Motores asíncronos ¿Qué es un motor de inducción? ¿Qué hace que gire?

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1 Motores asíncronos ¿Qué es un motor de inducción? ¿Qué hace que gire?
¿Cómo se ajusta la velocidad? ¿Qué es el deslizamiento? ¿Qué es el flujo? En este capítulo se va describir cómo funciona un motor de inducción, y cómo funciona el convertidor de frecuencia. Un motor de inducción se comporta como un transformador Devanado primario = Estator Devanado secundario = Rotor La corriente del devanado primario (estátor) crea un campo magnético giratorio, el cual induce una corriente en el devanado secundario (rotor). La corriente del rotor junto con el campo magnético inducido provocan una fuerza, que es la causante de la rotación del motor. Debido a que la transformación de potencia entre rotor y estátor depende de la variación del flujo, si la velocidad del rotor aumenta, menos cantidad de potencia se puede convertir y además se van solapando la velocidad del rotor con la del campo magnético giratorio, o sea, a 50 o 60 Hz. Esto significa que a la velocidad de sincronismo no hay ninguna conversión de potencia y el motor se para. La diferencia entre la velocidad de sincronismo y la velocidad real es lo que se conoce como deslizamiento (SLIP).Sin este deslizamiento no habría máquinas de inducción. La velocidad del motor viene determinada por la frecuencia y el deslizamiento.

2 Motores asíncronos: Tipos
Motor de inducción polifásico Nicola Tesla, 1891 realiza la primera máquina elemental Dobrowlskey, 1893, describe el motor de jaula de ardilla 80% de los motores utilizados en el mercado mundial son motores de jaula de ardilla 2 1 3 Los motores de inducción son motores trifásicos estándar conocidos como motores asíncronos de rotor bobinado o motores de jaula de ardilla. No requieren prácticamente casi ningún mantenimiento por que las únicas partes que se desgastan son los rodamientos. Hay diferentes tipos Motores de anillos rozantes: Poseen devanados en el rotor, y por medio de los anillos rozantes es posible intercalar resistencias de tal manera que que la velocidad pueda ser modificada aumentando la pérdida de energía en el circuito del rotor. El deslizamiento es por tanto más importante, pero cualquier forma de regulación de velocidad por deslizamiento es sinónima de pérdida de energía, y por tanto de bajo rendimiento. Las resistencias del rotor pueden ser sustituidas por cortocircuitos para transformar el motor en uno de inducción estándar. Ya casi no se usan en la industria. Motores freno: Motores de inducido o motores de freno de disco. Normalmente el rotor suele ser cónico y puede desplazarse en sentido longitudinal. Al pararse el motor el rotor es frenado por un muelle que presiona el rotor contra el freno. Durante el funcionamiento el campo magnético hace que el rotor se aleje del freno. Este tipo de motores se pueden emplear perfectamente don convertidores de frecuencia. Motores antideflagrantes: Se utilizan en las zonas donde existen riesgos de explosión producidas por chispas o recalentamiento. El regulador de velocidad puede situarse fuera de la zona donde existen riesgos de explosión.

3 Motores asíncronos: Estructura
Caja de bornas Cojinetes Ventilador Eje Motores vibratorios: Se usan para manipular materiales en cribas vibratorias. La velocidad de transporte puede ser controlada regulando la velocidad del motor con un convertidor de frecuencia. Motores Franklin: Son motores largos con diámetro reducido que se utilizan en bombas cuando se necesitan diámetros particularmente reducidos. Este tipo de motor es adecuado para ser utilizado con regulador de velocidad. Todos estos motores se pueden regular con convertidores de frecuencia MICROMASTER y MIDIMASTER, aunque nos centraremos en el motor de jaula de ardilla por ser el de mayor utilización. La figura muestra la estructura básica de un motor de inducción: Estructura industrial estándar. Construcción simple: El rotor se construye con forma de “jaula de ardilla”. Sin escobillas: Sólo hay conexiones en el estator. La disposición del bobinado del estator, lo que se conoce como número de polos, determina la velocidad de rotación: 1 pareja de polos (2 polos) significa una velocidad de 3000 rpm (menos el deslizamiento), 2 parejas de polos significa una velocidad de 1500, 3 parejas de polos significan una velocidad de 1000 rpm, etc. Rotor Devanados

4 Conceptos básicos I 1 2 3 Velocidad Par de salida Potencia de salida
Rendimiento Factor de potencia 2 1 3 Vamos a ver la relación que existe entre la velocidad, el par y la potencia de salida de un motor. Normalmente la velocidad v se mide en revoluciones por minuto (rev/min). El par M del eje del motores , en términos elementales, la fuerza de torsión o la fuerza proporcionada por el motor. Un par M a una distancia l a partir del centro del eje proporciona una fuerza F=M/l. Una fuerza deseada F a una distancia l a partir del centro requiere un par M= F*l. El par se mide en Newton*metro (Nm) y la potencia en vatios (W) o kilovatios (kW)en el sistema internacional (SI). La relación entre la velocidad en rev/min, el par en Nm y la potencia de salida W se expresa por la fórmula: Al motor se le suministra una potencia eléctrica superior a la potencia disponible en el eje en razón de las pérdidas del motor. La relación entre la potencia suministrada y la potencia obtenida es una expresión del rendimiento del motor. P = M*n/9,55  = P eje/P eléctrica

5 Conceptos básicos II 1 2 3 Velocidad Par de salida Potencia de salida
Rendimiento Factor de potencia 2 1 3 La potencia eléctrica de salida puede ser calculada utilizando la siguientes fórmulas: U es la tensión en voltios (V), I es la intensidad en amperios (A) U es la tensión de línea en voltios (V), I es la intensidad de línea en amperios (A), y cos es el factor de potencia, o sea, el factor que indica la proporción entre la potencia activa y la potencia reactiva del motor, o lo que es lo mismo, el ángulo entre la tensión y la intensidad de fase. Ejemplo: La potencia obtenida a partir de una red de alimentación trifásica a 380 V, cuando la corriente de fase es de 8 A y cos = 0,90 (datos que corresponden a un motor de 4 kW) es de: Por tanto el rendimiento (que debe ser el dado en el catálogo) de este motor es de: Corriente continua P = U*I Corriente alterna P = 3*U*I*cos P = 3*U*I*cos = 1,73*380*8*0.9 = 4735 W  = P eje/P eléctrica = 4000/4735 = 0,84

6 Característica par-velocidad
1.0 2.0 2.5 0.2 0.4 0.6 0.8 Flujo constante 1.2 1.4 1.6 1.8 Debilitamiento de campo Par máximo Par nominal La figura muestra la curva de funcionamiento básica de un motor de inducción con convertidor. La velocidad del motor al final va a ser la intersección de la curva de funcionamiento del motor y la curva de par resistente de la carga, con lo que la velocidad del motor depende de la carga ( aproximadamente entre el 1 y 5% por debajo de la velocidad de sincronismo. La gama de funcionamiento normal del motor está comprendido entre 0 y el par nominal. Existen otros dos puntos importantes relacionados con la curva de funcionamiento del motor: El par de arranque y el par máximo o de bloqueo. En los catálogos siempre se indica la relación de estos dos pares en relación con el par nominal. La zona de pendiente vertical posee una inclinación, que hace que se produzca una relativamente buena regulación de velocidad en bucle cerrado. Con un deslizamiento pequeño la zona de regulación puede ser del 10%, para motores pequeños sólo del 1%. Por encima de la frecuencia nominal (50Hz ó 60Hz) se produce una reducción del flujo en el motor (el flujo es proporcional a la tensión x frecuencia), por lo que el par proporcionado por el motor se reduce, aunque la potencia permanece constante.

7 Par motor y par de carga Par Par motor Bombas y ventiladores
Par constante Sin carga, la corriente inducida en el rotor provoca que el motor gire a la velocidad de sincronismo, al mismo tiempo que el rotor se empieza a solapar con el campo magnético, por tanto no se transfiere energía y el motor se para. Esto es teórico. Nunca puede pasar esto debido al rozamiento. Con carga, el motor reduce la velocidad un poco con lo que el par se empieza a crear. Esta reducción de velocidad es el deslizamiento: Cuanto mayor es el deslizamiento, más elevada es la la frecuencia de deslizamiento y mayor es el par hasta el par de arranque. Los motores grandes poseen un deslizamiento pequeño del 1-2% con lo que se mantiene bastante bien la velocidad. Los motores pequeños poseen un deslizamiento típico aproximado del 10%. Una carga elevada aplicada de potencia reducida da lugar a un deslizamiento importante. En los motores el par de arranque directo es bastante buen, por lo que no suele haber problemas de puestas en marcha, pero la intensidad es muy alta, aproximadamente 6 veces más que la nominal. Las cargas conectadas al motor pueden ser de tres tipos: Par de carga constante (bombas de desplazamiento), par de carga cuadrático (bombas centrífugas y ventiladores), par de potencia constante (bobinadoras y máquinas herramientas). Con cada una de ellas el comportamiento del motor es totalmente distinto. Velocidad

8 Velocidad y números de polos
2 1 3 2 polos = 3000 rev/min 4 polos = 1500 rev/min 6 polos = 1000 rev/min 8 polos = 750 rev/min Todos los motores de corriente alterna trifásica funcionen de acuerdo con el principio que implica un campo magnético giratorio en el motor. El campo se produce cuando las tres fases de la red de alimentación están conectadas con los tres devanados del estátor del motor. La frecuencia de la red de suministro eléctrico determina la velocidad de rotación del campo magnético. El campo realiza una revolución a cada periodo de la red, es decir, 50 revoluciones por segundo ó 3000 rev/min, si el motor posee 2 polos. Supongamos que el motor tiene un rotor de imán como en el motor síncrono. El campo magnético arrastra al imán montado en el eje, haciéndolo gira de tal manera que el eje obtenga la misma velocidad que el campo giratorio (velocidad de sincronismo). Este es el principio del motor síncrono cuya velocidad depende solamente de la frecuencia de la red. El motor se llama bipolar cuando el campo magnético crea 2 polos giratorios (norte-sur). Si los tres devanados se sitúan en un medio círculo, existe espacio para tres devanados correspondientes en la otra mitad del círculo, y el campo magnético presenta ahora 4 polos. Puesto que el campo giratorio puede atravesar sólo 3 bobinas a cada periodo de la red de alimentación, gira ahora a media velocidad, es decir, 1500 rev/min. De igual forma es posible construir motores de 6 y 8 polos que giran a una velocidad de 1000 y 750 rev/min.

9 Velocidad y deslizamiento
B f i R l f = i*(l x B) El motor de inducción se distingue del motor síncrono en que el rotor por si mismo no es magnético. Está construido por dos anillos metálicos que cierran y cortocircuitan un número de conductores o barras. Esta “jaula” está rellena con chapas de hierro para obtener buenas características magnéticas. Las líneas de flujo que atraviesan el motor están cortadas por los conductores. De esta manera el campo magnético induce una corriente en los conductores. La corriente depende de la “velocidad de corte”. Un conductor está rodeado por un campo magnético, y los campos magnéticos formados alrededor de los conductores son direccionales. Por tanto, imparten un par a las fuerzas magnéticas que aceleran el rotor en la dirección del campo giratorio. Si el rotor tuviera que permanecer completamente descargado giraría progresivamente a la misma velocidad que el campo giratorio. Pero esto significaría que los conductores dejarían de cortar las líneas de flujo, dejarían de inducir corriente, no se produciría campo magnético y no habría par. Sin embargo el rotor está siempre cargado, por lo menos con la fricción de los cojinetes y del ventilador de refrigeración. Por tanto, el rotor no puede llegar nunca a funcionar de manera síncrona con el campo magnético. La diferencia entre es el deslizamiento. Este deslizamiento es de 1-5% de la velocidad de sincronismo, según la carga y el tamaño del motor y representa una pérdida de velocidad del motor. M =  f*R

10 motor = (2*f*60/p) - ndesliz
Factores influyentes en la velocidad B f i R l f = i*(l x B) La velocidad del motor nmotor puede expresarse como sigue: ndesliz : Velocidad perdida por el deslizamiento nsinc : Velocidad máxima teórica = 2*f*60/p f : Frecuencia de la tensión aplicada al motor p : Número de polos (p/2 es el número de pares de polos) 60 : Factor de conversión de segundos a minutos Esta fórmula indica que la velocidad de un motor de inducción puede ser modificada de 4 maneras: Cambiando en número de polos (p) Cambiando la frecuencia (f) Cambiando el deslizamiento (ndesliz), o sea, variar la resistencia rotórica (R) o la tensión (U). M =  f*R motor = (2*f*60/p) - ndesliz

11 Pestator = M*nestator/9,55
Métodos para variar la velocidad I 2 1 3 Modificación del número de polos Añadir resistencias al rotor Modificación de la tensión Modificación de la frecuencia 1) Modificación del número de polos: En los motores provistos de varios grupos de devanados de estátor que tienen diferentes números de polos, la velocidad puede ser cambiada efectuando una conmutación entre los devanados por etapas sucesivas. Por ejemplo, cuando se pasa de 2 a 4 polos, la velocidad cambia en una etapa de 3000 a 1500 rev/min sin contar el deslizamiento. Estos motores son los motores DAHLANDER. Su desventaja es que son caros y no hay ningún tipo de control sobre la velocidad ya que sólo pueden presentar dos velocidades. 2) Añadir resistencias adicionales al rotor: Para los motores de rotor bobinado con resistencia de rotor variable. Con ello consigo que la curva de funcionamiento del motor se desplace en sentido horizontal hacia la izquierda si aumenta R, con lo que manejo todo el rango de velocidades. El inconveniente es que la pérdida de potencia es elevada y el rendimiento del motor es muy bajo. Si R aumenta, aumenta el deslizamiento, aumentan las pérdida, y baja el rendimiento del motor. Pestator = M*nestator/9,55 Protor = M*nrotor/9,55 P = M*ndesliz/9,55

12 Métodos para variar la velocidad II
2 1 3 Modificación del número de polos Añadir resistencias al rotor Modificación de la tensión Modificación de la frecuencia 3) Modificación de la tensión: Se modifica la tensión sin variar la frecuencia suministrada al motor. Con ello se reduce la fuerza del campo giratorio y por tanto el par, es decir la curva de funcionamiento se desplaza hacia abajo y por tanto su intersección con la curva de carga se produce en otro punto produciendo otra velocidad. La desventaja de este método reside en que además aumenta la intensidad en el rotor con lo que las pérdidas son mayores y el rendimiento baja, el par es más bajo, y la zona de regulación es de sólo un 15% de toda la curva de funcionamiento. 4) Modificación de la frecuencia: La velocidad de sincronismo sigue la frecuencia de la tensión del motor. En razón de la autoinducción, la resistencia de los devanados del motor disminuye cuando la frecuencia es baja. Por tanto, la intensidad sube y el campo giratorio aumenta si la tensión del motor no disminuye con la frecuencia. Por consiguiente, el hierro se satura magnéticamente, el motor deja de funcionar correctamente y se recalienta muy rápidamente. Ahora bien si se mantiene constante la relación tensión/frecuencia, la corriente de funcionamiento es normal, las pérdidas son normales, se consigue variar la velocidad en cualquier rango de la curva de funcionamiento y el par proporcionado será constante. Este método es el que utilizan los variadores de frecuencia MICROMASTER y MIDIMASTER.

13 El convertidor de frecuencia I
¿ Qué debe hacer? ¿ Cómo lo hace? Modulación por ancho de pulsos IGBTs y circuito de tensión intermedio. Protección. EMC ¿ Por qué se usa un convertidor? Los reguladores de velocidad son controles electrónicos de motores que controlan la velocidad y el par de los motores de corriente alterna convirtiendo las magnitudes físicas de frecuencia y tensión de la red de distribución de electricidad en magnitudes infinitamente variables, pero manteniendo la relación entre ellas constante. Ventajas de convertidor de frecuencia: Es capaz de controlar la velocidad sin pérdidas notables. Se consume sólo lo que se necesita con lo que se ahorra energía. Por ejemplo, una reducción de un 25% de velocidad significa que se produce un ahorro del 50%. Aproximadamente se disminuye el consumo de energía en 1/3 cuando se reduce rápidamente la velocidad. No presenta piezas móviles por lo que su duración es por lo menos igual a la del resto de partes del sistema con lo que se aprovecha al máximo el motor de inducción.

14 El convertidor de frecuencia II
¿ Qué debe hacer? ¿ Cómo lo hace? Modulación por ancho de pulsos IGBTs y circuito de tensión intermedio.Protección. EMC ¿ Por qué se usa un convertidor? Mejora del tratamiento y la calidad ya que la producción se hace más flexible cuando el proceso de fabricación puede ser controlado de manera progresiva para adaptarlo a las variaciones de las piezas trabajadas y de las piezas primas. Se reduce el porcentaje de rechazos, se aumenta la producción y se obtiene un producto final más uniforme. Incremento de la producción ya que la velocidad del motor de puede aumentar a elección sin intervenir en el proceso. Mejora del entorno de trabajo ya que la velocidad de los ventiladores se puede ajustar a la demanda da de ventilación con el fin de evitar ruidos de corriente de aire Se puede usar junto con motores antideflagrantes, situando el regulador y el motor en lugares separados. Reducción de los costes de mantenimiento.

15 Modo de trabajo del convertidor
Par máximo 2.5 U/f = cte hasta 50 Hz 2.0 Par nominal El convertidor está formado por dos etapas: Un rectificador no controlado que convierte la tensión alterna de la red en continua y un inversor ondulador que convierte la tensión continua en alterna que se le suministra al motor. El inversor actúa de fuente de intensidad para el inversor con lo que el microprocesador que controla el proceso produce una regulación perfecta en régimen transitorio (aceleración, rampas) y régimen permanente (velocidad elegida). Este microprocesador es el que realiza realmente la regulación vectorial. El fundamento es mantener en todo momento la relación U/f constante, con lo que se consigue que se pueda variar la velocidad, no aumente la intensidad en el rotor y el par se mantenga constante en la zona de no saturación, es decir, hasta los 50 Hz. A frecuencias mayores de 50 Hz la velocidad se puede modificar pero el par empieza a bajar ya que no es posible aumentar la tensión por encima de la nominal y por tanto la relación U/f deja de ser constante y cada vez es más pequeña.En los convertidores MICRO/MIDIMASTER se puede aumentar la velocidad hasta 650 Hz, pero teniendo en cuenta que ya a 100 Hz el par ha bajado al 30% del nominal. Para frecuencias muy bajas tampoco se cumple la relación U/f constante, ya que si no, no habría tensión para hacer funcionar la máquina a esas velocidades. 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 Flujo constante Debilitamiento de campo

16 Circuito de control y regulación
Etapas del convertidor de frecuencia Rectificador DC Inversor V + 3 AC C C Intensidad - Existen 3 tipos de convertidores de frecuencia: Convertidor de frecuencia con modulación por amplitud de pulsos PAM. Convertidor de frecuencia con modulación por anchura de pulsos PWM. Inversor de corriente CSI. El fundamento de funcionamiento es el descrito en la página anterior y es el mismo para los tres tipos. Nos centraremos en el tipo PWM que es el utilizado por los convertidores MICRO/MIDIMASTER. Existen 4 etapas: rectificador, circuito intermedio, inversor, y circuito de control y regulación. El rectificador de entrada es no controlado, La entrada del convertidor son los cables del circuito de potencia, normalmente tensiones e intensidades elevadas, por lo que la sección de los cable es grande y las protecciones son de tamaños constructivos elevados. Estas corrientes fluyen hacia los condensadores de descarga. El inversor ondulador emplea transistores IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors), los cuales son más fáciles de controlar, su velocidad de conmutación es elevada, y tienen muy pocas pérdidas. Este ondulador poseen diodos que conducen la intensidad inductiva cuando los transistores están cerrados. Circuito de control y regulación

17 El inversor - Rectificador Unión-DC 3 F + Interfase de usuario
alimentación C - Aislamiento - Unidades básicas Aislamiento - Unidades Vector El rectificador de entrada es del tipo de los no controlados. Las intensidades de entrada son elevadas, por eso, el uso de grandes secciones de cable y buenas protecciones. El MIDIMASTER de tamaño constructivo 7 está unido a un elemento inductor DC para limitar los picos de intensidad. Estas intensidades fluyen a los condensadores. El inversor utiliza los transistores IGBt (Insulated Gate Bipolar Transistors), que son fáciles de controlar, conmutan rápido y tiene pocas pérdidas. Aparte de los IGBt, el inversor posee también diodos “flywheel” que conducen la intensidad inductiva cuando el transistor conmuta a OFF. Interfase de usuario Controlador PWM

18 Filtros de entrada Alimentación de entrada Al Rectificador
Protección contra sobretensión Choke en modo común Condensadores Y Los condensadores Y se deben limitar en tamaño porque su efecto se suma a las intensidades leakage. Las unidades sin filtro no tienen Choke. Las unidades trifásicas poseen más componentes. Condensadores X

19 Rectificación Tensión de entrada Monofásico Trifásico Tensión DC
Monofásica El diodo rectificador Intensidad de diodo Un sistema rectificador monofásico trabaja con los condesadores para reducir el rizado en la parte de continua. Un sistema trifásico tiene siempre un bajo rizado de por sí de alrededor de 14%. Los condesadores de la etapa de continua se añaden para mejorar este rizado y servir de filtro. Además previene de interferencias en las señales de la alimentación. Tanto los sistemas monofásicos como los trifásicos poseen altos componentes armónicos en la intensidad, pero el factor de potencia se acerca siempre a la unidad.

20 Transistores Insulated Gate Bipolar - IGBt
Tensión Intensidad 1 s Pérdidas de conmutación Conmutación ON Conmutación OFF Los IGBT son conmutadores electrónicos robustos, eficiente y relativamente rápidos Las pérdidas se producen: Al conmutar a ON, aunque son muy bajas. Durante el estado ON. La dependencia de la carga a tensión de saturación es de 1-3V. Al conmutar a OFF. Mientras la corriente cae se producen las pérdidas más elevadas a la vez que aumenta la tensión. Estas pérdidas de penden de la carga y de la frecuencia de conmutación.

21 Modulación por ancho de pulso
0V Tiempo La figura representa la forma de onda de una modulación por ancho de pulso (PWM). Obsérvese la alta dV/dt de la forma de onda de tensión; Esto puede provocar intensidades capacitivas dentro del motor o en los cables, especialmente si estos son apantallados. La onda senoidal de intensidad se forma gracias a las rápidas conexiones y desconexiones de tensión usando los IGBT. El cálculo matemático para realizar toda esta modulación es muy complicado, por lo que se necesita un procesador potente o un circuito integrado ASIC - Application Specific Integrated Circuit. El IGBTs necesita ser rápido en la conmutación y robusto Las ventajas del método PWM son las siguientes: Funcionamiento suave del motor incluso a bajas velocidades, frenado por medio de un módulo de frenado, son apropiados para un funcionamiento del motor en paralelo, buen rendimiento del motor. Los inconvenientes del método PWM son los siguientes: Motor ruidoso en razón de la la forma de la curva de tensión, el motor se puede para si se llega a la limitación de corriente ( aceleración rápida y valor de cresta de la carga).

22 Debilitamiento de campo en los motores
Flujo, Tensión Par El flujo que necesita la máquina es proporcional a la frecuencia. A una frecuencia superior a la nominal se produce una reducción del flujo (El flujo es la integral de la tensión y el área por debajo de la onda senoidal es menor a frecuencias elevadas). Ello es debido a que al aumentar la frecuencia habría que aumentar la tensión del mismo modo para mantener la relación U/f constante, pero la tensión no se puede elevar por encima de la tensión nominal, ya que el motor se quemaría Al disminuir el flujo se reduce el par nominal que puede suministrar la máquina. Los convertidores de frecuencia MICRO/MIDIMASTER pueden aumentar la velocidad hasta 650 Hz, paro ya a 100 Hz el par ha bajado hasta el 30% del nominal. El par es muy bajo a velocidades elevadas a excepción de los motores especiales. 0.5 1.0 1.2 1.5

23 El convertidor con cables largos
Bobina Los cables normales poseen un efecto capacitivo con respecto a tierra y con respecto a los otros cables. Los cables apantallados se comportan todavía peor que los cables normales. Cuanto más largo sea el cable, mayor es este efecto capacitivo. La alta velocidad de conmutación del inversor produce una intensidad que fluye hasta los condesadores de compensación. Si la corriente es demasiado elevada, el inversor proporcionará una intensidad distorsionada y provocará sobrecalentamiento y errores en el funcionamiento del motor. Se puede conseguir información adicional para el cálculo de este efecto conociendo la máxima longitud de cable que se puede usar en la instalación. Para cables con una longitud superior a las estándar, los accionamientos se deben recalcular, o los motores se deben adaptar el la salida del convertidor para disminuir el efecto capacitivo. Pérdida en los cables

24 Características de protección más importantes
Protección cortocircuitos (fase-fase y fase-tierra) Limitación de intensidad I2t protección del motor PTC desde el motor Sobretemperatura en el convertidor Protección del convertidor contra cortocircuitos en pocos microsegundos por medio de las protecciones del hardware. El límite de intensidad se controla normalmente por los ajustes de hardware. El software también puede ser usado para calcular la capacidad de sobrecarga del motor. Algunos modelos poseen una conexión para PTC de tal forma que el accionamiento se parará si el motor se sobrecalienta. Un sensor interno controla la temperatura para asegurar que el inversor no se sobrecalienta. El inversor puede ser protegido contra sobretensión lo que podría producirse durante el freno regenerativo. Sub/Sobretensión en el convertidor

25 Compatibilidad electromagnética (EMC)
Especificaciones de inmunidad Especificaciones de emisión La inmunidad es la capacidad de resistir el ruido, los sobrepicos y las interferencias que entran en el convertidor por medio de los cables de conexión o por vía electromagnética. Es muy importante que el convertidor posea una alta inmunidad ya que si no se pueden producir daños importantes o un mal funcionamiento del convertidor y del motor. La emisión es la interferencia que el inversor genera por medio de los cables de conexión o por radiación electromagnética. Si es demasiado alta provocará interferencias o dañará otros equipos - incluyendo PLC`s y otros inversores. La emisión debe ser limitada para asegurar un funcionamiento fiable del sistema. Tanto la emisión como la inmunidad están reguladas por la UE. Este tema se abordará más adelante, al ser de gran importancia.

26 Elementos físicos del convertidor
Filtros de entrada y protecciones. Circuitos de control: Alimentación Aislamiento Encendido y apagado. Visualización intensidad Fuente de alimentación. Interfase interna. Entradas de control y supervisión por microprocesador. Filtros de entrada y protecciones: Evitan daños y limitan las interferencias electromagnéticas. En un ambiente industrial las interferencia pueden ser conducidas desde la alimentación hasta el accionamiento, de tal forma que un filtrado contra ruidos y sobre picos es siempre necesario para asegurar la fiabilidad de la instalación. Circuitos de potencia y de control ASIC: Ventilación. Los componentes electrónicos están construidos compactamente por lo que necesitan una buena protección y ventilación. El control es extremadamente complejo y funciona mejor si se usan circuitos de control ASIC (Application Specific Circuit) diseñados específicamente para este propósito. Circuito de potencia: El circuito de potencia está conectado directamente a los componentes de potencia y está sujeto a gran cantidad de interferencias. Fuente de alimentación: La fuente de alimentación alimenta la parte de la electrónica - la placa de control -, así como el accionamiento y el monitor. >Por eso posee varias salidas aisladas. Interfase interna: Acopladores rápidos de alta calidad ópticos se usan como interfase entre el circuito de potencia y el de control. Entradas de control y supervisión del Microprocesador. Un microprocesador se usa para el control y para la visualización de las entradas, interpretar las órdenes de control y adaptar la información para la etapa de potencia, así como para controlar el display y la interfase serie.

27 Elección del convertidor I
Potencia del motor Potencia del convertidor. Rendimiento. Factor de potencia. Ventilación. El motor y el regulador deben elegirse de tal manera que el par obtenido sea suficiente a todas las velocidades. Este par motor es suficiente cuando: Es capaz de superar los pares de arranque. Es suficiente mayor al par de carga para proporcionar la aceleración requerida. Proporciona el 95% del par nominal del motor durante un funcionamiento continuo. La potencia del motor es sencilla de elegir mediante el catálogo si se conoce el par necesario y se conoce la velocidad a la frecuencia de alimentación, ya bien sea directamente o usando la fórmula: Si no se obtiene un resultado exacto siempre se elige el modelo superior, para asegurar el buen funcionamiento del motor. Una vez elegido el motor se elige el convertidor que de la potencia necesaria para que el motor funcione, más la que necesita para funcionar junto con las pérdidas. El catálogo SIEMENS ofrece el convertidor que debe ser usado para obtener en le eje la potencia de salida deseada para el motor, siempre y cuando el rendimiento del motor no sea menor del 70% para motores pequeños y del 80% para los motores grandes, y además el factor de potencia no sea menor del 70%. P = M*n/9,55

28 Elección del convertidor II
Potencia del motor Potencia del convertidor. Rendimiento. Factor de potencia. Ventilación. En este caso no se cumple se recomienda lo siguiente: Calcular la potencia de salida eléctrica del motor basándose en la potencia del eje y el rendimiento del motor y elegir un regulador de velocidad superior que proporcione esta potencia en la salida. Otro factor importante en la elección del convertidor el la ventilación. Lo dicho de que el par es constante en la zona de 0-50 Hz es cierto si la ventilación del convertidor es perfecta y tiene una buena ventilación forzada. Si no es así el par a velocidades bajas en menor. Esto es debido a que el motor lleva incorporado un ventilador que hace que se refrigere. Si la velocidad del motor baja, baja la velocidad del ventilador, y la potencia de da el motor es menor al haber más pérdidas. Además el hecho de tener tensiones no senoidales puras hace que las pérdidas por este motivo aumenten. Por tanto hay que usar ventilación forzada si se se quiere usar el 100% del par de la máquina. Si no se usa esta ventilación forzada hay que tener en cuenta los valores del catálogo y elegir convertidores de tamaños superiores, ya que entre Hz se tiene % del par máximo y para menos de 10 Hz se tiene 60-75% del par máximo. P convertidor = Peje/

29 Control de intensidad de flujo (FCC)
Icarga Iflujo Itotal Si la tensión del motor es conocida, entonces la intensidad de salida del motor se puede descomponer en la parte real (Icarga) y la parte imaginaria (Iflujo) . La parte del flujo se puede controlar, y con este control se optimiza el funcionamiento del motor. Esta es la idea del control de intensidad de flujo(FCC). Este método no es tan efectivo como el control de todo el vector de intensidad, el cual toma en cuenta la posición de rotor como referencia de coordenadas. El control FCC fue introducido en los equipos 6SE30, después se introdujo en los equipos 6SE32 añadiendo el control V/f , y el control de flujo completo.

30 Control vectorial I En un motor DC, el campo está generado en un bobinado separado y, por eso, la intensidad de la armadura (Par) y la intensidad de campo (Flujo) se pueden controlar por separado. En un motor AC , Las intensidades del estator son las que producen el flujo y el par. Por eso, es difícil controlar el par y el flujo por separado. El control de la intensidad en magnitud no permite un control independiente de las magnitudes. Por eso hay que controlar el vector intensidad entero(módulo y fase) El control de flujo y par independientemente permite un funcionamiento óptimo del motor: Par a velocidad cero, rápida respuesta a cambios en la carga. Para conseguir un funcionamiento perfecto del motor, se debe conseguir en cada instante el flujo óptimo.

31 Control vectorial II Alimentación Inversor AC Encoder Motor AC Carga Realimentación de posición Para controlar el par y el flujo de un motor AC, se debe controlar la intensidad del estator en módulo y fase: El vector intensidad. Para controlar la fase del vector con referencia a la posición del rotor, se ha de conocer perfectamente la posición de este. Por eso, para un control vectorial completo, debe usarse un encoder para realimentar al inversor con la posición del rotor. Esta forma de control es conocida como control vectorial orientada a campo, y fue desarrollada por el Doctor Blaschke en Siemens AG en 1974.

32 Control vectorial Sensorless?
El control vectorial sin sensores predice la posición del rotor del motor mediante un modelo matemático del motor. Para conseguir este propósito el inversor debe: Conocer la tensión y la intensidad de salida de forma precisa. Conocer los parámetros del motor (Resistencia de rotor y estator, reactancias de pérdida, etc.) Conocer el comportamiento anterior del motor, o sea, la carga anterior, etc. para predecir la temperatura del motor. Ser capaz de hacer cálculos rápidamente. A velocidades bajas es muy difícil predecir las propiedades del motor y la posición del rotor. La temperatura es muy importante porque la resistencia del rotor varía con la temperatura, y esto modifica considerablemente el funcionamiento del motor.

33 Algoritmo del control vectorial
La teoría del control vectorial es muy compleja como se observa en la figura. El requerimiento de flujo (basado en el par necesitado) se define junto con la demanda de velocidad. La tensión e intensidad del motor se controla constantemente y se realimentan al calculador de flujo así como a todo el sistema de control. Es entonces cuando el sistema calcula los pulsos necesarios para los IGBT.

34 Calculador de flujo El nivel de flujo es constantemente calculado. Esto origina que los niveles de flujo se mantengan de forma óptima para obtener el mejor funcionamiento posible.

35 Ensamblaje convencional
Limitaciones: 1. Tamaño 2. Tiempo de ensamblaje 3. Costo La figura representa el método de montaje normalmente usado en los convertidores 6SE30. Los componentes convencionales se montan por separado.

36 Refrigeración del MICROMASTER
El mayor flujo de aire de refrigeración se aplica directamente en la base Parte del flujo de aire se aplica a los condensadores y la placa de electrónica Ventilador de refrigeración Placa de potencia Base Cuanto más pequeño es el equipo, más critica es la refrigeración. Operaciones a más de 50º C no son nunca posibles. A pesar de las mejoras en el diseño de la refrigeración, no se puede trabajar a plena carga con temperaturas ambiente mayores de 50º C.