aplicaciones de la electrónica de potencia en el control

Aplicaciones de la Electrónica de Potencia en el Control de Velocidad de Diferentes Tipos de Motores.

ANDRÉS CAMILO MORALES PALACIOS

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENÍERIA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

BOGOTÁ, D. C.

2009

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Aplicaciones de la Electrónica de Potencia en el Control de Velocidad de Diferentes Tipos de Motores.

ANDRÉS CAMILO MORALES PALACIOS

Trabajo de Grado presentado como requisito

Para optar el título de Ingeniero Eléctrico

Directores: Gustavo Andrés Ramos

Álvaro Torres Macías


FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENÍERIA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

BOGOTÁ, D. C.

2009

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PAGINA DE ACEPTACIÓN

Nota de Aceptación

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Presidente del Jurado

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Jurado

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Jurado

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A Dios por darme la salud y la vida, a mi esposa e hijo por todo el apoyo, comprensión y dedicación que me han prestado para mi formación personal y profesional, para sacar adelante este nuevo logro de mi vida, de igual forma a las entidades como la Fuerza Aérea Colombiana, Tejido Humano y Fundación Matamoros, en su debido momento me dieron la mano con algún apoyo económico, Gracias.

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AGRADECIMIENTOS

Al Ingeniero Gustavo Ramos, el cual fue profesor asesor por parte Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Universidad de Los Andes.

Al Ingeniero Álvaro Torres, el cual fue profesor co-asesor por parte Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Universidad de Los Andes.

Al Ingeniero Wilson Ortiz, el cual fue profesor asistente de laboratorio durante la materia de Electrónica de Potencia del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Universidad de Los Andes, el cual por sus grandes conocimientos, sus capacidades y por su preocupación sirvió de apoyo en el desarrollo de este proyecto.

A mi esposa Marcela Erazo y mi hijo Jacobo quienes entregaron mucho de su apoyo moral y espiritual para darme las fuerzas y la energía necesaria para poder lograr a feliz término este trabajo de grado.

A mis compañeros del último semestre, quienes en los momentos difíciles por la carga de trabajo me dieron la mano, como soporte para poder llevar a feliz término mi carrera.

A todas aquellas personas que de una u otra manera colaboraron en la realización de este proyecto de grado

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TABLA DE CONTENIDO

1. Introducción ................................................................................................................................ 8

1.1 Justificación ......................................................................................................................... 8

1.2 Objetivos ............................................................................................................................. 8

1.2.1. Objetivo General ............................................................................................................... 8

1.2.1. Objetivos Específicos ........................................................................................................ 8

1.3 Reseña Historica .................................................................................................................. 9

2. Manejo de Motores DC ............................................................................................................... 9

2.1 Parte Teórica ............................................................................................................................... 9

2.1.1 Introducción .................................................................................................................... 9

2.1.2 Circuito equivalente de motores DC ............................................................................... 9

2.1.3 Conversor Electrónico de Potencia ............................................................................... 14

2.1.4 Variadores de Velocidad ............................................................................................... 16

2.1.4.1 Motor con excitación Serie....................................................................................... 16

2.1.4.2 Motor con excitación Independiente ........................................................................ 16

Figura 2-8 Motor con excitación Independiente tomado de [5] ............................................... 17

2.1.4.3 Motor con excitación Shunt ..................................................................................... 17

2.1.4.4 Motor con excitación Compound (Corta Derivación) ............................................... 17

2.1.4.5 Motor con Excitación Compound (larga derivación) ................................................ 18

2.2 Parte Computacional ................................................................................................................. 19

2.2.1 Guía Para Práctica Computacional Variador de Velocidad Motor DC: ........................ 19

2.2.2 Resultados de la parte computacional ........................................................................... 22

2.3 Práctica del Laboratorio ............................................................................................................ 26

3. Manejo de Motores de Inducción .............................................................................................. 39

3.1 Parte Teórica ............................................................................................................................. 39

3.1.1 Introducción .................................................................................................................. 39

3.1.2 Principios básicos de la operación de un motor de inducción ....................................... 40

3.2 Parte computacional ................................................................................................................. 45

3.2.1 Guía Para Práctica Computacional Variador de Velocidad Motor Asíncrono AC: ......... 45


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3.3 Parte Práctica del Laboratorio ................................................................................................... 52

4. Manejo de Motores de Síncronos .............................................................................................. 67

4.1 Parte Teórica ............................................................................................................................. 67

4.1 Introducción ............................................................................................................................ 67

4.1.2 Forma básica de operación de motores síncronos ........................................................ 68

4.2 Parte computacional ................................................................................................................. 71

4.2.1 Guía Para Práctica Computacional Variador de Velocidad Motor Síncrono AC: ........... 71


4.3 Parte Práctica del Laboratorio ................................................................................................... 80

5. Análisis y Conclusiones ............................................................................................................ 92

6. Recomendaciones ...................................................................................................................... 92

7. Referencias Bibliográficas ......................................................................................................... 93

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1. Introducción

1.1 Justificación Este proyecto de grado se justifica con la realización de tres cartillas las cuales deben contener la información teórica, práctica y computacional para la mejor comprensión de la aplicación de la electrónica de potencia y aplicación en el campo profesional en los motores DC, motores de Inducción y motores Sincrónicos; El manejo de laboratorio y práctica computacional se desarrolla con la finalidad de proporcionar las herramientas de análisis y de diseño para el control de la velocidad de los motores, basado en el libro “Power Electronics-Converters, Applications, and Design”[1] y algunas otras referencias mencionadas.

1.2 Objetivos

1.2.1. Objetivo General

Desarrollar una metodología para el estudio del control de motores DC, Asíncronos y Síncronos, por medio de variación de la frecuencia y PWM, para lo cual la aplicación de la electrónica de potencia es muy efectiva.

1.2.1. Objetivos Específicos

Realización de tres cartillas para el manejo Práctico de los estudiantes y docentes, la cual está compuesta por una guía teórica de conceptos, una guía práctica y un manejo computacional de los motores DC, motores de Inducción y motores Sincrónicos.

Deben contener:

Conceptos básicos

Circuitos equivalentes

Ajuste de velocidad

Formas de corriente y potencia

Desarrollo computacional

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Explicar de una manera sencilla el control por frecuencia de la velocidad de los motores DC, motores de Inducción y motores Sincrónicos, con la finalidad de proporcionar las herramientas de análisis y de diseño que pueda ser utilizada para mejor comprensión de las prácticas de laboratorio aplicado a la materia Electrónica de Potencia, y en el campo profesional.

1.3 Reseña Historica Desde el comienzo del programa de ingeniería Eléctrica, la universidad se ha preocupado por el mejoramiento continuo de su pensum académico, el cual se ha basado en la evolución tecnológica y en la adquisición de nuevos equipos de uso computacional, los cuales han proporcionado facilidades para un mejor manejo de las seis áreas principales de investigación con que se ha planteado el programa, que son: Potencia y Energía, Electrónica, control, comunicaciones, señales y Bioingeniería. Estas áreas se han ido desarrollando progresivamente, en esta tesis se está contribuyendo con el estudio de Potencia y Energía, buscando un optimo control de los diferentes tipos de motores por frecuencia, ya que ayuda a mejorar el rendimiento de las maquinas, lo cual será de gran aplicación en cualquier empresa, fabrica o universidad donde pueda ser aplicada esta metodología.

2. Manejo de Motores DC

2.1 Parte Teórica

2.1.1 Introducción Tradicionalmente los motores DC han sido utilizados en muchos los equipos industriales y en la operación de un buen porcentaje de las empresas hoy en día, para el control y aplicación de velocidad y posición. Hace pocos años atrás el uso de manejo de servo motores AC se ha incrementado, a pesar que existen aplicaciones DC donde el mantenimiento es extremadamente bajo o no es requerido. Pero continúan siendo más usado el control de motores DC por su bajo costo inicial, fácil operación y excelente rendimiento.

2.1.2 Circuito equivalente de motores DC Para poder entender el circuito equivalente de los motores DC es importante saber cómo está conformado un motor DC.

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El motor de corriente continua está compuesto de dos partes fundamentales que son el Rotor y el Estator o también llamado armadura como se pueden ver en la figura 2-1.

Figura 2-1 partes del Motor DC Tomado de [4]

Los cuales se encuentran conformados internamente por los siguientes componentes como se relaciona a continuación:

El Rotor constituye la parte móvil del Motor, proporciona el torque necesario para mover la carga y éste a su vez está conformado por:

Eje: Barra de acero fresada, la cual es la encargada de impartir la rotación al núcleo, al devanado y al colector.

Núcleo: Generalmente fabricado con capas (Laminas de Acero), el cual se monta sobre el eje y su principal función es la de proporcionar una trayectoria magnética entre los polo para que el flujo magnético del devanado circule. Las láminas de acero reducen las corrientes parásitas en el núcleo y de igual manera debe permitir mantener bajas las perdidas por histéresis.

Devanado: Consta de Bobinas aisladas entre si y el núcleo de la armadura. Proporciona un camino de conducción conmutado.

Colector: Está constituido de láminas de material conductor (delgadas), separadas

entre sí y del centro del eje por un material aislante, para evitar cortocircuito con dichos elementos. El colector gira el eje del motor y está en contacto con las escobillas. Su principal función es recoger la tensión producida por el devanado inducido, transmitiéndola al circuito por medio de las escobillas.

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El Estator constituye la parte fija del Motor, suministra el flujo magnético que será usado por el bobinado del rotor para realizar su movimiento giratorio y está conformado por:

Armazón: Sirve como soporte y proporciona una trayectoria de retorno al flujo magnético del rotor, para completar el circuito magnético.

Imán permanente: Compuesto de material ferro-magnético, fijado al armazón del estator. Su función es crear un campo magnético uniforme al devanado del rotor, para generar la interacción de éste con el campo formado por el embobinado.

Escobillas: Fabricadas se carbón, y poseen una dureza menor que la del colector, para evitar que éste se desgaste rápidamente. Se encuentran albergadas por los porta-escobillas. Ambos, escobillas y porta-escobillas, se encuentran en una de las tapas del estator. Son los encargados de transmitir la tensión y corriente de la fuente de alimentación hacia el colector y, por consiguiente, al bobinado del rotor.

Ahora conociendo ya las partes de un motor de corriente continua, podemos entrar en materia para entender cómo funciona el circuito equivalente del motor DC. En los motores DC el flujo de campo continuo se puede establecer en los estatores de dos formas:

• Por medio de Imanes Permanentes manteniendo constante el flujo de campo ��, sin

necesidad de tener una saturación magnética. (Figura 2-2a).

• O por una excitación del campo enrollado, donde la corriente de alimentación �� controla el flujo de campo � (Figura 2-2b)

Figura 2-2a Modificado de [1]

Figura 2-2b tomado de [1]

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La interacción del flujo continuo con otras componentes como son el torque electromagnético, la corriente de armadura y la velocidad de rotación del conductor generan la potencia Eléctrica y la potencia mecánica, las cuales se encuentran iguales en condiciones de estado estable, donde podemos decir que si las unidades de la potencia

eléctrica son �� .� � y la de la potencia mecánica son ��

� .��/�� entonces:

�� .� � = ��

� .��/�� Tomado de [1] (2-1)

En la aplicación práctica una fuente controlable de voltaje de entrada �� es aplicada a la armadura para establecer la corriente de armadura ��. Por lo tanto la corriente de armadura está determinada por el voltaje inducido, la resistencia de la armadura �� y la inductancia de la armadura ��.

�� = �� + �� ∗ �� + �� ∗ �� Tomado de [1] (2-2)

�� = � ∗ �� + ∗ ! + �"#(%) Tomado de [1] (2-3)

En la interacción de �� con el torque de carga, determinando la velocidad del motor, donde J(inercia equivalente) y B (amortiguamiento). De la combinación de carga del motor y ��' es el equivalente al torque de trabajo de la carga.

Figura 2-3 Circuito equivalente de un motor DC Tomado de [1]

Rara vez las maquinas DC son usadas como generadores, sin embargo los motores DC actúan como generadores cuando están frenando, cuando su velocidad ha sido reducida, por lo tanto se debe considerar esta condición. Asumiendo que el flujo �� es mantenido

constante y el motor esta inicialmente manejando la carga a una velocidad de ! .

Para reducir la velocidad del motor, si �� es reducida por debajo de �� como se puede ver en la figura 2-3 entonces la corriente �� ira en dirección contraria, el torque electromagnético también será en dirección opuesta y la energía cinética asociada a la

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carga inercial del motor, es ahora convertida en energía eléctrica por la maquina DC, actuando como generador, esta energía de alguna forma debe ser absorbida por �� o disipada por una resistencia.

Durante la operación de frenado la polarización de �� no ha cambiado, hasta que la dirección de rotación haya cambiado.

Un motor DC, puede ser operado en dos direcciones, hacia un lado y hacia el otro, como podemos ver en la figura 2-4 los cuatro cuadrantes en el plano de torque& velocidad.

Figura 2-4 Operación del motor DC en los cuatro cuadrantes modificado [1]

El movimiento giratorio de los motores DC se basa en el empuje derivado de la repulsión y

atracción entre polos magnéticos. Creando campos constantes convenientemente orientados

estator y rotor, se origina un par de fuerzas que obliga al rotor a girar buscando una la

posición de equilibrio. Por esta interacción las maquinas DC pueden ser tomadas de dos

formas: como sistemas eléctricos las cuales envuelven los conceptos como corriente y

voltaje, o como sistemas mecánicos que abarca los conceptos de Torque y velocidad. Estas

dos formas de uso de los sistemas DC, dan lugar a los modos de operación de los motores

de DC como generador, cuando el conductor se mueve en un campo magnético, el voltaje

es inducido en el conductor. O como maquina cuando el conductor es energizado con

corriente, y es puesto en un campo magnético, este conductor experimenta una fuerza

mecánica, como se puede ver en

Figura 2

Con frecuencia los motores pequeños estas conformados en el interior del estator con imanes permanentes, lo cual hace que éstos mantengan permanentemente magnetizados, produciendo un flujo constante, de igual manera existe otros tipos de motores que ya somas aplicables a la industria y pueden ser controlados de una manera más eficiente, manteniendo el embobinado con un campo de excitación por separado, permitiendo ser trabajados a más caballos de Fuerza y a vel

2.1.3 Conversor ElectrónicoEs importante entender un poco el concepto de ucual tiene la misión de suplir en la parte práctica y en la parte computacional, para el buen entendimiento de este tipo de motores. El conversor electrónico de potencia

1. Permitir ambas, una salida de voltaje yconseguir una operación en los cuatro cuadrantes.

2. Ser capaz de operar en un modo de cmáximo valor aceptable durante aceleración rápida y desaceleración.

3. El voltaje de salida medio del conversor debe variar linealmente con su entrada de control, para obtener un control de posición preciso, del motor.

4. El conversor debe producir una corriente de armadura con un buen factor de fory debe minimizar las fluctuaciones en torque y velocidad del motor.

5. La salida del conversor debe responder tan rápido como sea posible a su entrada de control.

Un amplificador de potencia satisface todos los requerimientos listados anteriormente. Sin embargo, debido a su baja eficiencia de energía, esta opción está limitada a un rango de potencia muy bajo. Por lo tanto, la escogencia debe ser hecha entre conversores modo de switcheo o conversores controlados de línea

en un campo magnético, este conductor experimenta una fuerza

mecánica, como se puede ver en la figura 2-5

Figura 2-5 convenciones del motor DC

Con frecuencia los motores pequeños estas conformados en el interior del estator con imanes permanentes, lo cual hace que éstos mantengan permanentemente magnetizados, produciendo un flujo constante, de igual manera existe otros tipos de motores que ya somas aplicables a la industria y pueden ser controlados de una manera más eficiente,

embobinado con un campo de excitación por separado, permitiendo ser trabajados a más caballos de Fuerza y a velocidades más grandes.

Conversor Electrónico de Potencia ntender un poco el concepto de un conversor electrónico de potencia

la tensión un motor DC, debido a que será de mucha utilidad en la parte práctica y en la parte computacional, para el buen entendimiento de este tipo de motores. El conversor electrónico de potencia debe tener las siguientes capacidades:

ermitir ambas, una salida de voltaje y de corriente en reversa con el fin de conseguir una operación en los cuatro cuadrantes.

er capaz de operar en un modo de corriente controlada manteniéndolamáximo valor aceptable durante aceleración rápida y desaceleración.

l voltaje de salida medio del conversor debe variar linealmente con su entrada de para obtener un control de posición preciso, independientemente de la carga

El conversor debe producir una corriente de armadura con un buen factor de fory debe minimizar las fluctuaciones en torque y velocidad del motor. La salida del conversor debe responder tan rápido como sea posible a su entrada de

Un amplificador de potencia satisface todos los requerimientos listados anteriormente. Sin bargo, debido a su baja eficiencia de energía, esta opción está limitada a un rango de

potencia muy bajo. Por lo tanto, la escogencia debe ser hecha entre conversores modo de switcheo o conversores controlados de línea-frecuencia.

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en un campo magnético, este conductor experimenta una fuerza

Con frecuencia los motores pequeños estas conformados en el interior del estator con imanes permanentes, lo cual hace que éstos mantengan permanentemente magnetizados, produciendo un flujo constante, de igual manera existe otros tipos de motores que ya son mas aplicables a la industria y pueden ser controlados de una manera más eficiente,

embobinado con un campo de excitación por separado, permitiendo ser

n conversor electrónico de potencia, el , debido a que será de mucha utilidad

en la parte práctica y en la parte computacional, para el buen entendimiento de este tipo de debe tener las siguientes capacidades:

de corriente en reversa con el fin de

orriente controlada manteniéndola en su

l voltaje de salida medio del conversor debe variar linealmente con su entrada de independientemente de la carga

El conversor debe producir una corriente de armadura con un buen factor de forma

La salida del conversor debe responder tan rápido como sea posible a su entrada de

Un amplificador de potencia satisface todos los requerimientos listados anteriormente. Sin bargo, debido a su baja eficiencia de energía, esta opción está limitada a un rango de

potencia muy bajo. Por lo tanto, la escogencia debe ser hecha entre conversores DC-DC de

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Un conversores DC-DC de modo de switcheo de puente completo produce una salida DC controlable de cuatro cuadrantes, y es también conocido como Puente H. El sistema completo es mostrado en la figura 2-6, donde la entrada AC de línea-frecuencia es rectificada en DC por medio de un diodo rectificador y filtrada por medio de un capacitor de filtro. Una disipación de energía es incluida en el circuito para prevenir que el voltaje del filtro capacitor se vuelva de gran magnitud en caso de una frenada del motor DC.

Figura 2-6. Controlador servo de motor DC con operación en los cuatro cuadrantes. Tomado de [1]

Como los cuatro switches son conmutables durante cada ciclo, esto garantiza la operación en los cuatro cuadrantes con conducción de corriente Continua. En un esquema como éste de switcheo de voltaje, de un PWM bipolar, o uno de un PWM unipolar pueden ser utilizados.

Existen otros conceptos importantes que pueden ser profundizados en el Mohan[1] y en P.C.Sen[4] como son el Factor de forma para la corriente de la armadura del motor el cual nos ayuda a determinar que tantas perdidas existen en la operación del motor y como es la eficiencia del mismo. Los efectos de la forma de onda de corriente en la armadura lo cual explica el ripple superpuesto en el voltaje deseado. A demás de los controladores de servo DC los controladores de velocidad ajustable.

Para terminar la parte teórica de los motores DC es importante mencionar que las posibilidades de usar motores de corriente continua se han multiplicado, sobre todo en procesos en los que el control y variación de la velocidad resulta imprescindible para el funcionamiento de las maquinas.

En la práctica se usan diversos tipos de motores como entre otros los siguientes:

• Motor de excitación independiente

• Motor de excitación serie

• Motor de excitación derivación (shunt)

• Motor de excitación compuesta(compound)

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• Motor Universal

• Motor de imanes (paso a paso)

• Motores Especiales

Por último se explicara algunas formas de conexión con sus respectivos diagramas y sus principales características, para pasar a la parte computacional.

2.1.4 Variadores de Velocidad La importancia de los motores de corriente continua viene dada principalmente por la posibilidad que tienen de variar su velocidad, conservando otras particularidades del motor, como es por ejemplo el par. El variador electrónico de velocidad permite el control y regulación del motor, llevando el eje del motor a los valores deseados a partir de una dinamo taco métrica incorporada al eje del motor. El problema principal de los motores de corriente continua viene dado por su costo, en el momento de hacer la inversión y por otro lado su necesidad de mantenimiento en lo que a escobillas y colector se refiere. Los motores de corriente continua sin escobillas de tipo brushless han solucionado el mayor problema que se daba en los motores de c.c.

2.1.4.1 Motor con excitación Serie Características Principales:

• Par de arranque muy elevado. • Muy inestable. Tendencia a embalarse. • Imprescindible reóstato de arranque. • Utilizado en tracción eléctrica.

Los esquemas representados corresponden a las conexiones para que el motor suministre los dos giros (izquierda y derecha) que tiene el motor.

Figura 2-7 Motor con excitación Serie tomado de [5]

2.1.4.2 Motor con excitación Independiente Características Principales:

• Par de arranque muy elevado.

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• Características muy similares al motor derivación (shunt) • Motor bastante estable. • Fácil control de su velocidad, de forma automática. • Imprescindible reóstato de arranque. • Utilizado en motores de pequeña, media y gran potencia.

Figura 2-8 Motor con excitación Independiente tomado de [5]

2.1.4.3 Motor con excitación Shunt Características Principales:

• Par de arranque menos elevado que el motor serie • Motor muy estable. • Conviene colocar un reóstato de arranque en el bobinado inducido. • Utilizado en máquinas herramienta por su estabilidad.

Figura 2-9 Motor con excitación Shunt tomado de [5]

2.1.4.4 Motor con excitación Compound (Corta Derivación) Características Principales:

• Buen par de arranque. Mejor que el motor shunt • Motor muy estable. No se embala • Precisa reóstato de arranque • Utilizado en máquinas herramienta y en tracción.

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Figura 2-10 Motor con excitación Compound (Corta Derivación tomado de [5]

2.1.4.5 Motor con Excitación Compound (larga derivación) Otra variante de la conexión compound de un motor. En este caso, el devanado derivación CO, está conectado directamente a la red, mientras que en la conexión anterior el devanado derivación está conectado al polo negativo entre el devanado serie y el polo de conmutación. La intensidad que pasa por ,EF repercutirá en la tensión a que esté sometido el devanado CO y por tanto el flujo producido

Figura 2-11 MOTOR CON EXCITACION COMPOUND Tomado de [5]

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2.2 Parte Computacional

2.2.1 Guía Para Práctica Computacional Variador de Velocidad Motor DC:

Nota: Para la realización de la práctica es necesario tener instalado el software PSCAD.

Las graficas a continuación en la parte computacional son tomadas del programa PSCAD

1. Monte el circuito mostrado en la figura 2-12

Figura 2-12 Esquemático

a. Configure el Motor DC de dos bobinados como se muestra a continuación

De doble clic sobre el icono del motor y configure los parámetros que se muestran a continuación: Voltaje Armadura = 100V, I Armadura = 20A, I Armadura = 2A.

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a. Las Fuentes DC mostradas se deben configurar con los siguientes parámetros.

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Fuente de Voltaje de Excitación = 50V

Fuente de Voltaje de Armadura = 130V

b. Monte el circuito de control como se muestra a continuación:

c. configure los parámetros de la señal triangular como se muestran a continuación:

d. la variable speed ref, se define entre -1 y 1, el comparador se debe definir como comparador de nivel para obtener el PWM

2. Simule el circuito anterior y grafique las corrientes de armadura y de campo, los voltajes de armadura y de campo, las señales de control para los valores de:

- 0 % = -1 - 25% = -0.5 - 50% = 0 - 75% = 0.5 - 100% = 1

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3. calcule y compare los valores obtenidos del voltaje promedio entregado al motor por medio del PWM.

4. Explique brevemente el principio de funcionamiento del control PWM.

2.2.2 Resultados de la parte computacional La Figura 2-13 muestra las señales del sistema de control del Puente H formado por los IGBT’s de control. El principio de control se basa en generar un PWM para variar el voltaje promedio que es entregado al motor, variando de esta manera el voltaje de armadura y por consiguiente su velocidad.

Se genera una señal triangular con una frecuencia de 1000 Hz y amplitud de 1 Vpp. Igualmente una señal de referencia DC que varía entre 1 y -1, en donde 1 representa el 100%, 0 el 50% y -1 el 0%. Esto permite variar la velocidad del motor en un sentido de giro entre el 0% máxima velocidad, 50% motor detenido y 100% máxima velocidad en sentido opuesto.

Figura 2-13 Señal de control de los IGBT’s

La Figura 2-14, muestra el control selector del factor de trabajo deseado, este caso el 25%.

Figura 2-14 Para Factor de trabajo 25% = -0.49

La Figura 2-15 muestra las señales de control para un factor de trabajo del 25%.

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Figura 2-15 Onda triangular manejada por el factor de trabajo al 25%

En la Figura 2-16 se pueden observar el voltaje modulado en la armadura del motor y el voltaje promedio de salida variador de velocidad DC cuatro cuadrantes. En este caso el motor se encontrara girando en un sentido de giro a media velocidad.

Figura 2-16 voltaje promedio del motor


Figura 2-17.Para Factor de trabajo 50% = -0.01

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Como se puede ver cuando el factor de trabajo está al 50% de operación el voltaje promedio de operación es casi cero, por lo tanto el motor permanece quieto, como se puede ver en las figuras 2-18 y 2-19.



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Figura 2-20 Para Factor de trabajo 75% = 0.49



En la Figura 2-22 se pueden observar el voltaje modulado en la armadura del motor y el voltaje promedio de salida variador de velocidad DC cuatro cuadrantes.

En este caso el motor se encontrara girando en el sentido de giro contrario al 25% y a media velocidad


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2.3 Práctica del Laboratorio


INGENIERÍA ELÉCTRICA

ELECTRONICA DE POTENCIA

VARIADOR DE VELOCIDAD PARA UN MOTOR DC

Elaborada por: Ing. Andrés Camilo Morales Palacios

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Elaborada por: Ingeniero Andrés Camilo Morales Palacios

Basado en las Guías LUCAS NULLE

Laboratorio No 001: VARIADOR DE VELOCIDAD PARA UN MOTOR DC

A. Introducción teórica

Fundamentos de los convertidores PWM Los convertidores estáticos de conmutación forzada se utilizan como reguladores de corriente continua y como rectificadores en etapas intermedias de circuitos. Las áreas de aplicación más importantes se encuentran en los accionamientos de corriente continua y trifásica, así en las instalaciones de alimentación de corriente de emergencia. Los convertidores de conmutación forzada constan de válvulas conmutables. Su principal característica es que se pueden conectar o desconectar en cualquier momento. De esta manera, por medio de pulsos de la tensión continua U, se puede regular el valor medio de tensión continua Um2 en función de la carga (véase la imagen).

Figura 1 Curva de Tensión y de Corriente con carga Resistiva- inductiva

Tomado de [7]

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Para la implementación práctica de los circuitos se combinan en especial los siguientes componentes:

• Transistores de efecto de campo (MOSFET)

• IGBT ( Insulated Gate Bipolar Transistor)

• GTO (Gate Turn Off, tiristores conmutables)

• Diodos de potencia

La conversión de corriente continua y de corriente alterna es una aplicación típica de los convertidores de conmutación forzada (véase la imagen).

Figura 2 Tipos Básicos de Convertidores Tomado de [7]

Aquí es posible transferir energía entre dos sistemas de corriente continua o disponer de un sistema de corriente alterna o trifásica a partir de un sistema de corriente continua. Son aquí típicos los troceadores (choppers) de corriente continua diseñados como 1 IGBT (véase la imagen Fig.3) o con 4 IGBTs (véase la imagen Fig.4). Estos forman, por ejemplo, la sección de potencia para el montaje de lazos abiertos y cerrados de accionamientos de corriente continua y cumplen con las tareas del convertidor de corriente continua, esto es, la conversión de sistemas de tensión continua fija en sistemas de tensión continua variable. Para variar la tensión continua se aplican distintos procedimientos de control:

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Figura 3 Regulador de Pulsos de 1 Cuadrante (IGBT Simple) Tomado de [7]

Figura 4 Regulador de Pulsos de 4 Cuadrantes (IGBT cuádruple) Tomado de [7]

• Modulación por ancho de pulso (periodo del pulso T constante y ancho del pulso TE variable)

• Control de la frecuencia de pulsos (ancho TE constante, frecuencia y periodo T variable)

• Control de corriente en dos puntos (se mantiene constante el ancho de oscilación de corriente)

El control de la mayoría de los convertidores modernos es el de modulación por ancho de pulso (PWM), ya que permite generar fácilmente distintos patrones de pulsos. La tensión en el circuito de carga se calcula por medio de las siguientes ecuaciones, de acuerdo con la imagen de la figura 1:

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Es característico que en las cargas combinadas las corrientes estén expresadas por funciones exponenciales crecientes o decrecientes. Cuando la señal ha sido suficientemente alisada, o si se tienen altas frecuencias de pulsos, las corrientes se comportan como ondas triangulares (Fig. 2).

El circuito IGBT cuádruple (Fig. 4) permite la inversión de tensión y corriente, así como el flujo de energía en los dos sentidos. De esta manera se posibilita la inversión de la marcha.

Si el convertidor no tiene pérdidas, la potencia entregada por la fuente y consumida por la carga supone una pérdida igual a:

La estructura del circuito del convertidor de conmutación forzada presentado en la Fig. 4 no sólo permite realizar la conversión de corriente continua, sino que también puede ser utilizada como circuito inversor.

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Los siguientes tipos de operación de los circuitos reguladores de corriente continua son de básica importancia y sus propiedades se pueden estudiar a partir del IGBT y los diodos que los componen.

Operación en cuadrante único con un motor como carga

En el primer cuadrante, el regulador permite la excitación del motor, a través de la válvula V1, con tensión y corriente de sentido positivo. El sentido de giro es positivo. En el estado de bloqueo, la marcha libre se realiza a través de D2. No es posible una realimentación de energía.

Figura 5 Troceador de continua de operación en cuadrante único con un motor como carga

Tomado de [7]

Operación en dos cuadrantes con un motor como carga

La excitación del motor en el primer cuadrante (velocidad de giro positiva) se realiza a través de la combinación de las válvulas V2 y V3 (Fig.6). Cambiando el sentido (válvulas D3, V1 y D2, V4) puede aprovecharse el efecto de acumulación de energía de la bobina para efectuar una realimentación de energía a través de D3 y D2. El sentido de giro permanece positivo (tensión positiva).

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Figura 6 Troceador de continua de operación en dos cuadrantes con un motor como carga

Tomado de [7]

Operación en cuatro cuadrantes con un motor como carga

La excitación del motor en el primer cuadrante (velocidad de giro positiva) se realiza a través de la combinación de las válvulas V2 y V3. Cambiando el sentido (válvulas D3, V1 y D2, V4) puede aprovecharse el efecto de acumulación de energía de la bobina para efectuar una realimentación de energía a través de D3 y D2. El sentido de giro permanece positivo (tensión positiva). La inversión del sentido de giro se efectúa a través de las válvulas V4 y V1 (tercer cuadrante). El cambio de sentido (válvulas V3, D1 y V2, D4) permite la realimentación de energía a través de D1 y D4 con una velocidad de giro negativa. Aquí también juega un papel importante el efecto de acumulación de energía de la bobina.

Figura7 Troceador de continua de operación en cuatro cuadrantes con un motor como carga

Tomado de [7]

33

B. Realización del ensayo

Actividades:

1. Monte el circuito según el esquema presente (Fig. 9) y realice el cableado de los equipos.

Nota: El modo de operación del troceador con modulación por ancho de pulso (PWM) puede ser analizado y entendido de forma clara y cercana a la práctica mediante el software PWMTRAIN.

¡El experimento se realiza con el sistema funcionando en lazo abierto!

Los análisis para el registro de la característica se realizarán, según el diagrama de circuito, como experimento especial, usando la unidad de control analógica. Coloque el selector del modo de operación de la unidad de control en la posición PWM Control H.F. (1800 Hz).

Nota: Trabaje con los preajustes siguientes de los rangos de medición:

Deberá configurar el amplificador diferencial de medida con los siguientes parámetros:

Tabla 1. Selección del amplificador diferencial.

Tensión de Salida (A) 400 Voltios

Corriente de Salida (D) 2,5 Amperios

Shunt 1 8 Ohmios

Shunt 2 1,5 Ohmios

Nota: También es posible realizar las prácticas sin utilizar el ordenador, seleccionando los modos de funcionamiento PWM CONTROL LF. o PWM CONTROL HF. La representación de tensiones, corrientes, valores medios o eficaces, potencias, etc. no es posible en estos modos de funcionamiento.

Para representar las curvas en el osciloscopio deberá ajustar los siguientes parámetros:

CH 1: 1V/DIV, CH 2: 0,2V/DIV, Time: 1ms/DIV, Trigger: HF

• Cargue el conversor de cuatro cuadrantes con el motor DC. Con el software PWMTRAIN registre y analice las señales de las válvulas del variador de velocidad, de la corriente y el voltaje en la entrada al hacer variaciones en el Factor de Trabajo % (variación de la velocidad), tal como se muestra en la figura 8.

34

Fig.8 Conducción de las válvulas y Corrientes y Voltajes del Motor DC Tomado de [7]

Obtenga las curvas de tensión y corriente con un factor de trabajo del 75% En la tabla de datos, marque para cada etapa, las válvulas activas, el signo de la corriente y de la tensión y determine las fases en las que conducen los diodos volantes (FL).

• Registre los datos para los siguientes valores de % 5, 25, 50, 75 y 95.

35

2. Monte el circuito según el esquema presente (Fig. 10 y realice el cableado de los equipos. Realice las siguientes mediciones utilizando el software PWM.

¡El experimento se realiza con el sistema funcionando en lazo abierto!

Los análisis para el registro de la característica se realizarán, según el diagrama de circuito, como experimento especial, usando la unidad de control analógica. Coloque el selector del modo de operación de la unidad de control en la posición PWM Control H.F. (1800 Hz).

Nota: Trabaje con los pre ajustes siguientes de los rangos de medición:

Deberá configurar el amplificador diferencial de medida con los siguientes parámetros:

Tabla 2. Selección del amplificador diferencial.

Tensión de Salida (A) 400 Voltios

Corriente de Salida (D) 2,5 Amperios

Shunt 1 8 Ohmios

Shunt 2 1,5 Ohmios

Nota: También es posible realizar las prácticas sin utilizar el ordenador, seleccionando los modos de funcionamiento PWM CONTROL LF. o PWM CONTROL HF. La representación de tensiones, corrientes, valores medios o eficaces, potencias, etc. no es posible en estos modos de funcionamiento.



36

• Cargue el conversor de cuatro cuadrantes con el motor DC. Con el software PWM registre y analice las señales de corriente y voltaje en la entrada al hacer variaciones en Factor de Trabajo % (variación de la velocidad), tal como se muestra en la figura 9.

Fig.9 Corrientes y Voltajes Control Motor DC Tomado de [7]

• Registre los datos para los siguientes valores de % 5, 25, 50, 75 y 95.

• Registro de la característica de control:

Se debe iniciar el registro de la característica antes de la primera operación con carga, con el transformador desconectado. El LED verde del interruptor RUN/STOP debe iluminarse. Encienda todos los equipos e inicie el registro automático de la función xy. Una vez que el motor haya arrancado, debe girar con una velocidad completamente negativa si se ha

37

elegido correctamente el valor inicial de -100%. En este caso, la unidad de control recibe una tensión de control de 0 V. Luego de iniciada la medición, la tensión de control aumenta automáticamente de (0%) a (50%), hasta alcanzar el (100%) ¡Registre la característica de control n = f ( y)! , en la figura 10.

Fig.10 característica de control n = f ( y)

CONCLUSIONES: Registre en un párrafo sus principales conclusiones

38

Fig. 11 Diagrama de conexiones para análisis de las curvas de corriente y tensión, en operación en cuatro cuadrantes. Tomado de [7]

39

3. Manejo de Motores de Inducción

3.1 Parte Teórica

3.1.1 Introducción Los motores de inducción con rotores de tipo “jaula de ardilla”, son los más utilizados en la industria debido a su bajo costo y fuerte consistencia. Cuando un motor de inducción es operado directamente desde la línea de voltajes (60 Hz de ciclo útil de entrada a voltaje constante), éste opera a velocidad casi constante. Sin embargo, con el uso de conversores electrónicos de potencia, es posible variar la velocidad de un motor de inducción. Los controladores de motores de inducción pueden ser clasificados en dos grandes categorías basadas en sus aplicaciones:

1. Controladores de Velocidad Ajustable: Una aplicación importante de estos controladores se encuentra en el proceso de control: realizan control sobre la velocidad de ventiladores, compresores, bombas, calefactores, entre otros.

2. Servo controladores: Con el fin de realizar controladores sofisticados, los motores de inducción pueden ser utilizados como servo controladores en periféricos de computadores, herramientas de máquinas y robótica.

A continuación se hará énfasis en el comportamiento de los motores de inducción y sobre cómo es posible controlar su velocidad cuando las dinámicas del control de la velocidad deben ser muy rápidas y precisas. Este es el caso de muchas aplicaciones de control de procesos donde los controladores de los motores de inducción son empleados. Como un beneficio adicional, el uso de dichos controladores genera un ahorro de energía.

Si se considera un ejemplo simple de un motor de inducción, que controla una bomba centrífuga, donde el motor y la bomba operan a una velocidad casi constante. Con el fin de reducir la tasa de flujo, la válvula reguladora es parcialmente cerrada. Esto genera una pérdida de energía a través de dicha válvula. La pérdida de energía podría ser evitada si la válvula fuera eliminada y la bomba fuera controlada para operar a una velocidad que generara la tasa de flujo deseada. De esta manera la entrada de potencia disminuye significativamente cuando la velocidad disminuye para reducir la tasa de flujo. Esta disminución en el requerimiento de potencia puede ser calculada si se reconoce que en una bomba centrífuga, Si las eficiencias de energía del motor y de la bomba pueden ser asumidas como constantes, así como su velocidad y sus cambios de carga, entonces la entrada de potencia requerida por el motor de inducción también variará como el cubo de la velocidad. De este modo, en comparación con una válvula reguladora que controle la tasa de flujo, la bomba controlada a velocidades variables puede generar un ahorro de energía significativo, ya que reduce las tasas de flujo a las requeridas por largos períodos de

40

tiempo. Adicionalmente, los sistemas de bombas son diseñados regularmente para generar un margen de flujo de 20-30% sobre los valores máximos de su flujo actual. Por lo tanto, una bomba de velocidad ajustable puede generar un sustancial ahorro de energía. Esta conclusión es válida sólo si es posible ajustar la velocidad del motor de una manera energética eficiente, ya que la eficiencia de la energía asociada con los inversores de electrónica de potencia utilizados para controlar las velocidades de los motores de inducción, es alta sobre amplios rangos de velocidades y cargas.

Contrariamente a las máquinas síncronas empleadas normalmente como generadores, las máquinas asíncronas han encontrado su principal aplicación como motores, debido a la sencillez de su construcción. El motor asíncrono trifásico es hoy el motor usual de accionamiento en todas las redes de distribución.

Un detalle importante relacionado con la variante de motor, es que la transmisión de energía al rotor se puede resolver por inducción, como en un transformador, sin necesidad de entablar contacto físico entre éste y su entorno inmóvil. Esta es la razón por la que a estos motores se les llama también de inducción.

El fundamento del movimiento en las máquinas de corriente alterna son los campos

magnéticos circulares. Si conectamos un juego de bobinas como a una fuente de corriente

alterna trifásica, en el entrehierro se formará un campo magnético giratorio, y si ponemos

una pieza imantada como rotor, ésta girará con él.

La manera de generar el campo magnético del rotor marca la gran diferencia entre

dos tipos: El Síncrono y el Asíncrono.

3.1.2 Principios básicos de la operación de un motor de inducción En muchas aplicaciones, los controladores de los motores de inducción incorporan un motor de jaula de ardilla trifásico. El estator de un motor de inducción consta de embobinados trifásicos distribuidos en las ranuras del estator. Estos tres embobinados están desplazados por 120 grados en espacio, con respecto a cada una. El rotor de jaula de ardilla consta de un conjunto de láminas aisladas. Éste tiene barras conductoras eléctricamente insertadas a través de sí mismo, cerradas a la periferia en la dirección axial, las cuales son eléctricamente cortadas en cada extremo del rotor por medio de anillos finales, produciendo así una estructura con forma de jaula. Esto ilustra también la naturaleza simple, de bajo costo, y fuerte del rotor.

41

El objetivo del análisis siguiente es explicar tan simple como sea posible la interacción entre el motor de inducción y el conversor de electrónica de potencia. Así, los detalles de proporcionalidades entre varias variables del motor son: expresadas como () (donde el

subíndice * es asignado a valores numéricos arbitrarios). Adicionalmente, se asume que el motor opera sin ninguna saturación magnética.

Si un set balanceado de voltajes sinusoidales trifásicos a una frecuencia + = !/2- son aplicados al estator, se produce un set de corrientes balanceadas, las cuales establecen una distribución de densidad de flujo �. en el espacio de aire, con amplitud constante, la cual

rota con una velocidad constante, también conocida como velocidad síncrona, de !� radianes por segundo.

La velocidad síncrona en un motor de p-polos, al cual se le suministra una frecuencia +, puede ser obtenida como:

!� = /0/(1//)2/� = /

1 (2-+) = /1 ! 3��

� 4 (3 − 1) Tomado de [1]

La cual es sincronizada con la frecuencia + de los voltajes y las corrientes aplicados a los embobinados del estator. En términos de revoluciones por minuto (rpm), la velocidad síncrona es:

8� = 60 × <=/0 = 2/>

1 + (3 − 2) Tomado de [1]

El flujo del espacio de aire ∅�. (debido a la distribución de densidad de flujo �.), rota a

una velocidad síncrona relativa a los embobinados estacionarios del estator. Como una consecuencia, una fuerza electromagnética, también conocida como el voltaje de espacio de aire @�., es inducida en cada una de las fases del estator a una frecuencia +. Esto se puede

ilustrar más fácilmente por medio del circuito equivalente por fases que se muestra en la figura 3-1.a. donde A� es el voltaje por fase (igual al voltaje rms línea-línea B'' dividido

entre √3) y D�. es el voltaje de espacio de aire. Aquí �� es la resistencia del embobinado

del estator y �� es la inductancia de fuga en el embobinado del estator.

El componente magnetizador E de la corriente del estator E� establece el flujo del espacio de aire. Según el análisis de circuitos, se puede ver que:

F�∅�. = �� (3 − 3) Tomado de [1]

Donde F� es un número equivalente de vueltas por fase del embobinado del estator y � es la inductancia de magnetización mostrada en la figura 3-1.a.

De la ley de Faraday se tiene que:

42

��. = F�!∅�. cos !% (3 − 4) Tomado de [1]

El cual tiene un valor rms de

@�. = (K+∅�. (3 − 5) Tomado de [1]

Donde (K es una constante.

Figura 3-1. Representación por fase: a) Circuito equivalente; b) Diagrama fasorial.

El torque en un motor de inducción es producido por la interacción entre el flujo del espacio de aire y las corrientes del rotor. Si el rotor gira a una velocidad síncrona, no habrá movimiento relativo entre ∅�. y el rotor, y por lo tanto no habrán voltajes de rotor

inducidos, corrientes de rotor, ni torques. En cualquier otra velocidad !� del rotor en la misma dirección de la rotación del flujo del espacio de aire, el motor se encuentra “deslizamiento” con respecto al flujo del espacio de aire, en una velocidad relativa denominada !�#, donde:

!�# = !� − !� (3 − 6) Tomado de [1]

La velocidad de deslizamiento, normalizada por la velocidad síncrona, es llamada la “deslizamiento” M:

N�MO�PQR��8%S M = T�#UV�� W��#�X��Y�UT�#UV�� íYV�UY� = <=[<\

<= (3 − 7) Tomado de [1]

La magnitud de @, de este voltaje de frecuencia de deslizamiento que es inducido en cualquiera de los conductores del rotor, puede ser obtenido de una manera similar a los voltajes inducidos en las fases del estator. El mismo flujo del espacio de aire ∅�. une los

conductores del rotor, como aquel que une los embobinados del estator. Sin embargo, la distribución de densidad del flujo en el espacio de aire, rota a una velocidad de deslizamiento !�# con respecto a los conductores del rotor. Por lo tanto, la fuerza electromagnética inducida @� en los conductores del rotor puede ser obtenida reemplazando

43

+ por la frecuencia de deslizamiento +�#. Asumiendo la representación del rotor de jaula de ardilla como un embobinado corto circuitado en las tres fases.

Como el embobinado del rotor de jaula de ardilla está corto circuitado por los anillos finales, estos voltajes inducidos a una frecuencia de deslizamiento conllevan a corrientes de rotor �̂ a la frecuencia de deslizamiento +�#:

D� = ��E� + *2-+�#�#�E� (3 − 8) Tomado de [1]

Donde �� y �#� son la resistencia y la inductancia de fuga del embobinado del rotor equivalente por fase. Las corrientes del rotor de frecuencia de deslizamiento producen una campo que rota a una velocidad de deslizamiento con respecto al rotor y, por lo tanto, a una velocidad síncrona con respecto al estator (debido a que !�# + !� = !�). La interacción de ∅�. y el campo producido por las corrientes del rotor, generan un torque electromagnético.

Las pérdidas en la resistencia del embobinado del rotor son:

�̀ = 3�� ̂/ (3 − 9) Tomado de [1]

La potencia que cruza el espacio de aire, llamada la potencia del espacio de aire �̀. es:

�̀. = 3 ��=b

�� ̂/ (3 − 10) Tomado de [1]

La potencia electromecánica �̀ se calcula como:

�̀ = �̀. − �̀ = 3��[�=b

�=b �̂/ c �� = def<\

(3 − 11) Modificado de [1]

Por tanto :

�� = dgh<=

(3 − 12) Tomado de [1]

En el circuito equivalente de la figura 3-1a, son mostradas las pérdidas en la resistencia del rotor y la potencia electromecánica por fase.

La corriente total E� producida por el estator es la suma de la corriente de magnetización E y la corriente del rotor equivalente E� (E� es la componente de la corriente del estator que cancela las vueltas amperimétricas producidas por la corriente de rotor actual):

E� = E + E� (3 − 13) Tomado de [1]

El diagrama fasorial para los voltajes y corrientes del estator se muestra en la figura 3-1b.

44

Por último la relación de la pérdida de potencia en el rotor con la potencia de salida electromecánica �̀ es

% �̀ = d\def

= �=b�[�=b

(3 − 14) Tomado de [1]

Es posible derivar importantes observaciones de las relaciones obtenidas anteriormente:

1. La velocidad síncrona puede ser variada si la frecuencia + de los voltajes aplicados varía.

2. Excepto para bajos valores de frecuencia. El porcentaje de pérdida de potencia en la resistencia del motor es pequeña, dado que +�# es pequeña. Por lo tanto, en estado estable, la frecuencia de deslizamiento +�# no debe exceder su tasa nominal (correspondiente a la operación del motor en las condiciones nominales listadas en su placa de especificaciones).

3. Para una +�# pequeña, excepto para valores bajos de +, el deslizamiento M es pequeño y la velocidad del motor varía casi linealmente con la frecuencia + de los voltajes aplicados.

4. Para que la capacidad del torque sea igual al torque nominal en cualquier frecuencia, ∅�. debe ser mantenido constante e igual a su valor nominal. Esto

requiere que B� varíe proporcionalmente con +. 5. Como �̂ es proporcional a +�#, para restringir la corriente del motor �̂ de exceder su

valor nominal, la frecuencia de deslizamiento en estado estable +�# no debe exceder su valor nominal.

De acuerdo con las observaciones anteriores, es posible concluir que la velocidad del motor puede ser variada, controlando la frecuencia aplicada +, y el flujo del espacio de aire debe ser mantenido constante en su valor nominal, controlando la magnitud de los voltajes aplicados en proporción a +. Si un motor de inducción es controlado de ésta manera, entonces será capaz de entregar su torque nominal mientras +�#, �̂, �̂, y las pérdidas porcentuales en el circuito del rotor, todos permanecen dentro de sus respectivos valores nominales.

Después de haber entendido un poco del principio de los motores asíncronos, es mejor ver la aplicación en la parte computacional y la parte práctica del laboratorio para poder lograr mejor su entendimiento, de igual manera se recomienda referirse al material de consulta para profundizar más sobre el tema, referirse al Mohan [1] al libro de Chester [3] donde se encuentran explicados a la minucia los sistemas de control aplicados a este tipo de motores.

45

3.2 Parte computacional

3.2.1 Guía Para Práctica Computacional Variador de

Velocidad Motor Asíncrono AC:



1. Monte el circuito mostrado en la figura 001.

Figura 001 Diagrama

a. Configure el Motor Asíncrono AC Jaula de Ardilla como se muestra a continuación

De doble clic sobre el icono del motor y configure los parámetros que se muestran a continuación: Voltaje LL rms = 0.230 kV, I rms = 0.88 kA, Frecuencia angular (2*pi*f) = 376.991118 [rad/s].

46

e. La Fuente AC mostrada y el transformador se deben configurar con los siguientes parámetros.

47

Fuente de Voltaje de AC trifásica = 11 kV / 60Hz

Relación de Voltajes del Transformador = 11 kV/ 0.440 kV

f. Monte el circuito de control como se muestra a continuación:

48

g. Configure los parámetros de la señal seno y la señal triangular como se muestran a continuación:

2. Simule el circuito anterior y grafique las corrientes de entrada de la fuente AC y de salida al motor, los voltajes de la fuente AC, DC del rectificador y de las fases A, B y C del inversor, las señales de control y de PWM para cada uno de los IGBT’s.

3. Obtenga el THD de Corriente y de Voltaje en la entrada de la fuente AC

49


3.2.2 Resultados de la parte computacional

La Figura A muestra las señales del sistema de control del variador de velocidad formado por los

IGBT’s. El principio de control se basa en generar un PWM que oscila entre Vd y -Vd y el cual tiene

como armónico fundamental una señal senoidal de 60 Hz.

Para esto se genera una señal triangular con una frecuencia de 900 Hz y amplitud de 1 Vpp. La

frecuencia de 900 Hz se debe al factor de frecuencia mf=15 y un factor de amplitud ma=0.8.

Igualmente se genera una señal de control senoidal a 60 Hz y una amplitud de 1Vpp. Las dos

señales se comparan y de esta forma se genera un PWM modulado con una frecuencia armónica

fundamental senoidal de 60 Hz.

Figura A. Control de los IGBT’s

50

La Figura B muestra las señales del rectificador AC/DC de 6 pulsos.

Figura B. Señales Rectificador 6 pulsos

La fig. C muestra las señales de control: la señal triangular de 900 Hz y la señal senoidal de 60 Hz.

Figura C. Señal de Control

La Figura D, corresponde a la señal de PWM del IGBT PWMAP. la cual es negada y inyectada en el

IGBT PWMAN.

Figura D. Señal de Control de PWM de IGBT

La Figura E muestra la señal AC de 60 Hz obtenida en la salida del inversor AC/DC.

Figura E. Voltaje Fase A Inversor

51

En la Figura F se observa el voltaje RMS entregado al motor.

Figura F. Voltaje RMS Motor

La Figura G corresponde a la correinte en la fase A del motor. Corriente Motor (kA)

Figura G. Corriente Motor (kA)

La Figura H muestra los datos de potencias del motor (Real y Reactiva), Torque mecánico y de entrada y la velocidad del motor en p.u.

Figura H. Datos del Motor.

52

3.3 Parte Práctica del Laboratorio




VARIADOR DE VELOCIDAD PARA UN MOTOR AC DE INDUCCION


53




Laboratorio No 002: VARIADOR DE VELOCIDAD PARA UN MOTOR

AC DE INDUCCION

A. Introducción

El motor asíncrono trifásico con rotor de jaula de ardilla es una máquina que no necesita casi

ningún mantenimiento, ya que no consta de partes que hagan contacto con el eje giratorio y

puedan desgastarse por rozamiento El accionamiento se produce por un campo de excitación

rotatorio que hace girar al rotor con un determinado deslizamiento, el cual determina activamente

la velocidad de giro generada.

La velocidad de giro del motor asíncrono, con un grado de eficiencia alto, se puede ajustar a través

de un convertidor de frecuencia de forma prácticamente independiente de la carga.

Gracias a la tecnología actual, el volumen de circuitos eléctricos del convertidor de frecuencia es

apenas mayor que el de un variador de potencia trifásico.

¡En todos los experimentos con alimentación de la red se presentan elevadas tensiones que

conllevan peligro de muerte. Por esta razón, siempre se deben emplear únicamente cables de

medición de seguridad y observar que nunca se produzcan cortocircuitos!

Compruebe el cableado en los módulos de aplicación antes de conectar la alimentación de la red.

Si es posible, utilice un instrumento de control robusto (analógico) en el circuito de corriente.

54

B. Objetivos del ensayo

El estudiante deberá:

• Cablear correctamente el accionamiento

• Poner a funcionar el convertidor de frecuencia

• Estudiar la tensión de salida en diferentes modos operativos

• Conocer la característica U/f (Voltaje/Frecuencia)

C. Tareas:

• Montaje del accionamiento de acuerdo con el diagrama de circuito

• Configuración del programa de entrenamiento y medición FC-Train

• Funcionamiento del convertidor de frecuencia en los modos denominados por bloque y sinusoidal

• Variación de la característica de control para una potencia de salida constante

D. Puesta en servicio:

El cableado del motor se encuentra conectado en triángulo. Las curvas características del motor

asíncrono de Éstas representan diferentes magnitudes de medida en función de la velocidad de

giro del motor. Con esta finalidad, la velocidad de giro del motor se regula por etapas en el módulo

de carga.

El programa de entrenamiento “SO6001-1R FC-Train” ilustra el mando del motor a través del

convertidor de frecuencia en dos modos de operación diferentes (por bloques o sinusoidal) y sirve

para el ajuste de la red artificial de frecuencia y amplitud variables para las mediciones ASMA con

frecuencias síncronas diferentes.

E. Realización del ensayo

Monte el circuito según el esquema de la Fig.1. y realice el cableado de los equipos. Conecte la

unidad de control universal mediante el puerto RS-232 con el regulador de de corriente continua a

través del PC (Software FC-Train)

Nota: También es posible realizar las prácticas sin utilizar el ordenador, seleccionando los modos

de funcionamiento PWM CONTROL LF. o PWM CONTROL HF



1. Parte 1:

55

Cablee el accionamiento según se muestra en la imagen de la figura 1, y emplee amperímetro

analógico SO5127-1L como instrumento de control.

Fig. 1. Diagrama de conexiones para análisis de las curvas de corriente y tensión del inversor DC/AC trifásico.

Tomado de [7]

56

El programa "FC-Train" ilustra el principio de trabajo de un convertidor de frecuencia como mando

de un motor asíncrono. Un esquema de conexiones situado en la mitad derecha de la pantalla

muestra el sistema de interruptores del convertidor. El color de un interruptor indica su estado de

conexión: de color: conectado, negro: desconectado.

En la mitad izquierda están indicadas las tensiones suministradas U1, U2 y U3 que corresponden a

las fases de salida L1, L2 y L3 a lo largo de un periodo, debajo se encuentran las tensiones entre

fases resultantes (en conexión triángulo) U12, U23 y U31

En este diagrama de tiempo-tensión puede seleccionarse un momento determinado, y con ayuda

del ratón puede insertarse una línea vertical que muestre claramente el estado de conexión en

dicho momento.

(¡La representación en la mitad izquierda de la pantalla requiere por lo menos una resolución de

800x600!).

Las frecuencias de operación para el mando del convertidor de IGBTs, con panel distribuidor, están

predeterminadas en el sistema como frecuencias fijas de la secuencia 50 Hz / n (n = 1,2,3...,13).

Éstas se pueden ajustar en el indicador "f/Hz" que se encuentra en la parte superior de la ventana.

A la derecha del indicador de frecuencia se encuentra el interruptor on/off del convertidor de

frecuencia.

El motor conectado está dimensionado para un funcionamiento con 50 Hz. Los datos operativos

teóricos permiten aprovechar por completo la densidad de flujo del hierro. Si se reduce la

frecuencia de operación, se debe reducir en igual medida la tensión de salida del convertidor para

alcanzar la misma densidad de flujo en el hierro.

Básicamente, de esta regulación resulta una relación lineal entre la tensión de salida y la

frecuencia generada. En el caso ideal, con una frecuencia cero se debería tener también una

tensión cero. Para compensar las pérdidas en el devanado de la máquina, con 0 Hz (motor parado)

queda una tensión residual que en "FC-Train", de manera estándar, corresponde a un 10% del

flujo total (esto es, 50 Hz) pero que se puede ajustar con el ratón, como todas las amplitudes de

las frecuencias generadas.

1.1. Esquema de pulsos del modo de operación por bloques

Inicie el programa de entrenamiento "FC-Train". En el diagrama de tiempo del lado izquierdo se

representan las curvas de las tensiones de salida que alimentan al motor asíncrono. La ventana de

frecuencia debe estar en "50". Seleccione el menú Ver | Esquema del circuitos (estándar al

reiniciar el programa).

En el menú Ajustes | Predeterminados escoja el modo de operación por bloques. Un bloque está

compuesto de varios pulsos de ancho máximo, equivalentes a un bloque continuo. La parte

inferior del diagrama de tiempo muestra las tensiones entre fases de la conexión en triángulo.

57

Haga un clic con el ratón sobre un lugar cualquiera del campo y compare el estado de los

interruptores en el lado derecho, con las tensiones U1, U2 y U3, en el momento seleccionado. Con

los dos botones situados en la parte superior derecha de la ventana se puede mover el cursor

vertical en pequeños pasos hacia adelante y hacia atrás. Realice el seguimiento de los cambios en

el estado de los interruptores del convertidor.

Fig. 2 Esquema del estado del convertidor de frecuencia en modo por bloques Tomado de [7]

• Diga qué duración tienen los bloques y qué duración tienen los pulsos individuales de las tensiones de fase U1, U2 y U3:

� Duración de los bloques ____________ Duración de los pulsos ____________

• Por el contrario, los bloques de las tensiones entre fases tienen una duración de:

� Duración de los bloques ____________

• En el modo de operación por bloques, por cada periodo se puede observar una secuencia de 6 estados de conmutación en el grupo de interruptores del convertidor, los cuales, en el diagrama de tiempo, están limitados por líneas discontinuas verticales. Escriba en la Tabla 1. la secuencia de estados de conmutación de las tensiones de fase como combinaciones de 0 y 1

0: Uk = 0

58

1: Uk = Tensión del circuito intermedio (tensión de alimentación de los interruptores del

convertidor)

Tabla 1. Secuencia de Estados de Conmutación

• De las 8 posibles combinaciones triples de ceros y unos, dos no se utilizan. ¿Cuáles son y qué significan para las tensiones entre fases?

� Las combinaciones faltantes son ____________, lo cual significa que las tensiones entre fase tienen un valor de ____________.

• Repita la representación del diagrama de tiempo con 25 Hz y diga qué variación se produce en el patrón de pulsos:

• ¿Qué significa la variación del patrón de pulsos (ciclo de trabajo) para la tensión de salida?

• Defina el tipo de modulación usada: _____________________________.

1.2. Control en el modo de operación sinusoidal

59

Con 50 Hz, seleccione en el menú Ajustes | Predeterminados el modo de operación sinusoidal, y

compare la variación de los pulsos individuales frente al modo de operación por bloques para la

misma frecuencia.

Fig. 3 Diagramas de estado en función del tiempo del convertidor de frecuencia en el modo

sinusoidal. Tomado de [7]

• Describa como se forman las ondas de forma sinusoidal.

1.3. Funcionamiento como convertidor: Característica U/f

Ajuste la frecuencia a "25 Hz", y retorne al modo de operación en "bloques". En el menú Ver,

active la opción Característica U/f, con lo que la parte derecha de la ventana con los interruptores

del convertidor quedará reemplazada por la característica U/f.

60

Los cuadrados negros que se encuentran sobre la recta corresponden a las frecuencias que se

pueden seleccionar y cuyas amplitudes se pueden cambiar con el ratón, desplazando los

cuadrados verticalmente. La frecuencia seleccionada en la ventana correspondiente se indicada

por medio de una línea vertical.

Fig 4 Característica lineal U/f. Los cuadrados negros se pueden mover con el ratón. Tomado de [7]

• Dirija el ratón a la marca de la tensión de salida de 25 Hz sobre la característica U/f. Cuando aparezca la doble flecha al lado del cursor, podrá desplazar el cuadrado negro como desee, manteniendo pulsado el botón izquierdo del ratón, hasta que lo suelte.

El ciclo de trabajo prefijado en 25 Hz es aproximadamente de 55%

En 25 Hz, cambie la amplitud a "100%" y observe (suelte el botón del ratón) el diagrama de tiempo

en la mitad izquierda de la ventana

� El ciclo de trabajo cambia a aproximadamente a ____________ . Cambie la tensión de salida a "5%" y observe nuevamente el patrón de pulsos.

� El ciclo de trabajo cambia a aproximadamente a _____________. Regrese la tensión de salida a su valor inicial.

Con el desplazamiento punto a punto se puede conseguir cualquier característica curvada.

61

La característica puede ser calculada nuevamente como una función lineal para un valor de

aumento modificado (Ajustes | Predeterminados | Característica U/f).

2. Parte 2:

Cablee el accionamiento según se muestra en la imagen de la figura 4,

Fig. 5. Diagrama de conexiones para análisis del variador de frecuencia Tomado de [7].

62

Indicaciones generales sobre la manipulación de los equipos

• Compruebe la correcta fijación de los tornillos moleteados en la base del motor y del manguito de acoplamiento (power grip) en el eje del motor.

• Utilice las cubiertas para el eje y el acoplamiento.

• El funcionamiento demasiado prolongado de las máquinas en condiciones de carga elevada conduce a un notorio calentamiento de las mismas.

• El caso extremo, es decir, la detención de la máquina, sólo debe producirse por un breve espacio de tiempo.

• Todas las máquinas están provistas de interruptores térmicos que se activan si se rebasa la temperatura de servicio tolerable. Estos contactos de conmutación tienen salida en la regleta de bornes y siempre deben conectarse a los correspondientes clavijeros de conexión de la fuente de alimentación o de la unidad de control.

• Todos los valores de medición se registraron con aparatos de medición habituales (en su mayoría de la clase 1,5) con la tensión de red habitual (230/400V +5% -10% 50Hz) y con máquinas de fabricación en serie. Por eso, empíricamente, los valores de medición registrados oscilarán dentro de un margen de tolerancia de +/-15% con respecto al valor de medición indicado. Obsérvese también la norma VDE0530.

2.1. Determinación de los datos más importantes del Accionamiento

Para la correcta parametrización del convertidor de frecuencia, en primer lugar, se deben conocer

los datos más importantes del motor y del convertidor de frecuencia.

¿Para qué tensión de entrada máxima ha sido diseñado el convertidor de frecuencia?

¿Qué valor tiene la tensión máxima de salida del convertidor?

• Anote a continuación los datos nominales del motor asíncrono: � Potencia nominal ______________W � UN conexión estrella ___________V � UN conexión triángulo __________V � IN conexión estrella ____________A � IN conexión triángulo ___________A � Cos φ ________________________ � Velocidad de giro ______________rpm � Frecuencia ___________________Hz � Ue= _________________________V � Ua= _________________________V

• Tomando en cuenta los datos anteriores, explique en qué configuración se debe conectar el motor.

� Delta � Estrella

63

• Calcule el par nominal del motor según la siguiente fórmula:

• ¿Cuál es el valor del par nominal del motor?

MN = _____________________Nm

2.2. Control de las configuraciones básicas

Verifique con el teclado numérico los parámetros de la siguiente lista. Anote los valores actuales

de los parámetros en la columna derecha y compárelos con los valores escritos entre paréntesis.

• C0005 Configuración fija de señales analógicas de entrada (0) ____

• C0007 Configuración fija de entradas digitales (0) ____

• C0008 Configuración fija de salida de relé K1 (1) ____

• C0010 Frecuencia mínima de salida (0.00) ____

• C0011 Frecuencia máxima de salida (50.00) ____

• C0012 Valor principal de consigna del tiempo de aceleración (5.00) ____

• C0013 Valor de consigna del tiempo de desaceleración (5.00) ____

• C0014 Modo de operación (2) ____

• C0015 Frecuencia nominal U/f (50.00) ____

• C0016 Aumento de la velocidd de giro (0-10%) ____%

• C0017 Umbral de respuesta Qmín (0.00) ____

• C0018 Frecuencia de conmutación (2) ____

• C0019 Umbral de respuesta Auto-DCB (0.10) ____

• C0021 Compensación del deslizamiento (0) ____

• C0022 Límite Imáx (motor) (150) ____

• C0023 Límite Imáx (generador) (150) ____

Nota: Con el Manual de Instrucciones del convertidor de frecuencia determine el significado de

los parámetros.

2.3. Puesta en servicio

Inserte el puente que habilita el convertidor de frecuencia (puente entre 20 y 28). Gire el

potenciómetro hacia la derecha, el motor empieza a girar.

• ¿Cuál es el sentido de giro y qué frecuencia máxima tiene el motor?

64

o El motor gira hacia la derecha. La frecuencia máxima es de 100 Hz. o El motor gira hacia la izquierda. La frecuencia máxima es de 25 Hz. o El motor gira hacia la izquierda. La frecuencia máxima es de 50 Hz. o El motor gira hacia la derecha. La frecuencia máxima es de 25 Hz.

• Compare el valor con el ajuste presente en C0011. ¿A qué se debe la discrepancia? (Para ello, mida también la tensión máxima de consigna)

o En la posición codificada como C0011 se lee un valor de 50.0 Hz. Dado que, no obstante, el valor análogo de consigna sólo llega a un máximo de 5V, sólo se puede alcanzar aproximadamente la mitad de la velocidad de giro máxima (C0011)

o A saber, en la posición codificada como C0011 se lee un valor de 50.0Hz, pero éste siempre se debe dividir por el número de pares polares (en el caso de la máquina empleada =>2). El valor de consigna analógico de máximo 5V es perfectamente suficiente para alcanzar la máxima velocidad de giro.

Ahora, cambie el parámetro C0011 a 200,0

• ¿Qué velocidad se alcanza? o 50 o 400 o 200 o 100

• Gire el potenciómetro hasta el tope izquierdo y conecte alternadamente las siguientes combinaciones

• Al mismo tiempo, determine la frecuencia del convertidor y la velocidad del motor

Primera Combinación: Conecte sólo E1

Frecuencia _________________Hz.

Velocidad _________________rpm

Segunda Combinación: Conecte sólo E2

Frecuencia _________________Hz.


Tercera Combinación Conecte E1 y E2

Frecuencia _________________Hz.


65

• Conecte adicionalmente a E1 y E2 la entrada E4. ¿Qué observa? o El motor gira más rápidamente. o El motor cambia de sentido de giro.

• Conecte ahora adicionalmente E3. ¿Qué observa? o No se observa ningún cambio. o El motor se frena rápidamente. o El frenado se realiza por medio de un freno denominado trifásico(TPB. “Three-Phase-

Break”) o El frenado se realiza por medio de un freno denominado de corriente continua (DCB, “DC-

Break”)

2.4. Frenado reostático en presencia de cargas con grandes pares de inercia

En cargas con grandes pares de inercia, para el frenado del motor se debe realimentar energía a la

red, o convertirla en calor mediante una resistencia de frenado. En accionamientos de potencia

pequeña la resistencia de frenado es la alternativa más económica.

Con una masa volante se puede ilustrar mejor la influencia de la resistencia de frenado.

NOTA: LA MEDICION DEL VOLTAJE DEBE HACERSE SOBRE LA RESISTENCIA DE FRENADO,

CONECTANDO ESTA EN PARALELO AL MEDIDOR DE VOLTAJE DEL SERVOFRENO.

• Aplicando el freno, registre con el software DYNAMA el cambio de sentido de giro

• Realice la medición con una frecuencia de 50Hz

• Trace las curvas para un tiempo de desaceleración (C0013) de 5 s

• Use la masa móvil como máquina de carga

• Aumente el par de inercia a 5%

• Mida la tensión en la resistencia de frenado

• Ajuste 10 s como tiempo de medición en línea

• Para el disparo realice los siguientes ajustes:

• Variable del disparo:

• Velocidad (0 rpm)

• Flanco: negativo

• Predisparo: 50%

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Fig. 6 Velocidad y par para los tiempos de aceleración y desaceleración de 5 s; masa volante

Repita la medición con un tiempo de aceleración de 10 y 20 segundos y registre los resultados.

• ¿Qué influencia ejerce el tiempo de rampa sobre la tensión en la resistencia de frenado? o Mientras más largo sea el tiempo de rampa, menor será el valor de la tensión en la

resistencia de frenado. Dado que la potencia es proporcional al cuadrado de la tensión, mayor será la cresta de la potencia de frenado mientras menor sea el tiempo de rampa.

o Mientras más largo sea el tiempo de rampa, menor será el valor de la tensión en la resistencia de frenado. Dado que la potencia es proporcional al cuadrado de la tensión, mayor será la cresta de la potencia de frenado mientras mayor sea el tiempo de rampa.


67

4. Manejo de Motores de Síncronos

4.1 Parte Teórica

No es el más popular en nuestro entorno, pero sí el más asequible en el sentido de que es

fácil entender su comportamiento. Se trata de una máquina en la que el rotor presenta polos

magnéticos constantes, que pueden provenir incluso de imanes permanentes.

Tomado de [3]

Es evidente que este tipo de motor, y de ahí su nombre, gira a una velocidad que

coincide exactamente con un submúltiplo de la frecuencia de la red que lo alimenta. El

reverso del motor síncrono, el alternador, es el alma Mater de los dispositivos generadores

de energía eléctrica.

4.1 Introducción Los motores síncronos son empelados como controladores servo en aplicaciones como equipos periféricos de computadores, robótica, y controladores de velocidad ajustable en una variedad de aplicaciones como bombas de calor de capacidad modulada y de carga proporcional, grandes ventiladores y compresores. En aplicaciones de potencia bajas, hasta unos pocos kilowatios, son utilizados los motores síncronos de imán permanente (figura 4-1a). Este tipo de motores son conocidos como motores “brushless DC” o motores conmutados electrónicamente. Los motores síncronos con campo de rotor enrollado son utilizados en aplicaciones de potencia de gran magnitud (figura 4-1b).

68

Figura 4-1. Estructura de un motor síncrono: a) rotor de imán permanente (de dos polos); b) rotor enrollado de polo saliente (de dos polos). Tomado de [3]

4.1.2 Forma básica de operación de motores síncronos Los embobinados del campo del rotor producen un flujo ∅� en el espacio de aire. Este flujo

rota a una velocidad síncrona !� rad/s, la cual es la misma que la velocidad del rotor. El flujo ∅�� que une una fase de los embobinados del estator, por ejemplo la fase Q, varía

senoidalmente con el tiempo:

∅��(%) = ∅� sin !% (4 − 1) Tomado de [1]

Donde

! = 2-+ = 1/ !� (4 − 2) Tomado de [1]

Y l es el número de polos del motor. Si se asume que F� es un número equivalente de vueltas en cada fase de los embobinados del estator, la fuerza electromagnética �R+ inducida en la fase Q es:

��(%) = F��∅mg

�� = !F�∅� cos !% (4 − 3) Tomado de [1]

De acuerdo con la convención normal, las amplitudes de los fasores del voltaje y de la corriente son representados por sus valores RMS; las amplitudes de los fasores del flujo son representadas por sus valores pico. Siendo senoidal con el tiempo, �� y ∅�� pueden ser

representados como fasores cuando !% = 0, donde D�� = @�� es el fasor de referencia en la

figura 4-2 y de la ecuación 4-1

En controladores de motores síncronos, el estator es alimentado con un set de corrientes trifásicas balanceadas, cuya frecuencia es controlada para ser +, los cual es:

+ = 1n0 !� (4 − 4 ) Tomado de [1]

Las componentes de la frecuencia fundamental de estas corrientes del estator producen un flujo de amplitud constante ∅� en el espacio de aire, el cual rota a la velocidad síncrona !�. La amplitud de ∅� es proporcional a las amplitudes de las componentes de la frecuencia fundamental en las corrientes del estator.

Asumiendo que la componente fundamental de la corriente de alimentación a la fase Q del estator es:

��(%) = √2^� sin(!% + o) (4 − 5) Tomado de [1]

69

Lo que genera

��(%) = √2!��^� sin(!% + o) (4 − 6) Tomado de [1]

El flujo del espacio de aire resultante ∅�.,�(%) que une la fase Q del estator está definido

como:

∅�.,�(%) = ∅��(%) + ∅��(%) (4 − 7) Tomado de [1]

El cual puede ser representado como un fasor,

∅qr,q = ∅sq + ∅tq (4 − 8) Tomado de [1]

El voltaje del espacio de aire ��.,�(%) debido al flujo del espacio de aire resultante que une

la fase Q es:

��(%) = F��∅gh,g

�� = ��(%) + ��(%) (4 − 9) Tomado de [1]

Por tanto :

D�.,� = D�� + D�� = D�� + *!��E� (4 − 10) Tomado de [1]

Todos estos fasores son dibujados en la figura 4-2a. Basados en el diagrama de fasores, un circuito por fase equivalente de un motor síncrono es mostrado en la figura 4-2b, donde �� y �#� son la resistencia del estator embobinado y la inductancia de fuga, respectivamente. Incluyendo la caída de voltaje a través de �� y �#� el voltaje terminal por fase, en la fase Q es

A� = D�.,� + (�� + *!��)E� (4 − 11)

Figura 4-2. Representación por fase: a) diagrama de fasores, b) circuito equivalente; c) voltaje terminal. Tomado de [1]

70

la potencia eléctrica que es convertida en potencia mecánica �̀ es:

�̀ = 3@��^� cos(o − -/2) c �� = def<=

(4 − 12) Tomado de [1]

En el diagrama fasorial de la figura 4-2c, E� le lleva la delantera a A�. Esta operación de factor de potencia en adelanto es requerida si el motor síncrono está alimentado por un controlador donde la corriente que fluye a través de los tiristores inversores es conmutada por los voltajes del motor síncrono.

Un ángulo de torque o igual a 90° , genera un desacoplamiento entre el flujo de campo ∅�

y el campo debido a las corrientes del estator, el cual es importante en controladores servos de alto desempeño.

El diagrama fasorial correspondiente a o = 90° es mostrado en la figura 4-3, donde E� debe estar en adelanto con respecto a ∅sq por 90°. Esta condición para los controladores servo

implica que la corriente �� debe volverse la máxima positiva, !% = 90° ó % = 30/4 31

/4 !�

segundos, antes que ∅�� alcance su valor máximo positivo. Otra observación sobre el

diagrama de fasores de un controlador servo es que E� está bajo un factor de potencia en atraso. Por lo tanto, el inversor del controlador debe contar con switches auto controlados.

Figura 4-3. Diagrama fasorial con o = 90°. Tomado de [1]

En el análisis anterior, la notabilidad del rotor fue ignorada. El efecto de dicha notabilidad no puede ser representado por un circuito equivalente por fase debido a una permanencia magnética diferente a lo largo del eje del polo del rotor (llamado el eje u) y a lo largo del eje de medio camino entre dos polos del rotor (llamado el eje v). En términos cualitativos,

71

una componente de torque renuente adicional se presenta debido a la diferencia en las reactancias de los ejes u y v. Esta componente es usualmente pequena, pero no despreciable, comparada con la componente de torque electromagnético discutida anteriormente, asumiendo un rotor redondo no saliente.

Después de haber entendido un poco del principio y del funcionamiento de los motores síncronos, es mejor ver la aplicación en la parte computacional para poder lograr mejor su entendimiento, de todas maneras se recomienda si se quiere profundizar más sobre el tema del control de los motores síncronos referirse al Mohan [1] en su capítulo 15 donde se puede encontrar control de servo motores síncronos con formas de onda trapezoidales y senoidales, a demás de controles de inversores de carga conmutada. Otra muy buena referencia para alcanzar un mejor bagaje del tema es el libro de Chester [3] donde en su capítulo XI explica desde el funcionamiento hasta las posibles averías.

4.2 Parte computacional

4.2.1 Guía Para Práctica Computacional Variador de

Velocidad Motor Síncrono AC:



1. Monte el circuito mostrado en la figura 001.

72

Figura 001 Diagrama

a. Configure el Motor Sincróno AC como se muestra a continuación

De doble clic sobre el icono del motor y configure los parámetros que se muestran a continuación: Voltaje LL rms = 7.967 kV, I rms = 5.02 kA, Frecuencia angular (2*pi*f) = 376.991118 [rad/s].

h. La Fuente AC mostrada y el transformador se deben configurar con los siguientes parámetros.

73

Fuente de Voltaje de AC trifásica = 33 kV / 60Hz

Relación de Voltajes del Transformador = 33 kV/ 11kV

i. Monte el circuito de control como se muestra a continuación:

74

j. configure los parámetros de la señal seno y la señal triangular como se muestran a continuación:

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k. el controlador PI mostrado utiliza la potencia reactiva del motor QOUT como entrada y 0 como referencia, los parámetro kp y ki se muestran a continuación

5. Simule el circuito anterior y grafique las corrientes de entrada de la fuente AC y de salida al motor, los voltajes de la fuente AC, DC del rectificador y de las fases A, B y C del inversor, las señales de control y de PWM para cada uno de los IGBT’s.

6. Obtenga el THD de Corriente y de Voltaje en la entrada de la fuente AC

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4.2.2 Resultados de la parte computacional

El motor síncrono es controlado por medio de la variación del voltaje de excitación el cual es

variado a través de un controlador PI, que utiliza como señal de control la potencia reactiva del

motor y realiza los ajustes pertinentes para que esta sea igual a cero.

La Figura a. muestra las señales del sistema de control del variador de velocidad formado por los

IGBT’s. El principio de control se basa en generar un PWM que oscila entre Vd y -Vd y el cual tiene

como armónico fundamental una señal senoidal de 60 Hz.

Para esto se genera una señal triangular con una frecuencia de 900 Hz y amplitud de 1 Vpp. La

frecuencia de 900 Hz se debe al factor de frecuencia mf=15 y un factor de amplitud ma=0.8.

Igualmente se genera una señal de control senoidal a 60 Hz y una amplitud de 1Vpp. Las dos

señales se comparan y de esta forma se genera un PWM modulado con una frecuencia armónica

fundamental senoidal de 60 Hz.

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Figura a. Control de los IGBT’s

La Figura b. muestra las señales del rectificador AC/DC de 6 pulsos.

Figura b. Señales Rectificador 6 pulsos

La figura c. muestra las señales de control: la señal triangular de 900 Hz y la señal senoidal de 60

Hz.

Figura c. Señales de control.

La Figura d., corresponde a la señal de PWM del IGBT PWMAP. la cual es negada y inyectada en el

IGBT PWMAN.

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Figura d. Señal de Control de PWM de IGBT

La Figura e. muestra la señal AC de 60 Hz obtenida en la salida del inversor AC/DC.

Figura e. Voltaje de salida del inversor

La Figura f., muestra los datos del motor: Potencia Real, Potencia Reactiva, Voltaje de Campo

(Excitación), Torque Eléctrico y Voltaje RMS del motor

79

Figura f. Datos del Motor

80

4.3 Parte Práctica del Laboratorio




VARIADOR DE VELOCIDAD PARA UN MOTOR SINCRONO TRIFASICO


81




Laboratorio: VARIADOR DE VELOCIDAD PARA UN MOTOR SINCRONO TRIFASICO

A. Introducción

La máquina síncrona de conmutación electrónica es una máquina de corriente trifásica, excitada en derivación, con las características de una máquina de corriente continua, pero sin los problemas de desgaste y de perturbaciones debidos al conmutador mecánico. El accionamiento se realiza por medio de un campo giratorio de excitación, de frecuencia predeterminada, generado por el conmutador electrónico.

En La guía de variación de velocidad del motor asíncrono trifásico ya se utilizó un convertidor de frecuencia para el control del número de revoluciones de una máquina asíncrona de corriente trifásica. En dicha configuración, el control de frecuencia de la máquina asíncrona origina una dependencia entre la carga y el número de revoluciones (deslizamiento) que se puede reducir claramente en la configuración presente, esto es, con máquina síncrona y conmutador electrónico.

Como elemento adicional de conmutación, la máquina síncrona de conmutación electrónica requiere un transductor electrónico de posición, ubicado en el eje de accionamiento, cuya posición, en la disposición del ensayo presente, es ajustable en amplios márgenes en relación con el devanado del estator. La descripción del accionamiento de la máquina se realiza por medio de la teoría de modulación por vector de espacio para cuya ilustración y aplicación están disponibles dos programas especiales. Los ensayos con la máquina síncrona de conmutación electrónica se dividen en 3 partes:

1. Ilustración de la conmutación electrónica y de la modulación por vector de espacio por medio del software didáctico “SO6001-1T VC-Train”

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2. Ajuste del ángulo de desfase interno óptimo e ilustración del “ajuste electrónico de escobillas” por medio del software “SO6001-1T EC-Train”

3. Registro de características de máquinas con el software “SO6001-4A ActiveASMA”

¡En todos los experimentos con alimentación de la red se presentan elevadas tensiones que conllevan peligro de muerte. Por esta razón, siempre se deben emplear únicamente cables de medición de seguridad y observar que nunca se produzcan cortocircuitos!

Compruebe el cableado en los módulos de aplicación antes de conectar la alimentación de la red. Si es posible, utilice un instrumento de control robusto (analógico) en el circuito de corriente. Para protegerse de las piezas giratorias del motor, ¡emplee siempre cubiertas de eje y de acoplamiento!

B. Objetivos del ensayo

El estudiante deberá:

• Comprender la utilización de vectores de espacio y la modulación por vector de espacio.

• Configurar una máquina síncrona de conmutación electrónica. • Conocer la respuesta de la velocidad de giro y de carga de esta máquina.

C. Tareas:

• Montaje del accionamiento de acuerdo con el diagrama de circuito. • Ilustración de vectores de espacio y vectores intermedios con un programa de

entrenamiento. • Ajuste del ángulo de desfase interno de la máquina síncrona de conmutación

electrónica. • Registro controlado por software de las curvas características de la máquina.

D. Puesta en servicio:

Cablee el accionamiento según se muestra en la fig. 1, pág. 3, y emplee también, si es posible, el amperímetro analógico SO5127-1L como instrumento de control. En el cableado

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mostrado por el esquema de montaje y cableado (Fig. 1), la conexión del motor está configurada en triángulo. Las curvas características del motor síncrono de conmutación electrónica (motor electrónico) se registran con el software “SO6001-4A ActiveASMA”. Representan diferentes magnitudes de medición en función del par de giro de carga. A ese fin, el par de carga se regula por etapas en el módulo de carga.

El software “SO6001-1T”, con los programas “VC-Train” y “EC-Train”, ilustra el control electrónico del motor por medio de la modulación por vector de espacio, lo cual permite generar una frecuencia variable.

Fig. 1 Diagrama de conexiones Tomado de [7]

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E. Realización del ensayo

PARTE 1: Modulación por vector de espacio

El programa “VC-Train” ilustra el accionamiento de un motor síncrono trifásico por medio de un convertidor IGBT “SE2662-3M” con frecuencias de servicio predeterminadas.

En el ajuste “Ver | Diagrama de circuito‘, en la mitad derecha de la pantalla, un diagrama muestra el sistema de conmutadores del convertidor de corriente. El color de un interruptor indica su estado de conexión: de color: conectado, negro: desconectado. Un color intermedio muestra la conmutación rápida de un interruptor mientras se genera el vector intermedio de la modulación por vector de espacio. En el ajuste “Ver | Diagrama de vectores” el diagrama de circuito se sustituye por el esquema de vector de espacio con 6 vectores básicos de espacio y, eventualmente, vectores intermedios.

En la mitad izquierda de la ventana están indicados, a lo largo de un periodo (o de varios: Menú ‚Ver | Eje X‘) los vectores espaciales básicos activos U, V y W, y entre éstos 6 vectores intermedios generables. En la parte inferior se puede ver la amplitud del vector generado como producto de la amplitud porcentual, en la pequeña ventana de ajuste “Amp”, y la amplitud del vector intermedio relativo, eventualmente definida por el usuario. Bajo “Ver | Propiedades | Vectores intermedios” se pueden indicar las posiciones (entre 0° y 60°) de 6 vectores intermedios y, en la pestaña “Amplitud”, su ponderación porcentual.

El programa “VC-Train” se ejecuta después del reinicio sin vectores intermedios y en la configuración “Ver | Diagrama de circuito”. Bajo ‚Ver | Eje X‘ está ajustado un periodo. ¡Todavía no encienda la unidad de control! En un principio, emplace la máquina y el transmisor de posición del rotor por separado.

Una línea vertical negra (marca, cursor) se puede desplazar por el diagrama de tiempo haciendo clic sobre las flechas (ventana izquierda) o se puede colocar directamente con el ratón. Observe la conmutación de los interruptores con el paso de las líneas verticales de color gris. Marque con una cruz, en la siguiente tabla, los interruptores activos en los seis periodos de tiempo predeterminados (cada 60° del periodo completo de 360° ):

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Cambie a ”Ver | Diagrama de vectores”, ajuste una amplitud de 20% y repita el recorrido del vector de espacio por el periodo completo. Varíe el valor de amplitud y observe la respuesta del vector de espacio en las diferentes posiciones básicas.

En “Ajustes | Valores predeterminados | Vectores intermedios”, genere seis posiciones de vector, empezando con 0°, en pasos de 10° (la amplitud relativa de estos vectores intermedios ya está determinada de manera estándar con el 100%). Ajuste la amplitud base también al 100%. Repita por pasos, el desplazamiento de la marca por el periodo y observe la respuesta del vector espacial activo.

Coloque la marca en el 4to campo de vector intermedio (30°). ¿Cómo se compone el vector intermedio activo a partir de los vectores base contiguos? Designe los vectores base según el diagrama de vectores. Indique la longitud relativa de los componentes del vector base:

Indique los valores de los componentes (en unidades de 1/6) para todos los vectores intermedios:

¿Qué figura deberían describir los vectores espaciales e intermedios para un control óptimo de la máquina, es decir en términos físicos: el aprovechamiento óptimo de las propiedades magnéticas del material?

La figura definida de esta manera es la curva límite de la modulación por vectores espaciales. ¿Cómo se puede generar?

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Fig. 2. Tomado de [7]

En el hexágono formado por los vectores espaciales, el vector intermedio, con el ángulo de 30°, se desplaza verticalmente hacia el lado (línea exterior) del hexágono. Los demás vectores intermedios forman con este vector de 30° y con el lado del hexágono un triángulo rectángulo. A partir de éste se puede derivar de forma sencilla el factor en el que se deben reducir los vectores intermedios y espaciales para alcanzar la curva límite de la modulación por vector de espacio.

¿En qué factor se deben reducir los vectores espaciales básicos para el vector intermedio en α?

Introduzca en la opción de menú “Ajustes | Valores predeterminados | Amplitudes”, para cada vector intermedio, el factor de corrección y repita, paso a paso, el desplazamiento de la marca por el periodo (página anterior).

Conecte la corriente de excitación de la máquina y ajústela a 0,5 A. En el campo de ajuste de la frecuencia de “VC-Train”, ajuste la frecuencia más baja; inicie - tal como antes, sin conexión al transductor de posición del rotor – la unidad de control con “Ajustes | Conectar unidad de control” o con la tecla de inicio/parada y observe el curso la trayectoria del vector espacial y de la máquina síncrona.

¿Cuántas veces circula - en la presente máquina – el vector espacial durante una revolución del eje? ¿Qué conclusión saca usted en relación con el número de pares de polo p de la máquina empleada?

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Desconecte la unidad de control.

PARTE 2: Ajuste de la rueda polar

El programa “EC-Train” activa también el convertidor de corriente y apoya, además, el

registro de datos del transductor del ángulo de posición del rotor “SE2662-6L” para la realización de una máquina síncrona de conmutación electrónica, con modulación completa por vector de espacio. El programa muestra, al igual que “VC-Train”, el esquema de vectores espaciales con ‚ajuste electrónico del conmutador’ configurable. A diferencia del “VC-Train”, este ajuste se puede realizar en pasos de 1°.

Al igual que en “VC-Train”, es posible ajustar en una ventana de símbolos la amplitud relativa del vector espacial activo, y en otra el ángulo de ajuste electrónico. Unos símbolos especiales conectan y desconectan la unidad de control.

Ponga en posición media el dispositivo mecánico de ajuste del ángulo (tornillos moleteados) en el transductor de posición de la rueda polar. Inicie el programa “EC-Train” para controlar el conmutador electrónico, conecte en el menú “Ajustes” la unidad de control y ajuste la amplitud en el campo de cifras izquierdo al 20% y el ángulo a 30° en el campo de cifras derecho.

La máquina síncrona se debería regular brevemente a una posición fija. Gire ahora el transductor del ángulo de posición del rotor; la máquina debería seguir este movimiento. Si la máquina gira en el sentido contrario, ¡desconecte temporalmente el transformador de aislamiento y permute dos fases de la máquina! También observe, durante el giro, el ángulo del vector espacial visualizado en “EC-Train”.

Si usted gira el ángulo de la rueda polar en 180°:

¿En qué ángulo gira el eje de la máquina?

El eje de la máquina gira ___________________.

¿En qué ángulo gira el vector espacial en “EC-Train”? (¡Observe también los puntos rojos del vector espacial en el convertidor de corriente IGBT!)

Los vectores espaciales giran ___________________.

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¿Qué conclusión saca con respecto a la construcción de la máquina utilizada?

La máquina tiene ___________________. p = ___________________.

Marque la posición del eje de la máquina y de la rueda polar en los acoplamientos de corona dentada y desconecte la unidad de control.

Para el ajuste óptimo de marcha (par de giro máximo) se debe ajustar un ángulo óptimo de 45° entre el campo giratorio y el flujo de la rueda polar. Esto resulta del número de pares de polos de la máquina empleada y del ajuste de ángulo óptimo de 90° para la máquina monopolar ( p = 1 ).

Varíe la posición de la corona de acoplamiento de la rueda polar en dos dientes, en relación con la posición de reposo marcada, y conecte la máquina por medio del acoplamiento al transductor de posición del rotor. ¡Atornille firmemente los zócalos de ambos aparatos!

¿Cuál es el ángulo de ajuste cuando se varía en dos dientes el acoplamiento?

Con dos dientes se realiza un ángulo de ajuste de ________.

El ajuste óptimo se obtiene con una posición del vector intermedio de 30°, es decir, con un ángulo adicional de posición del rotor de ________, referido al eje giratorio y realizado por el ajuste electrónico de escobillas.

El ángulo de ajuste adicional electrónicamente generado se suma / resta. (Borre lo que no corresponda)

Habitualmente el ángulo de ajuste exacto se realiza configurando las mismas propiedades de giro para la marcha hacia adelante y hacia atrás de la máquina. Puesto que el presente sistema no permite la marcha hacia atrás (electrónicamente controlada), en el presente caso se descarta este procedimiento.

Ajuste aproximadamente el ángulo óptimo de la rueda polar ajustando el número de revoluciones sin carga a, aproximadamente, 1100 y 1200 min-1.

PARTE 3: Características de máquinas

Los datos de la máquina se registran con el programa “ActiveASMA”, cuyo funcionamiento básico y manejo ya se conocieron durante la realización de los ensayos EPE17 y EPE26. Inicie el programa y seleccione del menú ‚Ajustes | Modo de servicio‘ la “Regulación de pares”.

Bajo “Ajustes | Valores predeterminados”, ajuste los valores predeterminados de la siguiente manera:

“Máquina”: sin cambios:

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Rango de medición: ‘Tensión (Canal A)’ y ‘Corriente (Canal D) sin cambios’ ‘Tiempo de medición’ a 60 ms,

‘Conexión’: seleccione como ‘magnitudes de fase’

‘Rampa’: Calcular: Inicio 0 Nm, final 1,5 Nm, 10 pasos, tiempo de espera sin cambios,

‘Opciones’: número menor de revoluciones 0 1/min, número mayor de revoluciones 3000 1/min

La primera medición se realiza con amplitud ajustada (en EC-Train) al 100% para tres diferentes valores de la corriente de excitación Imagn: 0,7 A - 0,5 A - 0,3 A.

Fig. 3. Máquina síncrona de conmutación electrónica: Par de giro en función del número de revoluciones y de la potencia mecánica para diferentes valores de la corriente de excitación.

Tomado de [7]

El número de revoluciones de la máquina síncrona de conmutación electrónica es en gran parte constante siempre que haya una corriente de excitación suficientemente alta y una tensión de entrada fija. Aquí, la dependencia que aún permanece a 0,7 A también se debe al hecho de que la tensión de alimentación del conmutador es suministrada mediante rectificación de un transformador y que con ello no es idealmente constante sino que depende de la corriente de carga.

El software “ActiveASMA” se desarrolló para máquinas asíncronas cuyo campo giratorio rote con la frecuencia f de la red o con una fracción de la misma f / n (n = 2,3,...50). El registro de datos y la formación de valores efectivos del programa están adaptados a esta

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situación. Si se presentan, al igual que en la máquina síncrona de conmutación eléctrica, frecuencias que difieren de esta serie, el cálculo de los valores efectivos da lugar a resultados erróneos. Por lo tanto, a diferencia del ensayo EPE-26, los valores eléctricos medidos solamente se pueden emplear de forma limitada. No obstante, eche una mirada a los valores de la tensión en función del par de giro.

Ajuste ahora la corriente de magnetización a 0,5 A y mida los mismos valores de curva característica para diferentes ‘Amplitudes‘: 20% - 40% - 60% - 80% - 100%. La ‘Amplitud’ es una medida proporcional de la tensión del estator y se ajusta mediante modulación por ancho de impulso.

Fig. 4. Máquina síncrona de conmutación electrónica: Par de giro en función del número de revoluciones y de la potencia mecánica para diferentes valores de la corriente del estator

(amplitud). Tomado de [7]

Ajuste – sin medición nueva – el número de revoluciones en función de la tensión.

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Fig. 5. Máquina síncrona de conmutación electrónica: Número de revoluciones en función de la tensión del estator (amplitud). Tomado de [7]

La relación entre el número de revoluciones y la tensión es ____________________.

Ello corresponde a la característica de una máquina de ____________________. La respuesta de servicio de la máquina síncrona es modificado de forma característica por la conmutación electrónica.

¿Cuáles son las tres ventajas esenciales de esta configuración frente a una máquina de corriente continua clásica?


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5. Análisis y Conclusiones

Se logró llegar a la elaboración de un material de trabajo que permite mostrar al estudiante las diferentes formas para poder entender el funcionamiento de los diferentes tipos de motores.

Después de todo el análisis computacional de las simulaciones se puede ver que el motor síncrono, es el más costoso, debido a la cantidad de componentes que se deben instalar para su correcto funcionamiento, a diferencia del motor DC que requiere menos adecuación para su funcionamiento.

La importancia de la seguridad en el manejo del Laboratorio y la necesidad de poder integrar algunos componentes que le faltan al laboratorio de electrónica de potencia para una mejor utilización.

Los motores DC son de fácil aplicación y uso, pero tienen su inconveniente para la aplicación empresarial debido al alto costo de producir tensión DC.

Una de las más grandes conclusiones encontradas con este trabajo de grado es, poder ver que en la vida laboral existen muchas compañías que ya trabajan y producen diversos equipos, como variadores de velocidad, para diferentes tipos de motores, nuevas tecnologías como lo son los motores lineales de los trenes, entre otros, y todas estas compañías quieren nuevos ingenieros graduados con experiencia en motores y en control de los mismos, para lo cual no existía una guía aplicable a la academia. Aplicando estas cartillas y esta metodología, por lo menos podemos graduarnos con algo de conocimiento de un tema tan importante para la actualidad de un Ingeniero Eléctrico.

6. Recomendaciones

A través del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, se autorice y gestione la utilización de este trabajo, para ser aplicado en el programa de Ingeniería Eléctrica y Electrónica

Adelantar una campaña de difusión sobre la utilidad e importancia del conocimiento y aplicación de los diferentes tipos de Motores

Tomar las medidas pertinentes en la operación de las prácticas de laboratorio para minimizar los riesgos de las personas y preservar el material de uso

Adecuación de los equipos de trabajo, algunos equipos faltan como lo relaciono a continuación:

Para la práctica del control de motor DC:

- Taco-generador (No Hay)

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Para la práctica del control de motor AC Síncrono:

- SE2662-3M Máquina síncrona de corriente trifásica, rotor de polos salientes de 0,3kW (Disponible en el laboratorio ML040)

- SO3212-5K Unidad de excitación de transformador de regulación/aislamiento 0-230V (Disponible en el laboratorio ML040)

7. Referencias Bibliográficas

[1] Mohan-Underland-Robbins, “Power Electronics-Converters, Applications, and Design”

, Media Enhanced Third Edition, 2003

[2] Chester L. Dawes, “Tratado de Electricidad, Tomo I, Corriente Continua”, Editorial

Gustavo Gili, Barcelona. Quinta Edición, 1971.

[3] Chester L. Dawes, “Tratado de Electricidad, Tomo II, Corriente Alterna”, Editorial

Gustavo Gili, Barcelona. Quinta Edición, 1971.

[4] P.C.Sen, “Principles of Electric Machines and Power Electronics”, Second Edition,

Editorial John Wiley & Sons.

[5]J. Roldan Viloria, Motores Eléctricos Aplicación Industrial, Editorial Paraninfo, España 1992

[6] P Ubieto Artur, P. Ibañez Carabantes, Diseño Básico de Automatismos Eléctricos, Editorial Paraninfo, España 1996

[7]Guías Lucas NÜLLE

aplicaciones de la electrónica de potencia en el control

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