Control de velocidad de motores

24,304 views

Published on

0 Comments
6 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

No Downloads
Views
Total views
24,304
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
5
Actions
Shares
0
Downloads
687
Comments
0
Likes
6
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Control de velocidad de motores

  1. 1. Universidad Nacional de Asunción Facultad Politécnica Máquinas Eléctricas Trabajo Práctico de investigación Tema: Control de velocidad de motores eléctricosProfesor: • Fabio Meyer BenítezAlumnos: • Alexis Pojomovsky • Mateo Acosta • Luis Alberto López • Osvaldo Aquino • Fecha de entrega: Viernes 9 de noviembre de 2012 Ciudad Universitaria - San Lorenzo
  2. 2. Índice de contenidoIntroducción..........................................................................................................................................3Control de velocidad de motores CC....................................................................................................4 Regulación de velocidad por medio de rectificadores controlados................................................4 Regulación de velocidad por medio de choppers...........................................................................5 Regulación de velocidad mediante realimentación........................................................................5Control de velocidad de motores CA asíncronos ................................................................................7 Regulación de velocidad por control de la tensión de línea aplicada al estator..............................7 Regulación de velocidad por control de tensión y frecuencia de línea (control escalar)................8 Regulación de velocidad por medio de una resistencia adicional en el rotor.................................9 Regulación de velocidad por recuperación de la potencia de deslizamiento .................................9 Control vectorial de motores asíncronos.......................................................................................10Control de velocidad de motores CA síncronos ................................................................................12 Regulación de velocidad de motores síncronos en lazo abierto...................................................12 Regulación de velocidad de motores síncronos en lazo cerrado (motor síncrono auto-pilotado) 12Conclusión..........................................................................................................................................14Bibliografía.........................................................................................................................................15 Página 2
  3. 3. IntroducciónLos motores eléctricos son maquinas eléctricas que transforman la energía eléctrica en mecánica pormedio de campos electromagnéticos variables. Algunos de los motores eléctricos son reversibles, esdecir, pueden transformar la energía mecánica en energía eléctrica funcionando como generadores.En la actualidad los motores eléctricos son sumamente utilizados en las industrias y esimprescindible tener un control de la velocidad de giro, el sentido del giro, etc., y en el caso de losgeneradores, es sumamente importante mantener un control estricto de la velocidad de giro paramantener constante el voltaje generado. Las técnicas utilizadas para tener un control de los distintostipos de motores detallaremos en el siguiente trabajo. Página 3
  4. 4. Control de velocidad de motores CC Regulación de velocidad por medio de rectificadores controladosTal y como se muestra en la figura, se puede regular la velocidad de un motor CC alimentándolopor medio de una corriente controlada por el disparo de rectificadores:La red de alimentación puede ser monofásica o trifásica, por lo que los convertidores serán,respectivamente monofásicos o trifásicos. Generalmente el uso de redes monofásicas se restringe amotores cuyas potencias nominales no superen los 5kW. Los rectificadores utilizados pueden sersolo tiristores, tomando el nombre de convertidores completos, o bien una combinación de tiristoresy diodos, donde pasan a llamarse semiconvertidores. Para ambos casos el retraso en el encendido delos tiristores determina el valor medio de la tensión de salida del convertidor de acuerdo a estasexpresiones: 2∗V mConvertidor monofásico: V cc= π ∗cos(α) VSemiconvertidor monofásico: V cc= πm ∗(1+ cos(α)) 3∗√ 3V mConvertidor trifásico: V cc= π ∗cos (α) 3∗√ (3)∗V mSemiconvertidor trifásico: V cc= ∗(1+ cos(α )) 2∗πEn estas fórmulas, V m representa el valor máximo de la red para el caso de sistemasmonofásicos, y la máxima tensión de fase de la red trifásica.En la siguiente figura se muestran en un modo gráfico las relaciones anteriores, el valor máximo de 2V 3 √( 3) V mla tensión de salida (que resulta de un ángulo de disparo a α=0°) vale π m o π : Página 4
  5. 5. Regulación de velocidad por medio de choppersLos choppers son convertidores electrónicos que transforman una tensión de CC de magnitud fija enCC de magnitud variable, por lo que resultan útiles en la regulación de motores CC. Este tipo deregulación ha reemplazado enormemente a la técnica de reóstatos de arranque y regulación que,como su nombre mismo sugiere, provocaban grandes pérdidas por efecto joule. Los choppers tienenvarias ventajas, como su alto rendimiento, control flexible, son ligeros, de rápida respuesta yademás posibilitan su funcionamiento en los cuatro cuadrantes.En la figura se muestra un chopper de 2 cuadrantes:En este chopper, los interruptores estáticos S1 y S2 se cierran o encienden alternadamente. Cuandola corriente que alimenta el motor tiene el sentido positivo que se muestra en la figura, la corrientede alimentación de la fuente pasa a través de S1 retornando la energía inductiva por el diodo D1. Sedice entonces que el chopper es directo o reductor y el motor funciona en el primer cuadrante.Cuando la corriente i 0 tiene sentido contrario, la corriente circula por el interruptor estático S2 yel diodo D2, entonces se dice que el chopper es inverso o elevador y el motor devuelve energía a lared trabajando en el segundo cuadrante. Los valores medios de tensión y corriente suministrada porel chopper son los señalados a continuación: t ON V CC −E V CC = ∗V S ; I CC = T R t ONdonde el parámetro k = es denominado el ciclo de trabajo del chopper. Como consecuencia, Tsi el chopper tiene frecuencia constante (T constante), al variar el tiempo t ON se puede regular latensión media que se suministra al motor CC, es decir, la velocidad de la máquina. Regulación de velocidad mediante realimentaciónEn los apartados anteriores, tanto en la regulación por rectificadores controlados como en laregulación por choppers, el sistema de control utilizado se conoce como “lazo abierto”. En estossistemas se comprueba que cuando varían las condiciones de trabajo de la máquina, también cambiala respuesta de la misma, y de este modo, si por ejemplo se producen cambios en la carga aplicadaal motor, también aparecerán cambios en la velocidad de giro. Este comportamiento no tienedemasiada importancia para ciertas aplicaciones, mientras que para otras resulta inadmisible. Página 5
  6. 6. Se puede conseguir una mayor estabilidad de la velocidad del motor y de la respuesta dinámica quetiene el mismo, utilizando las técnicas de los sistemas realimentados. A continuación se muestra unesquema simplificado de un sistema de control a lazo cerrado:El funcionamiento del circuito es el siguiente: la salida del metacentro n se compara con la señalde referencia n* en el nudo restador mostrado en la parte superior izquierda de la figura. Lasalida de este nudo es una tensión de error de velocidad e n=n*−n , que se aplica a uncontrolador de velocidad, cuya misión es estabilizar el comportamiento del motor o en general delaccionamiento, mejorando la respuesta transitoria y reduciendo el error de velocidad a cero. Latensión de salida del controlador de velocidad V C se lleva a un circuito generador de impulsos dedisparo que modifica el ángulo de encendido α de los componentes activos (tiristores, GTO, etc.)del convertidor.El problema de este circuito es que no tiene protección de sobrecorriente; es decir, cuando seproduce un aumento del par resistente, sobre todo si éste es brusco, se produce un aumento de latensión de salida del convertidor que se aplica al inducido, lo que también traerá un aumento en lacorriente en el mismo, la cual puede adquirir valores pico que, aún siendo transitorios, puedenafectar la vida útil de los tiristores. Por eso es conveniente ampliar el esquema anterior y añadirle unlazo de realimentación de corriente que limite la intensidad del inducido a valores seguros, estovuelve al sistema un poco mas complejo, pero es de vital importancia para su correctofuncionamiento. Página 6
  7. 7. Control de velocidad de motores CA asíncronosPara comprender los principios básicos de la regulación de velocidad de los motores asíncronos,recordamos la fórmula para la velocidad mecánica de giro (en rpm) de este tipo de motores: 60∗ f 1 n= ∗(1−s) py de acuerdo con esta expresión, existen tres procedimientos para cambiar la velocidad de n , asaber: • Variar el número de polos de la máquina • Cambiar la frecuencia de alimentación • Modificar el deslizamiento s .El primer procedimiento no es un sistema de regulación de velocidad en el sentido estricto, sino unamodificación de la velocidad en forma discreta, es decir, a saltos. De este modo los procedimientosprácticos para regular la velocidad de un motor asíncrono se basan fundamentalmente en el controlde la frecuencia y el deslizamiento. De acuerdo con lo anterior, los accionamientos eléctricos conmotores de inducción se clasifican en las tres categorías principales siguientes: Regulación de velocidad por control de la tensión de línea aplicada al estatorSe puede variar la velocidad de un motor asíncrono variando la tensión aplicada al devanado de suestator. En la siguiente figura se muestra el esquema correspondiente, que utiliza dos tiristores porfase colocados en oposición. Las tensiones que llegan al estator pueden regularse fácilmentevariando el ángulo de encendido de los tiristores.El comportamiento de este tipo de accionamiento no es muy bueno debido a los armónicos queintroduce en la red y por el bajo factor de potencia que se consigue. Las curvas de par-velocidad deestos motores se parecen a las que tienen los motores con rotor devanado en los que se hayaintroducido una resistencia adicional en serie por medio de los anillos; por ello el par máximo seobtiene para valores de deslizamientos altos y con deslizamientos a plena carga bastante elevados ,por lo que el rendimiento de estas máquinas es bastante bajo.Hay que tener en cuenta que la expresión del par electromagnético producido por un motorasíncrono es de la forma: Página 7
  8. 8. 3R 2∗V 21 T= n1 R 2 2π s∗((R1 + )+( X 1 + X 2 )2) 60 ses decir, el par depende del cuadrado de la tensión aplicada al estator, y es por eso que si las cargasofrecen un alto par de arranque existirán problemas de regulación de velocidad. De todas formaseste sistema puede resultar útil para cargas con pares resistentes tipo ventilador o bombascentrífugas. Las velocidades n 1, n2, n 3,... son las diversas velocidades de equilibrio que se obtienenpara las distintas tensiones aplicadas. Regulación de velocidad por control de tensión y frecuencia de línea (control escalar). 60∗ f 1De acuerdo con esta ecuación, mostrada ya anteriormente: n= ∗(1−s) , es evidente que pun método simple de cambiar la velocidad de giro de un motor asíncrono es variando la frecuenciade alimentación f 1 que llega al estator, pues ésta modifica la velocidad de sincronismo delcampo magnético giratorio y por ende la velocidad mecánica de giro, que es cercana a la desincronismo en virtud del pequeño valor del deslizamiento de este tipo de máquinas. Sin embargo,hay que tener en cuenta que el flujo magnético en el entrehierro es directamente proporcional a laF.E.M. inducida en cada devanado e inversamente proporcional a la frecuencia, lo que puedeapreciarse perfectamente en la fórmula: E 1=4,44∗k 1∗ f 1∗N 1∗Φ mPor consiguiente, una reducción en la frecuencia de alimentación f 1 produce un aumento delflujo magnético Φ m . Para evitar la saturación del núcleo magnético debido al aumento del flujo,deberá entonces aumentarse proporcionalmente la F.E.M. E 1 , es decir, hay que mantener el E1cociente constante. En este sistema se controla, por lo tanto, la magnitud del flujo magnético f1y por ello recibe el nombre de “control escalar”La realización práctica de este sistema de control, requiere el uso de dos convertidores electrónicos;un rectificador controlado y un inversor de conmutación forzada. El rectificador controladotransformará la tensión trifásica de la red en una etapa intermedia de CC, de tal modo que se puederegular la tensión que llega al inversor modificando el ángulo de encendido de los tiristores del Página 8
  9. 9. rectificador controlado.El inversor produce una tensión trifásica cuya frecuencia depende de la secuencia de impulsos quese aplican a las puertas de los tiristores, de este modo al motor asíncrono le llega una tensiónvariable de frecuencia y tensión Regulación de velocidad por medio de una resistencia adicional en el rotorAplicando el mismo principio de funcionamiento que en el motor asíncrono con rotor devanado, enel que se introduce un reóstato trifásico en los anillos del rotor para reducir la corriente de arranque,podemos aprovechar este mismo principio para regular la velocidad de giro de un motor. Laresistencia externa se puede variar estáticamente empleando el circuito mostrado en la figura:La resistencia externa se puede variar estáticamente mediante este circuito, así, la potencia que llegaal rotor se rectifica por medio de un puente trifásico de diodos y la inductancia L se utiliza comoelemento de filtro para alisar la CC que sale del rectificador. La resistencia externa Rex está enparalelo con el chopper, de tal modo que el valor de la resistencia efectiva que se añade al rotordepende del parámetro k o ciclo de trabajo del chopper.Este sistema de regulación de velocidad tiene el grave inconveniente de que el rendimiento espequeño, sobre todo con altos deslizamientos, pero por otro lado, posee una electrónica muysencilla y es por esto que encuentra sus aplicaciones en mecanismos de elevación y transporte, talescomo grúas, montacargas, etc. Regulación de velocidad por recuperación de la potencia de deslizamientoEn el sistema de regulación anterior, con resistencia adicional de rotor, la potencia de deslizamientoera disipada en dicha resistencia de rotor, lo cual era la causa de su bajo rendimiento. Ahora bien, sien vez de colocar dichas resistencias, se introduce una F.E.M. trifásica, con una frecuencia Página 9
  10. 10. f 2=s∗ f 1 múltiplo de la frecuencia de alimentación, que sea variable tanto en amplitud como enfase, se podría aumentar el rendimiento del conjunto y seguiría produciendo el mismo efecto. Laforma práctica de introducir esta F.E.M. externa es mediante un montaje denominado recuperaciónde la energía de deslizamiento, por lo que la potencia s∗P 1 se devuelve a la red.Aunque aparecieron distintas técnicas de recuperación de potencia de deslizamiento a lo largo delos tiempos, destacándose los sistemas tipo Kramer, Scherbius y Schrage, todos en la actualidadobsoletos. Sin embargo, la modificación de uno de dichos sistemas, el Kramer, pero sin utilizaciónde métodos electromecánicos, reservándose solo a técnicas estáticas. Este accionamiento, llamadoKramer estático, permite una regulación de velocidad por debajo de la de correspondientesincronismo y de ahí que algunos autores denominan a este montaje como cascada subsíncrona.Como se muestra en la figura, el sistema estático Kramer tiene un rectificador en puente trifásicoque transforma la CA del rotor a la frecuencia de deslizamiento f 2=s∗ f 1 en CC y dispone deuna inductancia de filtrado y un inversor conmutado por línea de tiristores que devuelve la energíadel rotor a la red a través de un transformador trifásico.Control vectorial de motores asíncronosEl control vectorial, denominado también control por orientación de campo, constituye el métodode regulación de velocidad mas sofisticado y moderno de los motores asíncronos. La base de estemétodo de regulación es controlar tanto la magnitud como la fase del flujo magnético del motorasíncrono para conseguir un funcionamiento análogo al que tienen los motores de CC, y que hastafechas muy recientes habían representado el motor por excelencia en los accionamientos eléctricosde velocidad variable.En un sistema de control vectorial de motores asíncronos hay que controlar en tiempo real lamagnitud y fase de las corrientes de alimentación del estator, en respuesta a cambios en lasdemandas de velocidad y par requeridas por el accionamiento. Para este tipo de de control seránecesario conocer con exactitud la posición del fasor de flujo magnético en el entrehierro, para loque se deberá disponer de una señal de realimentación en la amplitud y la posición instantánea delmismo flujo magnético, que puede realizarse de dos modos: • Control vectorial directo: que incorpora dos transductores magnéticos en el entrehierro Página 10
  11. 11. basados en el efecto Hall y situados a 90° eléctricos para averiguar la magnitud y la posición del flujo magnético. • Control vectorial indirecto: en el cual la amplitud y la orientación del flujo se calculan en base a partir de los parámetros del motor, y la posición relativa instantánea del motor se mide mediante un encóder (transductor de posición) situado en el rotor.El control vectorial directo, aunque teóricamente tiene sus ventajas, tiene problemas en laimplementación en un ambiente industrial, y es por eso que no suele utilizarse porque carece de larobustez necesaria (pierde casi todas las ventajas que traía el reemplazo de un motor CC por unasíncrono). Es por eso que en la práctica se utiliza el control vectorial indirecto, midiendo laposición y velocidad del motor con un encóder. En la siguiente figura se muestra un diagrama debloques de un sistema de control vectorial indirecto que dispone de una etapa de potencia con uninversor de corriente.El inversor de corriente dispone de una etapa intermedia de corriente continua que incluye una graninductancia para mantener constante la corriente en el lado de CC. El sistema de potencia incluyelazos de comparación de corriente para mantener a ésta en los valores requeridos, y es por eso queel inversor de corriente es mas sencillo en su funcionamiento que el inversor de tensión.Todas las funciones señaladas en el recuadro sombreado de la figura se realizan con un procesadordigital de señales DSP. Los nuevos avances de control vectorial de motores asíncronos no incluyenningún tipo de transductor (sin sensores, o sensorless) para detectar la posición del fasor espacial deflujo, y se estima la velocidad del motor únicamente a partir de medidas de tensiones y corrientes dela máquina. Página 11
  12. 12. Control de velocidad de motores CA síncronosLa velocidad de un motor síncrono se puede cambiar de una forma sencilla modificando lafrecuencia de alimentación, ya que la velocidad de rotación coincide con la de sincronismo del 60∗ fcampo magnético giratorio n= , donde f es la frecuencia de alimentación y p el pnúmero de pares de polos de la máquina. Para cada frecuencia, la velocidad del motor permaneceráconstante a menos que la máquina pierda el sincronismo por haberse aplicado al eje un par resistivomayor al máximo. Regulación de velocidad de motores síncronos en lazo abiertoEn la figura se muestra un esquema básico de control de velocidad de un motor síncrono en lazoabierto, que es un circuito similar al empleado en la regulación de motores asíncronos:Los bloques de electrónica de potencia consisten en un rectificador controlado situado a principiode línea que alimenta a un bus de CC y un inversor al final de línea que se aplica al inducido delmotor síncrono. El motor arranca suavemente desde el reposo hasta la velocidad de consigna, y paraello dispone de un limitador de la derivada de la velocidad para que la frecuencia cambiegradualmente desde cero hasta el valor correspondiente a la velocidad de consigna. En el caso deque se produzcan variaciones muy fuertes en el par resistivo, el ángulo de carga del rotor puedesuperar el valor límite, provocando una inestabilidad del motor, que se saldrá de sincronismo. Regulación de velocidad de motores síncronos en lazo cerrado (motor síncrono auto-pilotado)Para evitar el inconveniente de pérdida de sincronismo del motor síncrono cuando esta sometido avariaciones bruscas de par, se debe utilizar una regulación de lazo cerrado o con realimentación. Laidea de este procedimiento es hacer que las variaciones de la velocidad del rotor modifiquenautomáticamente la frecuencia del inversor; para ellos es preciso medir el movimiento del rotor conun transductor de posición (encóder), y esta información se utiliza para corregir la frecuenciaaplicada al estator haciendo que el motor conserve el sincronismo con la nueva frecuencia aplicada.De este modo, la velocidad del rotor corrige automáticamente la frecuencia del estator, y de ahí queel accionamiento se denomine auto-controlado o auto-pilotado. En la figura se muestra el esquema Página 12
  13. 13. de control de un motor síncrono auto-pilotado:Se dispone de dos convertidores, uno al principio de la línea, que al igual que en el caso anterior esun rectificador controlado que alimenta a un bus intermedio de CC y al final del mismo se sitúa elinversor u ondulador que convierte la CC en CA trifásica y frecuencia variable. El encóder, que secoloca en el eje del motor, da una señal indicativa de la posición del rotor que se procesa en lalógica de control y se utiliza para generar los impulsos de disparo de los tiristores del inversor. Deeste modo, cualquier variación en la velocidad del rotor debida a un cambio de carga, modificaráinmediatamente la frecuencia de encendido de los tiristores y se ajustará a la frecuencia dealimentación del estator al valor correcto para evitar la pérdida de sincronismo del motor. Página 13
  14. 14. ConclusiónComo es sabido la utilización de motores eléctricos en la actualidad es indispensable para lahumanidad moderna y prácticamente indispensable en Paraguay porque genera toda la electricidadque consume por medio de un puñado de hidroeléctricas y gracias a esto pueden funcionar desdeelectrodomésticos muy básicos como el lavarropas, el secarropas, la licuadora, ventiladores detecho, etc., hasta grandes industrias que basan muchas de sus etapas de producción en la utilizaciónde motores eléctricos; todos estos dispositivos y muchos que no mencionamos utilizan alguno de lostipos de sistemas de control de velocidad mencionados en este trabajo.Es por todo esto que creemos que comprender las distintas técnicas utilizadas para controlarmotores es imprescindibles para que en el futuro podamos comprender el funcionamiento demaquinas y también aplicar estas técnicas en el diseño de algún dispositivo. Página 14
  15. 15. Bibliografía Jesús Fraile Mora, Máquinas eléctricas, España, McGRAW HILL/INTERAMERICANADE ESPAÑA, S.A.U., 2003, pp. 637-695. Página 15

×