Control de Motores Dr. Jaime A. González C.. Accionamiento Industrial Eléctrico  Un Accionamiento Industrial Eléctrico es el conjunto de dispositivos.

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1 Control de Motores Dr. Jaime A. González C.

2 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.

3 Accionamiento Industrial Eléctrico

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

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

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

7 Máquina Accionada

8 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

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

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

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

12 Motor de Corriente Alterna Motor Sincrónico Motor Asincrónico

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

14 Motor Eléctrico

15 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

16 Sistema de Control

17 Sistema de Control (PLC)

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

19 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.

20 Fuentes de Alimentación Variable

21 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.

22 Sistemas de Adquisición de Datos

23 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.

24 Protecciones

25 Accionamiento Industrial Eléctrico

26 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

27 Cuadrantes

28 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)

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

30 Característica de Fricción Grúa Elevadora Bandas Transportadoras N T

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

32 Característica de Tracción Descenso de cargas. Tracción Eléctrica N T

33 Característica Lineal Molinos Centrífugos N T

34 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

35 SIMBOLOGÍA

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37 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

38 Estado Normal de un Dispositivo

39 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

40 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)

41 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)

42 Interruptores Manuales de Palanca

43 Conmutadores Manuales de Palanca

44 Interruptores de Volquete (toggle switch)

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

46 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

47 Interruptores Especiales

48 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

49 Interruptores Automáticos

50

51 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

52 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

53 Interruptor Final de Carrera Fuente Telemecanique

54 Dispositivos de Ataque Fuente Telemecanique

55 Interruptor Final de Carrera

56 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

57 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

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

59 Detectores Inductivos Cortesía Telemecanique

60 Detectores Inductivos Cortesía Telemecanique

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

62 Detector de 2 Hilos Cortesía Telemecanique

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

64 Detector de 3 Hilos Cortesía Telemecanique

65 Detectores Inductivos Cortesía Telemecanique

66 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

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

68 Detectores Fotoeléctricos Cortesía Telemecanique

69 Detectores Fotoeléctricos Cortesía Telemecanique

70 Sistema Barrera Cortesía Telemecanique

71 Sistema Reflex Cortesía Telemecanique

72 Sistema Reflex Polarizado Cortesía Telemecanique

73 Sistema con Borrado de Plano Posterior Cortesía Telemecanique

74 Sistema con Borrado de Plano Posterior Cortesía Telemecanique

75 Detectores

76 Dispositivos de Protección

77

78 Relé de Sobrecarga Cortesía Telemecanique

79 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

80 Contactor y Relé

81 Principio de Funcionamiento

82 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

83 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!!!

84 Temporizador ON - DELAY

85 Temporizador OFF - DELAY

86 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

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

88 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

89 Transformador Compensador  Autotransformador con Conexión en Delta Abierto

90 Transformador Compensador  Autotransformador Trifásico

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

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

93 Transformador de Medida y de Protección

94 Elementos  Resistencias:

95 Elementos  Capacitores

96 Elementos Inductores:

97 Elementos  Sonido

98 Elementos  Lámparas:

99 Elementos  Conductores

100 Elementos  Agrupación de Conductores

101 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

102 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

103 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”

104 Diagrama Elemental

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

106 Diagrama de Conexiones

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108 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

109 AUTÓMATAS PROGRAMABLES

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

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

112 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

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

114 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.

115 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

116 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).

117 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

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

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

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

121 Tipo Consola de Programación Presenta una pantalla para 20 - 30 líneas y 60 -80 caracteres.

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

123 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

124 Tipos de Entradas Analógicas Digitales

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

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

127 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

128 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.

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

130 Nemónico

131 Diagrama de Contactos

132

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

134 M M M L1 L2 L3 Circuito de Potencia

135 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

136 Arranque del Motor de Inducción

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

138 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.)

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

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

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

142 Características del Torque y de la Corriente Plena tensión Tensión Reducida

143 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

144 Arranque a Tensión Reducida con Resistencias para Motores Jaula de Ardilla

145

146 Circuito de Potencia

147 Circuito de Control

148 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

149 Arranque a Tensión Reducida con Reactancias para Motores Jaula de Ardilla

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154 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

155 Arranque a Tensión Reducida con Autotransformador para Motores Jaula de Ardilla

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

158 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

159 Arrancador a tensión Reducida con Autotransformador con Transición a Circuito Abierto

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161 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.

162 Enclavamiento Mecánico

163 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.

164 Enclavamiento Eléctrico

165 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

166 Arrancador a Tensión Reducida con Autotransformador con Transición a Circuito Cerrado

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168 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

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

170 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:

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

172 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

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

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

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

176

177 Arrancador Suave

178

179 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

180 Inconvenientes del Arrancador Suave Torques Parásitos Pérdidas Adicionales Calentamiento Vibraciones Ruido

181 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

182 Arranque Suave con Aceleración Constante

183 Arranque Suave con intensidad Constante

184 Arranque Suave con Rampa de Tensión

185 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

186 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

187 Arranque con Resistencias en el Circuito Rotórico

188

189 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

190 Arranque del motor de Inducción de Rotor Devanado de Tiempo Fijo

191

192 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

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

194

195 Arranque con Fuentes Electrónicas

196 Funciones Especiales de los Motores de Inducción

197  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

198 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

199 Avance Gradual  Manual:  Automática:

200 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.

201 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.

202 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

203 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

204 Inversión de Sentido de Giro de un Motor de Inducción

205  Circuito de Potencia:

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

207 Inversión de Sentido de Giro de un Motor de Inducción

208  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.

209 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

210 Frenado a Contracorriente

211 Frenado a Contracorriente (Sin Inversión)

212 Frenado a Contracorriente (Con Inversión)

213 Frenado a Contracorriente

214

215  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.

216 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.

217 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.

218 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.

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

220 Frenado Dinámico (DB)

221

222  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.

223 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.

224 Control de los Motores de Corriente Continua

225  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

226 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.

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

228 Tipos de Motores de Corriente Continua

229 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 ????

230 Estructura de un Sistema de Control ( Lazo Abierto)

231 Estructura de un Sistema de Control ( Lazo Cerrado)

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

233 Sistemas Contínuos descritos por Funciones de Transferencia

234 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.

235 Control de Velocidad en Lazo Cerrado

236 Control de Velocidad en Lazo Abierto

237 Rapidez de Respuesta en los Sistemas (Primer orden)

238 Rapidez de Respuesta en los Sistemas (Segundo orden)

239

240 Rapidez de Respuesta en los Sistemas

241 Respuesta de un Sistema de Segundo Orden

242 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

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

244 Compensación en Lazo Cerrado

245 Tipos de Controladores más Utilizados

246 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)

247 Reacción a la Perturbación de Carga y de Ruído de Observación

248 Reacción a la Perturbación de Carga y de Ruido de Observación

249

250 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

251 Realimentación con Ganancia Unitaria

252 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

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

254 Regulación de una Corriente de Excitación

255 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

256 Control de la Corriente en un Circuito con Fuerza Electromotriz Perturbadora

257 Solución alternativa realizando precompensación del efecto de la femm

258 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

259 Control de Velocidad

260  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

261 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

262 Control de Posición

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

264 Control de Posición

265 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)

266 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

267 Control de Máquinas de Corriente Contínua

268 Sistema Ward Leonard

269 Control de Velocidad en Lazo Abierto Esquema básico:

270 Control de Velocidad en Lazo Abierto

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

272 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

273 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

274 Regulación de Velocidad en Lazo Abierto 

275 Revisar

276 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

277 Control de Velocidad en Lazo Cerrado

278  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)

279 Control de Velocidad en Lazo Cerrado

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

281 Control Directo de Velocidad

282  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=

283 Control Directo de Velocidad

284  Para el caso d:

285 Control Directo de Velocidad

286 Control de Velocidad con Control Subordinado de Corriente  Ia es proporcional al Te  La Ia de un motor de cc es elevada 20- 30 In  Se hace necesario Limitar la Corriente  Esto afectará el Te

287 Control de Velocidad con Control Subordinado de Corriente

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295 Control de Velocidad de los Motores de Inducción

296 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

297 Velocidad del Campo Magnético Giratorio (CMG)

298 Velocidad del Motor

299

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

301 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

302 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

303 Variación de la Tensión de Alimentación

304 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

305 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

306 Variación de la Resistencia Rotórica

307 Hoy en día

308 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

309 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).

310 Variación de la Frecuencia de la Red de Alimentación

311  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

312 Control de Velocidad

313 Convertidores de Frecuencia variable Ciclo convertidores Inversores

314 Partes de un Inversor  Etapa Rectificadora

315 Partes de un Inversor Etapa de Filtraje

316 Partes de un Inversor  Etapa Inversora

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

318 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)

319 PWM  Amplitud de Modulación  Frecuencia de Modulación

320 Inversor Trifásico PWM-VSI

321

322 Variación de la Velocidad

323

324 Velocidad por encima de la Velocidad Base

325  Control de Debilitamiento de Campo

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

327 Relación Tensión / Frecuencia

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

329 Característica del Torque vs Velocidad

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331

332 Motor Trifásico de Inducción

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

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

335 Campo Magnético Giratório

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

337 Torque Electromagnético

338

339 Velocidad del Campo Magnético Giratorio (CMG)

340 Velocidad del Motor

341

342 Modelo Matemático del Motor de Inducción

343 Ecuaciones del Motor Bifásico

344 Ecuaciones del Motor de Inducción Bifásico

345 Transformada de Park

346 Ecuaciones de Transformación

347 Nuevas Ecuaciones

348 Enlaces de Flujo

349 Motor Trifásico de Inducción

350

351 Distribución de Los Flujos

352 Ecuaciones de Transformación

353 Ecuaciones

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355 Ecuaciones referidas al Estator

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357 Expresión del Torque

358 Ecuación Dinámica del Motor

359 Corrientes del Estator i ds vs Tiempo i qs vs Tiempo

360 Velocidad del Motor Velocidad vs Tiempo

361 Torque del Motor Torque vs Tiempo

362 Circuito Equivalente del Motor de Inducción

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

369  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

370 Control Vectorial

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

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

377 Control Vectorial

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382  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

383 Control Indirecto del Flujo

384

385 Control de Torque Directo

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

387 Control de Torque Directo

388 Enlaces de Flujo

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

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392 Expresión del Torque

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394 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.

395 Principio del DTC

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

397 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.

398 Principio del DTC