Producción de torque con variador y motor A.C.. Revisión de fundamentos de motores AC y DC Motor.

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1 Producción de torque con variador y motor A.C.

2 Revisión de fundamentos de motores AC y DC Motor

3 La potencia de placa se alcanza en las rpm de placa HP = Torque * Speed / 5252 Torque RPMVelocidad en placa 100% Potencia Zona de torque constante Zona de potencia constante Motor Basics La potencia de placa se alcanza a la rpm de placa, NO ANTES!

4 Estator trifásico con conexiones T1, T2 & T3 Motor AC Frame Frame Rotor y eje Bobinado del estator

5 Campo mágnetico rotatorio de motor de dos polos RPM es igual a : 120 * Frequency # Motor Poles Motor de dos polos Note que la Frecuencia es la única variable que puede influir el la velocidad del motor Operacion del motor AC

6 ArmaduraArmadura La armadura el el campo están separados Note que la armadura y el campo están fijos a 90° todo el tiempo Polos de campo Conmutador y escobillas Motor DC

7 RPM es igual a: Ambos voltaje de armadura e intensidad de campo afectan la velocidad del motor Modelo Simple Voltaje - ( Caida Voltaje ) Flujo de campo Arm SSNN V V Para aumentar el torque incrementamos la corriente de armadura Funcionamiento de Motor DC

8 Puntos claves: Las diferencias mecánicas deben tratarsen matematicamente El motor de indución AC tiene un circuito: El motor de indución AC tiene un circuito: Las conexiones al estator son T1, T2 y T3. Las conexiones al estator son T1, T2 y T3. Los motores DC tienen tienen dos circuitos: Los motores DC tienen tienen dos circuitos: F1 y F2 para el campo. F1 y F2 para el campo. A1 y A2 para la armadura. A1 y A2 para la armadura. Para tratar los motores AC como DC: Para tratar los motores AC como DC: Veamos los AC como con dos circuitos Veamos los AC como con dos circuitos Resumen:Resumen:

9 Fundamentos de variadores AC PWM AC Drive Basics

10 El puent rectificador convierte AC en DC. El voltaje DC es filtrado para reducir las variaciones. El inversor convierte la DC en voltaje AC PWM. El puent rectificador convierte AC en DC. El voltaje DC es filtrado para reducir las variaciones. El inversor convierte la DC en voltaje AC PWM. Motor Red AC InversorIGBT DiodoRectificador Filtro DC Variador AC

11 La onda PWM es una serie de pulsos repetitivos de voltaje 1 3 + DC Bus - DC Bus V LL @ Drive 500 Volts / Div. Phase Current 10 Amps / Div. M2.00  s Ch1 1.18V Drive AC – Forma de onda PWM

12 El motor es controlado por cambio de voltaje y frecuencia Frecuencia de salida Frecuencia de palca 60 Voltaje de salida Voltaje de salida Hz 30 460 230 115 1590 460 / 60 = 7.67 V/Hz 0 Operation at Base Speed Variado AC - Relación V/Hz Variado AC - Relación V/Hz La relación V/Hz determina que a frecuencia de placa se logra potencia de placa

13 Al 50% de la velocidad, voltaje y frecuencia son reducidos a La mitdad Al 50% de la velocidad, voltaje y frecuencia son reducidos a La mitdad OutputFrequency Base Frequency 60 Output Voltage Hz 30 460 230 115 1590 230 / 30 = 7.67 V/Hz 0 AC Drive Basics - V/Hz Operation A 50% de la frecuencia de placa, la relación V/Hz determina que se logre el 50% de la potencia Funcionamiento a 50% de frecuencia de placa

14 A 25% de la velocidad se tiene 25% de la potencia de placa Frecuencia de salida Frecuencia de placa 60 Voltaje de salida Voltaje de salida Hz 30 460 230 115 1590 115 / 15 = 7.67 V/Hz 0 A 25% de la velcidad, Voltaje y frecuencia decrecen en 3/4 Variador AC – Funcionamiento V/Hz Funcionamiento a 25% de la frecuencia de placa

15 Para mejorar el arranque, se usa Incremento de voltaje que aumenta la magnetización del motor y el torque Aumentado el voltaje se mejora el torque en el arranque Frecuencia de salida Frecuencia de placa 60 Voltaje de salida Voltaje de salida Hz 30 460 248 138 1590 460 V / 60 Hz = 7.67 V/Hz + % BOOST 0 Aumento de Voltaje Variador AC – Funcionamiento V/Hz

16 Aumentar el voltaje durante mucho tiempo recalienta el aislamiento del motor y puede resultar en un daño prematuro. Incapaz de trabajar como un motor DC, la industria va hacia el control vectorial Advertencia: La vida del aislamiento decrece 50% por cada 10  C por encima de su temperatura de trabajo. Variador AC – Funcionamiento V/Hz

17 Si podemos separar y regular la componente de corriente que crea a torque en el motor, podremos regular torque en el motor, no solo la velocidad! La regulaión de corriente permite el control del torque Esta es la base del control vectorial Variador AC - Vectorial

18 Fundamentos del variador vectorial Variador AC

19 Corriente de magnetizaciónCorriente de magnetización Amperios de plena cargaAmperios de plena carga Voltaje del motorVoltaje del motor Frecuencia en placaFrecuencia en placa RPM en placa (Deslizamiento)RPM en placa (Deslizamiento) Potencia en placaPotencia en placa La corriente de placa es el más importante de los datos Variador AC – Modelo del motor El modelo del motor se basa en los datos ajustados en los parámetros

20 Corriente de magnetización es la corriente requerida para excitar el estator y las bobinas sin carga. Corriente de magnetización: Corriente de vacio sin fricciónCorriente de magnetización: Corriente de vacio sin fricción Determina el flujo mágneticoDetermina el flujo mágnetico (FLA - Mag. Amps) = 100% Torque Current(FLA - Mag. Amps) = 100% Torque Current  Una mala calibración de FLA puede reducir el torque La corriente de magnetización va del 35% al 50% FLA FLA = corriente a plena carga (Dato de placa) La corriente de magnetización va del 35% al 50% FLA FLA = corriente a plena carga (Dato de placa) Variador AC – Modelo del Motor Parametro: Corriente de magnetización

21 De esta forma el torque se produce aún a “0” RPM La corriente de magnetización equivale a corriente de campo Corriente de magnetización = corriente de vacio Valor fijo de 0 RPM a RPM nominal Corriente de magnetización = corriente de vacio Valor fijo de 0 RPM a RPM nominal Variador AC – funcionamiento vectorial Corrien te para torque Corriente de magnetización 100% 90 

22 El valor de FLA puede ajustar: La sobrecarga del motorLa sobrecarga del motor La sobrecarga del variadorLa sobrecarga del variador La disponibilidad de torqueLa disponibilidad de torque (FLA x %OL) - Mag. Amps = Max. Corriente disponible para torque(FLA x %OL) - Mag. Amps = Max. Corriente disponible para torque  Una mala calibración disminuye el torque y puede dañar el motor. Como cada algoritmo vectorial es único, revise este dato con el fabricante Variador AC– Modelo del Motor Parámetro: “Corriente a plena carga” (FLA)

23 Voltaje y Hz en placa pueden: Determinan la relación de voltios y frecuencia a la salida del variadorDeterminan la relación de voltios y frecuencia a la salida del variador  Una mala calibración puede recalentar el motor, reducir la vida útil del aislamiento y el torque disponible. Debemos asegurarnos operación correcta del motor sin recalentamiento Variador AC – Modelo del Motor Parámetro: “Voltaje y frecuencia de placa”

24 Determinan: Cálculo del deslizamiento.Cálculo del deslizamiento. Espera medir unas RPM a determinada frecuenciaEspera medir unas RPM a determinada frecuencia Permiten detectar y corregir errores de RPMsPermiten detectar y corregir errores de RPMs Establecen el punto de debilitamiento de campoEstablecen el punto de debilitamiento de campo  Una mala calibración puede causar sobrecorrientes Los variadores AC regulan la velocidad teniendo en cuenta el deslizamiento Variador AC – Modelo del Motor Parámetros: “frecuencia y RPM”

25 La potencia puede ser usada para: Estimar la impedancia del motorEstimar la impedancia del motor Estimar la inductancia del motorEstimar la inductancia del motor Calcular la ganacia para realimentación de torqueCalcular la ganacia para realimentación de torque  Una mala calibraciónpuede causar una pobre regulación de torque o velocidad La información de la potencia es vital Variador AC – Modelo del Motor Parámetro: “Potencia (HP ó Kw)”

26 El Flux Vector actua más como un variador DC El debilitamiento de campo ocurre por encima de la frecuencia de placa La corriente de magnetización decae por encima de la frecuencia de placa Variador AC – Funcionamiento Vectorial Torque Current Magnetizing Current 100% 90  Torque Current Magnetizing Current 100% 90 

27 El torque del motor depende de la carga Los cambios en la corriente para torque dependen de los cambios de la carga Variador AC – Funcionamiento Vectorial Torque Current Magnetizing Current 100% 90  Torque Current Magnetizing Current 10% 90 

28 Torque en el eje del motor se basa en una referencia de torque La corriente de torque se basa en una referencia Variador AC – Funcionamiento Vectorial Torque Current Magnetizing Current 100% 90  Torque Current Magnetizing Current 10% 90 

29 La corriente de torque debe estar a 90° con magnetización El torque es optimo solo cuando se mantienen los 90° Sintonización inadecuada, incorrecta parametrización, mala realimentación de velocidad o baja potencia del variador ocasionaran mala regulación del torque. AC Drive Basics - Vector Operation Torque Current Magnetizing Current 100% 90  Producción optima de torque Torque Current Magnetizing Current ?? Pobre producción de torque

30 Clase de carga: velocidad directa y torque inverso El tiempo para saber velocidad y posición es limitado por la inercia y la velocidad La forma en que la carga afecta al drive es crítico para el exito en la aplicación. La carga con velocidad directa y torque inverso es la más dificil de manejar. La forma en que la carga afecta al drive es crítico para el exito en la aplicación. La carga con velocidad directa y torque inverso es la más dificil de manejar. Variador AC – Funcionamiento Vectorial ?? Si los rodillos están acoplados durante el recorrido, se puede presentar una condición de velocidad directa y torque inverso. Use V/Hz or vectorial si la inercia o la velocidad es alta. Si los rodillos están acoplados durante el recorrido, se puede presentar una condición de velocidad directa y torque inverso. Use V/Hz or vectorial si la inercia o la velocidad es alta.

31 Corriente de motor = Suma vectorial de torque y magnetización Acá aparece el nombre de vectorial Corriente del motor es la que se mide en sus fases Variador AC – Funcionamiento Vectorial 100% Magnetizing Current Torque Current Magnetizing Current 100% Motor Current 90  Torque Current Motor Current 90  A² + B² = C²

32 Flux Vector regula corriente y torque usando velocidad del rotor y posición para optimizar torque en el eje junto con realimentación de corriente del motor. El encoder proporciona la información de rpm y posición L1 L2 L3 Current Feedback Motor E Micro P Variador AC – Funcionamiento Flux Vector

33 A medida que el motor llega a la temperatura de trabajo, la linealidad y precisíón del torque mejoran en Flux Vector Precisión del torque 5% o mejor ! Variaador AC – Torque y temperatura de rotor % Torque Inch - Lbs HOT Motor COLD Motor

34 Es básicamente el mismo Flux Vector Control, con realimentación de Voltaje para detectar cambios de temperatura en el motor. El variador continuamente se adapta a los cambios de temperatura del motor L1 L2 L3 Voltage Feedback Motor E Micro P Variador AC – Control de campo orientado

35 Ideas claves: La información del motor medida o programada es la clave del exito Los errores en la realimentación del encoder afectan el control: Los errores en la realimentación del encoder afectan el control: Produciendo inestabilidad en la velocidad Produciendo inestabilidad en la velocidad Debe estar libre de ruido Debe estar libre de ruido Seleccione un encoder apropiado para motor vectorial Seleccione un encoder apropiado para motor vectorial Tierras apropiadas son importantes Tierras apropiadas son importantes Los datos del motor deben ser precisos en el variador Los datos del motor deben ser precisos en el variador Variadores AC - Resumen

36 El de nucleo escalarEl de nucleo escalar Todos los vectoriales sin realimentación no son los mismos Actualmente hay dos tipos de variadores vectoriales El de nucleo vectorial El de nucleo vectorial Variador AC

37 SVC basado en el escalar (V/Hz) SVC con V/Hz puede manejar multiples motores Usa un algoritmo sofisticado de limitación de corriente para mejorar el torque constante y el de arranque. Usa un algoritmo sofisticado de limitación de corriente para mejorar el torque constante y el de arranque. Necesita menos información para puesta en marcha ganando así simplicidad. Necesita menos información para puesta en marcha ganando así simplicidad. Puede manejar motores en paralelo. Puede manejar motores en paralelo. Solo regula la frecuencia, fijando la corriente. Solo regula la frecuencia, fijando la corriente. No regula el torque No regula el torque Variador AC – Variador vectorial

38 Solo vectorial: Separa la corriente de torque y la de magnetización, para mantener el angulo de 90°. El arranque es algo más complicado por que se necesita más información del motor. Solo maneja un motor a la vez. Controla velocidad y torque Variador AC - Vectorial

39 El variador SVC vectorial cálcula la velocidad del rotor y su posición L1 L2 L3 Motor Sensores de corriente Micro P ( FVC + Speed Estimator ) Variador AC - Vectorial

40 POSICIONPOSICIONRPMsRPMsTORQUETORQUE MOTOR La referencia de posición es opcional en la mayoria de controles vectoriales La referencia de velocidad es de uso común La referencia de torque puede ser directa, evitando el lazo de velocidad como referencia para aplicaciones como enrolladoras y Equipos de pruebas Hay tres lazos de control: 1,000 rad/sec100 rad/sec10 rad/sec Variador AC – Lazos de control

41 Referencia De velocidad Flux Command Torque Command Señales a los IGBTs RED AC Realimentación de corriente de corriente Velocidad y posición rotor + - Lazo de torque Lazo de velocidad Controlador de campo Inversor PWM Realimentaci ón de velocidad AC Motor E Diagrama de control Flux Vector AC Drive Basics - Regulator Diagram

42 Motor para variador AC Motor Basics - Inverter Duty

43 Algunos motores tiene el frame ajustado para disipar calor sin necesidad de ventilación forzada Ventilador si se desa trabajar a “0” RPM with 100% de Torque continuamente AC Motor Basics - Inverter Duty

44 Tipo de motores AC Los de Frame laminado proporcionan densidad an altas potencias y mejores curvas de comportamiento. Los motores con Frame T tienen en ´común la base y altura del eje. Motor AC para inversor Seleccione el tipo de motor de acuerdo a sus necesidades

45 El diseño del rotor cambia de motor a motor: El rotor “jaula de ardilla sencilla” está diseñado para usar con variador El motor industrial estandar con rotor doble jaula de ardilla esta diseñado para lograr el mejor torque. Motor AC para inversor El diseño del rotor afecta la producción de torque!

46 Diagrama del circuito equivalente del motor de inducción Motor AC – Diagrama equivalente Resistencia del estator Inductancia estator Inductancia Rotor Resistencia Rotor Inductancia de magnetización Voltaje de entrada - + Current Working El calentamiento del rotor afecta la produccíon de troque!

47 El torque pico depende de las características del motor Motor AC Motor diseño NEMA B Torque a plena carga Breakdown Torque (BDT) Regla del pulgar: El 80% de BDT se usa para cuando hay cambios subitos en la carga. Regla del pulgar: El 80% de BDT se usa para cuando hay cambios subitos en la carga.

48 Según la aplicación se debe escoger el motor por la curva de torque Motor AC – Region de operación NEMA Design “B” Motors vary in Breakdown Torque capacity

49 Motor para variador a 1/10 de RPM placa Curva de motor para inversor con Variador %TORQUE%TORQUE 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 6 1218 2430 364248546066 72 78 8490 Torque HZ Región aceptable Para operación continua Motor AC – Rango de operación

50 La región de potencia constante va hasta el 150% de Frecuencia de placa Curva de motor para inversor con variador AC %TORQUE%TORQUE 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 6 1218 2430 364248546066 72 78 8490 Torque HZ Motor AC- Rango de operación

51 El motor para variador trabaja a “0” RPM con 100% Torque Constante Curva de torque de motor para variador con variador vectorial %TORQUE%TORQUE 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 6 1218 2430 364248546066 72 78 8490 Torque HZ Región de trabajo continuo AC Motor – Rango de operación

52 Algunos motores trabajan hasta 2 veces la fercuencia de placa Curva de torque de motor para variador y variador vectorial HZ %TORQUE%TORQUE 061218243036424854606672788490 Torque 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 96 102108 114120 Motor AC – Rango de operación Algunos motores pueden trabajar hasta 8 veces la frecuencia de placa

53 Comparación De comportamiento de los variadores Variador AC

54 Selección para cargas rotativas FVC es la mejor si la posición y la velocidad son conocidas.FVC es la mejor si la posición y la velocidad son conocidas. V/Hz es muy comodo y adaptable con altas inercias.V/Hz es muy comodo y adaptable con altas inercias. SVC más dificil de manejar debidoa las limitaciones del fabricante. Procesador y algoritmo dependiente.SVC más dificil de manejar debidoa las limitaciones del fabricante. Procesador y algoritmo dependiente. FVC es la mejor si la posición y la velocidad son conocidas.FVC es la mejor si la posición y la velocidad son conocidas. V/Hz es muy comodo y adaptable con altas inercias.V/Hz es muy comodo y adaptable con altas inercias. SVC más dificil de manejar debidoa las limitaciones del fabricante. Procesador y algoritmo dependiente.SVC más dificil de manejar debidoa las limitaciones del fabricante. Procesador y algoritmo dependiente.

55 V/Hz funciona perfecto con motores en paralelo.V/Hz funciona perfecto con motores en paralelo. SVC or FVC es posible unicamente si los ejes de los motores están acoplados y l variador puede trabajar solo con el total de la corriente.SVC or FVC es posible unicamente si los ejes de los motores están acoplados y l variador puede trabajar solo con el total de la corriente. V/Hz funciona perfecto con motores en paralelo.V/Hz funciona perfecto con motores en paralelo. SVC or FVC es posible unicamente si los ejes de los motores están acoplados y l variador puede trabajar solo con el total de la corriente.SVC or FVC es posible unicamente si los ejes de los motores están acoplados y l variador puede trabajar solo con el total de la corriente. Selección para motores en paralelo

56 V/Hz es bueno hasta 10:1 Constant Torque.V/Hz es bueno hasta 10:1 Constant Torque. SVC es bueno hasta 40:1 Constant Torque.SVC es bueno hasta 40:1 Constant Torque. FVC es bueno hasta 1,000:1 incluyendo velocidad cero.FVC es bueno hasta 1,000:1 incluyendo velocidad cero. V/Hz es bueno hasta 10:1 Constant Torque.V/Hz es bueno hasta 10:1 Constant Torque. SVC es bueno hasta 40:1 Constant Torque.SVC es bueno hasta 40:1 Constant Torque. FVC es bueno hasta 1,000:1 incluyendo velocidad cero.FVC es bueno hasta 1,000:1 incluyendo velocidad cero. Selección Para torque constante

57 V/Hz no es medible la respuesta.V/Hz no es medible la respuesta. SVC bueno hasta 100 Radians/second.SVC bueno hasta 100 Radians/second. FVC bueno hasta 1,000 Radian/second.FVC bueno hasta 1,000 Radian/second. V/Hz no es medible la respuesta.V/Hz no es medible la respuesta. SVC bueno hasta 100 Radians/second.SVC bueno hasta 100 Radians/second. FVC bueno hasta 1,000 Radian/second.FVC bueno hasta 1,000 Radian/second. Control Selection

58 ComparativoComparativo

59 Las tecnologías AC y DC tiene sus virtudes cada una ComparativoComparativo

60 El comportamiento de los variadores AC y DC es similar Drive Selection - Speed Range