo se acaba dañando. SUBCARGA MOTOR: Se ha detectado un consumo de corriente inferior al ajustado. Está pensado para proteger la aplicación. (Por ejemplo, bombas sumergidas). SUBCARGA MOTOR: No se puede detectar.

COMPARACIÓN PROTECCIONES ARRANCADOR ESTRELLA – TRIÁNGULO SOBREINTENSIDAD: La corriente que ha circulado por el arrancador el 6 veces la intensidad nominal del equipo. El rotor puede estar bloqueado. Existe información del momento del fallo: arranque, régimen nominal o deceleración. Rápida actuación. SOBREINTENSIDAD: Existe protección contra sobrecorriente, pero no existe información del momento en el que se produce. Reintentos de arranque y problemas para el motor. SOBRETEMPERATURA PTC MOTOR: Disparo por PTC del motor. Sobretemperatura del motor. SOBRETEMPERATURA PTC MOTOR: Disparo por PTC del motor. Para detectar esto se necesita un hardware adicional, lo que incrementa el costo.

COMPARACIÓN PROTECCIONES ARRANCADOR ESTRELLA – TRIÁNGULO CORRIENTE DE SHEARPIN: La corriente del motor ha alcanzado el valor mayor ajustado en régimen nominal. El rotor puede estar bloqueado mecánicamente o puede haber un fallo mecánico. Protege la mecánica delicada. CORRIENTE DE SHEARPIN: No existe. ALTA TENSIÓN DE ENTRADA: Voltaje de red elevado. Verificar las tensiones de línea y los parámetros. ALTA TENSIÓN DE ENTRADA: Si la tensión de red es elevada, puede trabajar, pero si la situación permanece, habrá una pérdida de aislamiento. BAJA TENSIÓN DE ENTRADA: Voltaje de red bajo. Verificar las tensiones de línea y los parámetros. Ofrece un servicio al entrono de protección adicional: protección de armarios de mando. BAJA TENSIÓN DE ENTRADA: Voltaje de red bajo. La corriente se incrementa. Si las protecciones no están bien diseñadas el motor se puede quemar.

VENTAJAS ADICIONALES CONTROL DINÁMICO DE PAR: La serie V5 incorpora un “Control Dinámico de Par”, exclusivo de Power Electronics, que asegura un arranque suave y progresivo en aquellas aplicaciones que presentan un momento de inercia elevado. Con este algoritmo de control conseguiremos una aceleración progresiva y una optimización de la punta de corriente durante el arranque.

VENTAJAS ADICIONALES CONTROL DINÁMICO DE PAR: El par no está obligado a ajustarse a una forma predeterminada: lineal o cuadrática. El par va incrementándose en tanto se detecta que el motor no acelera. Tan pronto el motor acelera el para se mantiene. Si se quiere llegar antes al final, la rampa será más rápida. En ningún caso se está entregando más par del que se necesita, con lo que no se está perdiendo energía.

VENTAJAS ADICIONALES TARJETA DE CONTROL ÚNICA PARA TODAS LAS POTENCIAS: Se reduce el stock de repuestos. La resolución de averías es muy simple por la unificación de la electrónica. Existen LEDS y DISPLAY de información para el usuario que indica el tipo de avería. » Tarjeta de control única

ANEXO I CASO DE ESTUDIO REAL

ANÁLISIS COMPARATIVO PRÁCTICO Simulación de las cargas de un ascensor. Comparación de comportamiento en el arranque. Problemas para el motor. Conclusiones.

ANÁLISIS CON PAR RESISTENTE DEL 15% DATOS: Par resistente = 15% del Par nominal. ESTRELLA-TRIÁNGULO: Tiempo de conmutación: 3seg. Velocidad: Aumenta progresivamente hasta el 60% y en la conmutación cambia bruscamente. Corriente: aumento brusco de 1.3 a 4 veces la In. ARRANCADOR: Tiempo limitación corriente : 1seg. Velocidad: Aumenta progresivamente hasta el 100% sin cambiar bruscamente. Corriente: Controlada por la limitación de 3 veces la In. Aproximadamente en 2 seg. llega el final del arranque. » Medida de señales

ANÁLISIS CON PAR RESISTENTE DEL 25% DATOS: Par resistente = 25% del Par nominal. ESTRELLA-TRIÁNGULO: Tiempo de conmutación: 3seg. Velocidad: Aumenta progresivamente hasta el 20% y en la conmutación cambia bruscamente. Corriente: aumento brusco de 1.6 a 5 veces la In. ARRANCADOR: Tiempo limitación corriente : 1seg. Velocidad: Aumenta progresivamente hasta el 100% sin cambiar bruscamente. Corriente: Controlada por la limitación de 3 veces la In. Aproximadamente en 2,5 seg. llega el final del arranque. » Medida de señales

ANÁLISIS CON PAR RESISTENTE DEL 35% DATOS: Par resistente = 35% del Par nominal. ESTRELLA-TRIÁNGULO: Tiempo de conmutación: 3seg. Velocidad: Se mantiene casi constante en un 16% y en la conmutación cambia bruscamente. Corriente: aumento brusco de 1.5 a casi 5 veces la In. ARRANCADOR: Tiempo limitación corriente : 1seg. Velocidad: Aumenta progresivamente hasta el 100% sin cambiar bruscamente. Corriente: Controlada por la limitación de 3 veces la In. Aproximadamente en 3 seg. llega el final del arranque. » Medida de señales

RESUMEN DEL ANÁLISIS COMPARATIVO » Medida de señales

TENSIÓN EN UNA BOBINA DEL MOTOR OBJETIVOS: Ver tensiones en el momento del cambio de estrella a triángulo. RESULTADO: Momento de conmutación: Transitorio de 1700V pico a pico. 40ms después: Transitorio de 1400V pico a pico. CONCLUSIÓN: Primer transitorio debido a rebotes mecánicos del contactor. Segundo transitorio debido a que la tensión del motor está en contra fase con la de la red. » Medida de señales

ANÁLISIS COMPARATIVO TOTAL Con el incremento del par desde el 15% hasta el 35% del par nominal: La velocidad pasa del 60%, luego el 20% y el 16% con el par mayor: A MEDIDA QUE AUMENTA EL PAR LA ESTRELLA TIENE PROBLEMAS PARA LANZAR EL MOTOR. TIEMPO DE CONMUTACIÓN FIJO. La corriente sufre unos bruscos saltos que van desde 1,3-1,6 hasta 4-5 veces la nominal: CAMBIO BRUSCO EN LA VELOCIDAD, CAMBIO BRUSCO DE PAR Y CASTIGO DE LAS PARTES MECÁNICAS.

CONCLUSIONES FINALES La corriente de pico en el arranque a igualdad de condiciones es SIEMPRE MEJOR con ARRANCADOR. La corriente de pico en el arranque a igualdad de condiciones es SIEMPRE PEOR con ESTRELLA - TRIÁNGULO. Con un par resistente superior al 35% de par nominal, el ARRANCADOR no tiene ningún problema para lanzar el motor. Con un par resistente superior al 35% de par nominal, la ESTRELLA-TRIÁNGULO se comporta COMO un ARRANQUE DIRECTO, porque durante la estrella el motor no es capaz de acelerar. ACELERACIÓN PROGRESIVA con el uso de ARRANCADOR: NO STRESS en las transmisiones. ACELERACIÓN BRUSCA del motor con la conmutación de ESTRELLA-TRIÁNGULO: PROBLEMAS de fatiga mecánica.

CONCLUSIONES FINALES Si hay un ELEVADO número de ARRANQUES, los TIRISTORES no tienen limitada la vida por exceso de maniobras debido a la AUSENCIA DE PARTES MÓVILES. Si hay un ELEVADO número de ARRANQUES, con la configuración ESTRELLA-TRIÁNGULO tendremos PROBLEMAS. NO HAY MANTENIMIENTO PREVENTIVO, porque no hay partes móviles. SI ES NECESARIO MANTENIMIENTO PREVENTIVO (COSTO), por la vida media de los elementos mecánicos de las maniobras. FLEXIBILIDAD PARA AJUSTES DE CORRIENTE MÁXIMA: evitamos caídas de tensión que afecten al edificio donde están instalados. NO SE PUEDE AJUSTAR LA CORRIENTE MÁXIMA: tiempo de conmutación fijo, sin saber a qué velocidad está el motor. CONFORT DE PASAJEROS: puesto que no hay cambios bruscos, sino paulatinos. REDUCIDO CONFORT: existen cambios bruscos en la conmutación.

LA SERIE V5 Visualizaciones mediante display en castellano Display inteligente Protección de subcarga Amplio rango de tensiones Elementos de potencia modulares Tarjeta de control única Normativas internacionales y marcaje CE PROTECCIONES: Sobrecarga 0.8 a 1.2 In Tiempo actuación sobrecarga Subcarga 0.2 a 0.6 In Tiempo actuación subcarga Modo de corriente shearpin Corriente shearpin Termistor PTC Fallo de fase Desequilibrio de fases >40% Rotor bloqueado

POWER ELECTRONICS agradece su atención Más información en: www.power-electronics.com