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09 Regula Motor

  1. 1. Tema 9 Regulación y control electrónico de motores 1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2. Regulación de motores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3. Regulación durante el arranque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4. Variación de velocidad de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 5. Regulación de parada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 6. Frenado de parada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 7. Inversión del sentido de marcha sin frenado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 8. Inversión del sentido de marcha con frenado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 9. Frenado de ralentizamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 10. Los principales modos de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 11. Regulador de velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 12. Variadores de velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 13. Arrancadores progresivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
  2. 2. Curso virtual: Electricidad industrial Tema 9 Regulación y control electrónico de motores 1. INTRODUCCIÓN Los motores, son las máquinas auxiliares de una máquina principal. La máquina principal produce un trabajo con el auxilio de uno o varios motores. Los motores eléctricos, se paran o se ponen en funcionamiento, obedeciendo a un mando manual o un programa preestablecido. Se detienen cuando se alcanza un nivel, o se ponen en marcha en el momento que un mecanismo está en una determinada posición. La puesta en marcha, o parada, de estos motores auxiliares, está controlados por los sensores o elementos de detección. Dependiendo de que sustancia hay que detectar los elementos que entran en la regulación de los motores serán totalmente distintos en su construcción, en el aspecto físico, y en principio de funcionamiento. 2. REGULACIÓN DE MOTORES Los puntos de regulación de un motor son diferentes, dependiendo del momento de funcionamiento. Durante el arranque, el motor tiene que vencer la inercia que supone su peso, hasta alcanzar la velocidad de funcionamiento, en este tiempo, consume de tres a cuatro veces mas, de su consumo normal. Una vez alcanzada la marcha normal, el consumo disminuye; durante la marcha, se puede presentar el caso de que sea necesario variar la velocidad. Al final cuando se desea parar el motor, se corta el suministro y el motor se para, pero el motor lleva una inercia y hace que se pare después de pasado un tiempo. Estos tres estados de funcionamiento se regulan de forma diferente. Módulo 2. Tema 9 Regulación y control electrónico de motores Página 1 de 20
  3. 3. Curso virtual: Electricidad industrial 3. REGULACIÓN DURANTE EL ARRANQUE Se denomina arranque, al tiempo que transcurre desde la parada hasta su velocidad de funcionamiento. La puesta en tensión directa de cualquier receptor puede provocar riesgos eléctricos, como puntas de corriente, caída de tensión, a los que se añaden los de una máquina en movimiento, como golpes o desplazamientos. Se dice que un motor arranca en directo, cuando se aplica a sus bornes, de forma directa, a la tensión de trabajo. Suponiendo que el motor arranca en carga, el bobinado tiene que soportar una intensidad de corriente superior a la normal de trabajo, dependiendo de la carga, y de la masa inerte del motor, la intensidad nominal In se incrementa entre tres y cuatro veces, pudiendo llegar a ser hasta ocho veces la nominal. En la figura 1 puede verse la curva de la intensidad de corriente absorbida por un motor durante el arranque. Figura 1 CORRIENTE DE ARRANQUE DIRECTO La ventaja del arranque directo es conseguir un elevado par de arranque, que puede llegar a 1,5 veces la potencia nominal. En el arranque directo se emplean los contactores, y se utiliza siempre que la potencia del motor sea menor de 3 CV = 2 Kw y arranque en carga, si arranca en vacío se llega hasta 4 CV = 3 Kw. Si en lugar de un motor, son varios los que arrancan y paran de forma intermitente, se tendrá un problema importante cuando se trata de motores superiores a los 3 Kw. En estos caso se acude a sistemas de arranque que disminuyan el consumo aunque suponga una menor potencia en el momento del arranque (el momento de arranque puede durar como máximo a tres minutos, en la mayoría de las veces, suele ser de medio minuto) Módulo 2. Tema 9 Regulación y control electrónico de motores Página 2 de 20
  4. 4. Curso virtual: Electricidad industrial Figura 2 GUARDAMOTOR DE ARRANQUE DIRECTO EN SU CAJA DE PROTECCIÓN Para reducir la intensidad adsorbida durante el arranque, tradicionalmente, se ha venido utilizado los arrancadores como: S Estrella triángulo S Resistencias estatóricas S Autotransformadores Figura 3 ARRANCADOR ESTRELLA TRIÁNGULO Módulo 2. Tema 9 Regulación y control electrónico de motores Página 3 de 20
  5. 5. Curso virtual: Electricidad industrial En la figura 4 puede verse la curva comparada de la intensidad de corriente absorbida por un motor durante el arranque directo y con arrancador estrella triángulo (trazo grueso). Figura 4 CURVAS DE CORRIENTE DURANTE EL ARRANQUE A estos sistemas hay que añadir un sistema nuevo, el arrancador progresivo, que utiliza un solo contactor, con otra ventaja añadida, que es estático y por lo tanto, sin desgaste mecánico. Aunque, de momento, su precio es superior al sistema tradicional. El arrancador estático, permite el arranque de motores, aplicando una tensión progresiva, con lo que, se limita la corriente del par de arranque. 4. VARIACIÓN DE LA VELOCIDAD DE FUNCIONAMIENTO Puede darse dos casos distintos: que se desee variar la velocidad o que se quiera regular la velocidad. No es lo mismo regular, que variar, aunque suceda al mismo tiempo. S Un variador puede no ser a la vez un regulador. Es un sistema que posee un mando con amplificación de potencia pero no tiene bucle de retorno. “Se llama de bucle abierto”. No es un sistema enclavado. Módulo 2. Tema 9 Regulación y control electrónico de motores Página 4 de 20
  6. 6. Curso virtual: Electricidad industrial El valor de la salida evoluciona poco a poco en función de las perturbaciones. La zona de velocidad se expresa en función de la velocidad nominal. Un regulador es un sistema enclavado, posee a la vez: S Un sistema de mando con amplificación de potencia. S Un sistema "de retorno" o "de bucle cerrado". Así, la magnitud de la salida (tensión, corriente, potencia, velocidad, aceleración, posición, etc.), se compara a la magnitud de entrada, llamada consigna o referencia. Si la consigna es variable, el sistema es a la vez variador y regulador. El regulador está dotado de una cierta precisión (generalmente expresada en % del valor nominal de la magnitud a regular) que hace la salida prácticamente independiente a las perturbaciones (variaciones de la tensión de alimentación, de la carga, de la temperatura, etc.) Figura 5 VARIADOR DE VELOCIDAD Para más información sobre variadores de velocidad vea el tema 6 Módulo 2. Tema 9 Regulación y control electrónico de motores Página 5 de 20
  7. 7. Curso virtual: Electricidad industrial 5. REGULACIÓN DE LA PARADA En muchos casos, resulta necesario el paro instantáneo de elementos de rotación. Se utilizan tres sistemas distintos para conseguir el frenado: S Frenos mecánicos, llamados electrofrenos. S Freno por contracorriente, con inversión brusca del giro y desconexión inmediata. S Frenado por corriente continua, alimentando dos fases con corriente continua inmediatamente después de la desconexión. 6. FRENADO DE PARADA. Deceleración de la velocidad establecida hasta la velocidad nula por aplicación de un par de frenado controlado o no. Por ejemplo, para una “parada de emergencia”, se frena por todos los medios lo más rápidamente posible, sin controlar los fenómenos de deceleración. Figura 6 FRENO PARA EL EJE DEL MOTOR 7. INVERSIÓN DEL SENTIDO DE MARCHA SIN FRENADO. Posibilidad de mandar el otro sentido de marcha, habiendo realizado una inversión a una velocidad nula, después de deceleración sin frenado eléctrico. Figura 8 INVERSOR SIN FRENADO Módulo 2. Tema 9 Regulación y control electrónico de motores Página 6 de 20
  8. 8. Curso virtual: Electricidad industrial 8. INVERSIÓN DEL SENTIDO DE MARCHA CON FRENADO Posibilidad de mandar el otro sentido de marcha y obtener una inversión rápida con frenado eléctrico, deceleración y la aceleración controladas. 9. FRENADO DE RALENTIZAMIENTO. Deceleración de la velocidad establecida hasta una velocidad intermedia por aplicación de un par de frenado controlado. FIGURA 8-7 FRENO ELÉCTRICO 10. LOS PRINCIPALES MODOS DE FUNCIONAMIENTO Unidireccional Un dispositivo de conversión en electrónica de potencia es llamado unidireccional si solo permite el paso de la energía en el sentido red receptor. No permite pues un frenado estático de ralentizamiento ni una inversión estática del sentido de marcha. Sin embargo, un frenado de parada puede ser ejecutado desconectando el motor de la red y conectándolo, por un dispositivo distinto, a una resistencia que disipará la energía almacenada en las piezas en movimiento. Módulo 2. Tema 9 Regulación y control electrónico de motores Página 7 de 20
  9. 9. Curso virtual: Electricidad industrial Reversible (llamado también "bidireccional") Un dispositivo de conversión en electrónica de potencia es llamado reversible cuando autoriza el transfert de la energía en los dos sentidos red receptor. Un frenado puede entonces ser ejecutado mandando a la red de alimentación toda o parte de la energía almacenada en las piezas en movimiento. Estos transfert se pueden hacer: S Bien por el mismo bloque rectificador, los acoplamientos del motor se efectúan por contactores. Es un reversible por contactores. S O bien por dos bloques rectificadores distintos, (llamados también "antiparalelo"). Es un reversible estático. Puente mixto- Puente completo Los semiconductores de potencia están montados en puente de Graetz. El puente es llamado mixto cuando está compuesto a la vez de semiconductores controlados (tiristores- transistores) y semiconductores no controlados (diodos). Figura 9 - PUENTE MIXTO Tal puente solo puede transmitir la energía en un solo sentido. Van provistos de uno o varios diodos llamados de descarga o de rueda libre. Módulo 2. Tema 9 Regulación y control electrónico de motores Página 8 de 20
  10. 10. Curso virtual: Electricidad industrial El puente es llamado completo cuando está enteramente compuesto de semiconductores controlados. Tal puente es apto para transmitir la energía en los dos sentidos. Figura 10 CONTACTOR ESTÁTICO UNIPOLAR Figura 11 CONTACTOR TRIFÁSICO Módulo 2. Tema 9 Regulación y control electrónico de motores Página 9 de 20
  11. 11. Curso virtual: Electricidad industrial 11. REGULADOR DE VELOCIDAD Un dispositivo de conversión en electrónica es llamado regulador cuando suministra, a partir de una red monofásica o trifásica, una tensión alterna de valor eficaz variable y de frecuencia fija, la de la red, por modulación del ángulo de cebado de los semiconductores. Estos últimos se acoplan y se montan en oposición y colocan en una fase de la red. Figura 12. - REGULADOR Par constante, potencia constante La zona de funcionamiento es llamada par constante cuando el motor suministra el par nominal cualquiera que sea la velocidad. La zona de funcionamiento es llamada a potencia constante cuando el motor puede suministrar un par de inversión proporcional a la velocidad angular. Es el caso, por ejemplo, de un enrollador axial cuya velocidad angular debe disminuir continuamente a medida que aumenta el diámetro de enrollamiento por acumulación del material. Es igualmente el caso del plato de un torno vertical durante el desbastado de una cara horizontal de la pieza: La velocidad angular debe aumentar regularmente a medida que el útil se acerca al centro. El número de aplicaciones que requiere un funcionamiento a potencia constante es relativamente pequeño. Módulo 2. Tema 9 Regulación y control electrónico de motores Página 10 de 20
  12. 12. Curso virtual: Electricidad industrial Carga arrastrante Una carga es llamada arrastrante cuando provoca una velocidad superior a la velocidad de consigna. Por ejemplo, el viento sobre los movimientos horizontales de una máquina de manutención, instalada al aire libre y la gravedad sobre un movimiento de elevación son cargas arrastrantes permanentes. Cuadrantes de funcionamiento La repartición de las masas puede provocar los mismos efectos: es el caso, por ejemplo, del de una pieza en rotación que es arrastrante sobre la mitad de cada vuelta. Figura 13. - CUADRANTES DE FUNCIONAMIENTO Conclusión : Los diversos funcionamientos pueden ser caracterizados de la siguiente manera: S Cuadrantes 1 y 3 -Marcha en motor (la máquina giratoria suministra una potencia mecánica). S Cuadrantes 2 y 4 -Marcha en frenado la máquina giratoria absorbe una potencia mecánica. Módulo 2. Tema 9 Regulación y control electrónico de motores Página 11 de 20
  13. 13. Curso virtual: Electricidad industrial El mando de las cargas resistivas Se efectúa por regulador con tiristores. Va provisto de 2 tiristores montados. Colocado en una fase de la red, permite alimentar una carga resistiva en el momento del encendido de los tiristores. Figura 14. - REGULADOR CON TIRISTORES Figura 15. - REGULADOR TRIFÁSICO El mando de los tiristores se efectúa por tren de ondas enteras. El momento inicial de cada ciclo de trabajo es síncrono con la tensión red. La duración de un tren de ondas es de 2,5 s. Módulo 2. Tema 9 Regulación y control electrónico de motores Página 12 de 20
  14. 14. Curso virtual: Electricidad industrial En este período la gestión del número de ondas enteras de corriente, para obtener la regulación de temperatura deseada, se asegura por el regulador asociado a otro regulador. Figura 16. - TREN DE ONDAS Sectores de aplicación El conjunto de los productos electrónicos de potencia, se compone de tres familias: Los variadores de velocidad para: S Motores de corriente continua: ofrecen una gran precisión y una larga gama de velocidad, así como grandes posibilidades de adaptabilidad; S Motores asíncronos estándar, robustos y sin mantenimiento. S Motores asíncronos de jaula resistente o de anillos, destinados principalmente al arrastre de los ventiladores. S Los arrancadores para motores asíncronos estándar aseguran una limitación de la corriente de llamada y permiten realizar un ahorro sobre la mecánica arrastrante. S Los reguladores por tren de ondas enteras, para electrotermia resistiva. Los criterios de elección o valores de uso más determinantes, frente a una máquina a equipar, deben conducir a una solución más económica. Solo el estudio profundo de la aplicación permite definir la elección de la solución óptima. “La electrónica de potencia” está presente en todos los sectores de actividades y la tabla más abajo indica algunas de las aplicaciones más corrientes. Módulo 2. Tema 9 Regulación y control electrónico de motores Página 13 de 20
  15. 15. Curso virtual: Electricidad industrial Variadores de velocidad Por tren de Arrancador Corriente Jaula de ardilla ondas Aplicaciones Corriente alterna progresivo continua Bobinado Cargas Normal resistivas Ventilación Apropiado Apropiado Apropiado Bombas Apropiado Apropiado volumétricas Bombas centrífugas Apropiado Apropiado Cintas Apropiado Apropiado Apropiado transportadoras Escaleras Apropiado mecánicas Máquinas cíclicas Apropiado Apropiado Apropiado Compresores Apropiado Trituradoras, Apropiado arranque en vacío Cadenas de Apropiado Apropiado producción Enrolladores Apropiado Desenrolladores Calefacción Apropiado resistiva TABLA DE APLICACIONES DE LOS VARIADORES DE VELOCIDAD 12. VARIADORES DE VELOCIDAD. Características generales Los variadores de velocidad son convertidores de frecuencia destinados a la alimentación de los motores asíncronos normalizados, en una gama de potencia muy alta de 90 W a 90 Kw. Funcionan según el principio de modulación de longitud de impulsos (PWM Sinus) por segmentación de una tensión continua fija. Esta técnica asegura una rotación regular y sin sacudidas de los motores, incluso a velocidad muy baja, gracias a una forma de corriente de salida muy cercana a la sinusoide. Módulo 2. Tema 9 Regulación y control electrónico de motores Página 14 de 20
  16. 16. Curso virtual: Electricidad industrial Figura 17 ONDA MODULADA La fiabilidad del producto es el resultado de una gran integración de las funciones electrónicas y de los medios industriales de control, llevado a cabo en todos los niveles de la cadena de producción. Campos de aplicación Los variadores de velocidad encuentran su utilización en numerosos sectores de la industria, ya que se asocian a los motores asíncronos que responden perfectamente a las exigencias de robustez y de sencillez de los utilizadores. Estos variadores de velocidad están particularmente bien adaptados al mando de motores asíncronos normalizados, suministrando una frecuencia y tensión variables del sector. Módulo 2. Tema 9 Regulación y control electrónico de motores Página 15 de 20
  17. 17. Curso virtual: Electricidad industrial Los principales criterios de elección del usuario pueden ser la calidad de arrastre, la rotación regular y sin oscilaciones (máquina-herramienta), la posibilidad de sobre-par sin desclasificación, aún en baja velocidad (machacadoras, mezcladoras), una adaptación sin reglaje a cualquier tipo de motor ya las fluctuaciones de carga (transportadores). Las extensas posibilidades de diálogo con el operador, incluso con los autómatas programables, les confieren una gran flexibilidad de explotación en numerosos sectores de actividades de la industria, entre los cuales habría que citar: Figura 18 CAMPO DE APLICACIÓN DE LOS VARIADORES DE VELOCIDAD Módulo 2. Tema 9 Regulación y control electrónico de motores Página 16 de 20
  18. 18. Curso virtual: Electricidad industrial Principio Los variadores de velocidad han sido concebidos para las aplicaciones donde los criterios de economía y de robustez tienen una gran importancia. Comprenden principalmente: S Un rectificador constituido por una fuente de tensión continua elaborada a partir de un puente rectificador alimentado por una red monofásica o trifásica, y de un circuito de filtrado. S Un ondulador constituido por 6 transistores de potencia. Este ondulador está compuesto por uno o tres módulos aislados según el calibre, y crea, a partir de la tensión continua fija, una red alterna trifásica a tensión y frecuencia variables. Estos productos están pilotados por una unidad de control que, organizada alrededor de un microprocesador, asegura las funciones de mando de los componentes de potencia, de diálogo, de protección y de seguridad. La utilización de tecnologías modernas (componentes de potencia integrados, microcomponentes, control de microprocesador) ha permitido una disminución sensible del volumen de estos productos. Figura 19 INTEGRADO DEL VARIADOR DE VELOCIDAD Módulo 2. Tema 9 Regulación y control electrónico de motores Página 17 de 20
  19. 19. Curso virtual: Electricidad industrial 13. ARRANCADORES PROGRESIVOS. Generalidades El arrancador ralentizador es un regulador de 6 tiristores que permite el arranque y la parada controlada de los motores asíncronos trifásica de jaula, de 3 a 800 Kw. FIGURA 8-20. - ARRANCADOR PROGRESIVO Asegura : S El control de las características de funcionamiento, principalmente durante los períodos de arranque y parada. S La protección térmica del motor y del arrancador. S La protección mecánica de la máquina arrastrada por supresión de los golpes de par y reducción de la corriente de llamada. Para las aplicaciones sencillas y los pequeños motores hasta 7,5 Kw (a 380 V), es un arrancado económico. Módulo 2. Tema 9 Regulación y control electrónico de motores Página 18 de 20
  20. 20. Curso virtual: Electricidad industrial Constitución Está constituido esencialmente de dos partes: S Un módulo potencia provisto de tiristores con enfriadores, los circuitos de cebado, de lectura corriente y según el calibre, un ventilador. S Un módulo de mando y de protección electrónica, basado en microprocesador. Principales funcionalidades Comprende: Tres posibilidades de arranque: S Una rampa de aceleración regulable de 1 a 30 s. S Una limitación de corriente regulable, de 2 a 5 In, para las máquinas de gran inercia. S Una rampa y limitación combinadas para controlar el par en el arranque. En las tres posibilidades de arranque, es posible obtener un sobre-par intempestivo, llamado “impulso adicional”. Tres modos de parada: S Parada libre por corte de alimentación, S Parada decelerada en rampa regulable de 2 a 60 s, S Parada frenada "tipo inyección de corriente continua". Tres protecciones integradas: S Protección térmica del motor con alarma. S Protección térmica. S Detección y señalización de defectos: desequilibrio y ausencia de fases, defecto tiristores,... Módulo 2. Tema 9 Regulación y control electrónico de motores Página 19 de 20
  21. 21. Curso virtual: Electricidad industrial Aplicaciones Se utiliza en la mayoría de los sectores industriales: siderurgia, agro-alimentaria, terciario, transportes, bancos, textil, etc. Algunos ejemplos: ventiladores, bombas, compresores (arranque en vacío), cintas transportadoras, rotativas, imprenta, escaleras mecánicas, máquinas textiles. Elección del calibre La elección se efectúa en función de la tensión de la red y de la potencia normalizada del motor. Este acercamiento resuelve la mayoría de los casos. Sin embargo, en el caso de esfuerzos particulares, por ejemplo débil llamada de corriente o máquina de gran inercia, el conocimiento de las características eléctricas y mecánicas es indispensable: S Par resistente en función de la velocidad de la máquina arrastrada así como la inercia de las piezas en movimiento. S Características del par y corriente en función de la velocidad del motor. Estos datos están tratados en un programa específico. La elección correspondiente a estos datos específicos se determina por software especializado. Módulo 2. Tema 9 Regulación y control electrónico de motores Página 20 de 20

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