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Cap1. Introducción a Control de Motores

INEL 5408 Control de Motores

Prof. Andrés J. Díaz Castillo

21/04/23 Introducción- Control de Motores-Prof. A. Diaz

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Contenido• Importancia del Motor de Control

– Dispositivos de Potencia– Operación de los dispositivos de potencia

• Motor Drive– Máquinas eléctricas– Convertidores de Potencia– Controladores– Carga


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Control de Motores

• Por medio del control de motores hacemos que este desarrolle en todo momento el torque y la velocidad necesaria para realizar una tarea específica aun cuando las condiciones de carga y alimentación varíen.– Motor DC se cambia el voltaje aplicado.– Motor AC se cambia la frecuencia.


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Ventaja y Aplicaciones

• 65% de la energía eléctrica es consumida por motores.

• El control produce un incremento en la eficiencia de un 15 a 27%.

• Requiere un costo inicial que tiene una tasa de retorno que en el caso de las bombas de altos calibre es de 3 a 5 años.

• Aplicaciones.– Propulsión eléctrica– Bombas y compresores– Actuadores de róbotica– Coveyors– Elevadores – Maquinas herramientas– Automatización de

procesos.– Antenas.– Fábricas de telas


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Dispositivos de potencia

• Diodos• Power Transistor• SCR• GTO Thyristor• MOSFET• IGBT

• Características– Funcionamiento– Rango de operación

de potencia.– Rango de operación

de frecuencia.– Ventajas. – Desventajas.


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Energía manejada y energía disipada.

• Potencia disipada es el voltaje x la corriente que tiene un dispositivo en un determinado momento.

• Generalmente se convierte en calor (perdidas).

• Requiere utilizar métodos de enfriamiento.

• Potencia manejada es la potencia que deja pasar a la carga.

• Su valor máximo se obtienen multiplicando el voltaje en circuito abierto multiplicado por la corriente en cortocircuito.

• Es la potencia que realiza trabajo útil en la carga.


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Modo de Interrupción de los dispositivos.

• Operando un transistor u otro dispositivo como interruptor se minimiza la potencia disipada y se maximiza la potencia manejada.

• En este modo el dispositivo trabaja siempre en saturación o en corte.

• En condiciones ideales la potencia disipada en ambos estados es cero.

• Solo durante la transición se produce disipación.


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Frecuencia, densidad de potencia y eficiencia.

• Mayor frecuencia mayor densidad de potencia

• Menor frecuencia menos pérdida.

• Existe una frecuencia optima donde la eficiencia se mantiene lo suficientemente alta y se puede conseguir buena densidad de potencia.

• Densidad de potencia significa:– Reducción de volumen del

convertidor.– Reducción de peso– Reducción de costo

• Eficiencia – Menor consumo de energía

durante su operación.– Mayor duración de baterías

en aplicaciones portátiles


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Diodos• Permiten el paso de la corriente

en una sola dirección.• La caída de voltaje en directo es

0.7V.• Importantes características

– Máxima reverse voltaje– Máxima corriente en directo.– Tiempo de recuperación en

inverso • Se consiguen rangos de voltajes y

corrientes en el orden de los KA y KV a frecuencias de línea.

• Para frecuencias altas se utilizan Fast-recovering reverse-diodo, que se pueden conseguir en el rango de los 100A y 100V.

D1

• En aplicaciones de bajo voltaje los diodos de germanio producen caídas en directo de 0.3V manteniendo la eficiencia en niveles aceptables.


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Transistores de potencia• Dispositivo de corriente

controlado por corriente.• Operación optima en quasi-

saturación.• Bajo voltaje de saturación.• Baja impedancia de entrada.

• Operación máxima– V=1400V– I=1000A– Vce sat 2V– F=2 to 6Khz– Gain 4-10

• Se incrementa a 100 en configuración darlignton.

• No se utilizan mucho hoy en convertidores modernos.


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Rectificadores controlados de silicio

• Dispositivos de 4 capas. Similar al diodo solo que en foward necesita un pulso para comenzar a conducir.

• Se apagan cuando la corriente se invierte o pasa por cero.

• Debido a su dificultad de apagado solo se utiliza en rectificadores y controladores de motores de alta potencia (>30MW).

• La frecuencia de operación es de 300 a 400 Hz.


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MOSFET Transistor

• Dispositivo de corriente controlado por voltaje.

• Alta impedancia de entrada.

• Alta resistencia de conducción.– Perdidas en el estado on.– Se puede utilizar para

sensar la corriente que pasa a travez de el.

• Rango de operación– V=100 a 100A– V=1000 a 10A– F=30KHz a 1MHz


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IGBT

• Combinación de MOSFET and BIPOLAR.

• Se controla con un voltaje en la compuerta (alta impedancia)

• El voltaje de colector a emisor en directo es tan pequeño como un bipolar.

• Rango• 1.2KA at 3.2KV• 0.6KA at 6.6 kV• On state drop 5V• Freq: < 20KHz


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Calculando las pérdidas.

• Energía pérdidas de conducción

• Energía pérdidas encendido y apagado

• Total pérdida de potencia

][ 112 dsdononssc ttttVIE

offon

stsc

tt

EEPsw

][5.0 21 ssSSst ttIVE


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Sistema controlador

• Consiste de 4 elementos– Máquina Eléctrica– Convertidor– Controlador– Carga MotorPower

ConverterControler

Load

Pressure/torque/Temperatrue

Torque/Speed

/Position

Status

Torque/Speed/Position


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Maquina eléctrica

• Tipos mas utilizado en controles.– DC

• Shunt,series,compound,separetely-excited dc motor

– AC• Inducction,wound-rotor

syncchronous,permanent magnet syncronous reluctance.

• Criterio para seleccionar un motor– Costo– Capacidad térmica– Eficiencia– Característica torque

velocidad.– Acceleracíon– Densidad de potencia– Robustez


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Eficiencia del motor

• Es la razón entre la potencia mecánica de salida y la potencia eléctrica de entrada.

• La placa del motor generalmente ofrece información de Potencia, velocidad, corriente y voltaje.

• El torque se puede encontrar utilizando la siguiente ecuación

sec/,60

2

.,6.745

sec/,

,

radN

mNxP

radSpeed

WPowerT

rm

m

oo


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Ejemplo de cálculo de eficiencia• Un motor de 5 HP y 1000RPM tiene voltaje de entrada 100V y 50 Ampere si

la resistencia de la armadura es 0.20ohm calule. A) torque en el eje. B)potencia de airgap. C)torque de airgap C)torque de perdida en caja de bolas y fricción del aire. D) eficieciencia del motor


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Power Converter • Rectificadores

controlados– ACtoDC DCmotor

• Inversores– DCtoAC AC motor

• Cycloconverter– AC Big Motor.

Rectificadores

Inversores

Cycloconverter

Controlador

• El controlador esta compuesto de circuitos de baja potencia que pueden ser analogos o digitales. En este se implementa el tipo de control (Torque o velocidad) y las constantes (P I D) para cada variable. Tambien se implementa acciones de control de seguridad para protejer la maquina y la carga.


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Controlador

Torque/Speed/Positioncommands

Torque/Speed/Positionfeedback

Thermal and other feedback

Vc,Fc,Start,Shut-out

Carga

• La carga tiene una curva caracteristica T vs Velocidad que forma parte del analisis completo del control de motor.

• Cuando la carga se acopla a travez de engranaje el torque T1 y la velocidad w1original se transforman a otros valores T2 w2 proporcional al numero de dientes N1 y N2 de estos.


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MotorJm

Carga Jl

N1

N2

B1

B2

T1,w1

T2,w2

1

2

2

1'1

1

212

2211

JN

NJ

N

NTT

wTwT

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