potencia

TECSUP - PFR Electrnica de Potencia

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Unidad VI

VVAARRIIAADDOORR DDEE VVEELLOOCCIIDDAADD DDEE MMOOTTOORR DDCC

1. INTRODUCCIN

A continuacin estudiaremos uno de los equipos electrnicos de control ms usados en la industria debido a la necesidad, en ciertos procesos, de controlar la velocidad de giro de las mquinas elctricas con la finalidad de mejorar la eficiencia durante la fabricacin de sus productos.

2. EL MOTOR DC DE EXCITACIN INDEPENDIENTE

Tiene dos partes principales denominadas: Rotor Armadura y Estator

Campo.

Proporciona un alto par motor de arranque.

Permiten un manejo sencillo del control de su velocidad con gran precisin.

Pueden ser del tipo Serie o Shunt y de valores de potencia hasta de megavatios.

Los conmutadores limitan su trabajo a muy alta velocidad y hacen pesado su

mantenimiento.

Son ms costosos y pesados que otros motores de igual potencia.

Su alimentacin es por medio de circuitos rectificadores controlados.

Electrnica de Potencia TECSUP - PFR

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Parts of a DC Motor

Figura 7.1

CARACTERSTICAS BSICAS DE LOS MOTORES DC

El circuito equivalente del motor DC tipo Shunt se muestra en la figura 7.2. Las ecuaciones en condiciones transitorias son las siguientes:

vf = Rfif+Lf dif/dt va = Raia+La dia/dt + eg eg = Kvwif Td = Ktifia Td = J dw/dt + Bw + TL

donde : w = velocidad del motor, rad/s . B = constante de la friccin viscosa, N.m/rad/s. Eg = fuerza contra-electromotriz, V. Kv = constante de voltaje, V/A-rad/s . Kt = Kv = constante del par motor. La = inductancia del circuito de armadura, H. Lf = inductancia del circuito del campo, H. Ra = resistencia del circuito de armadura. Rf = resistencia del circuito de campo. TL = par motor de la carga, N.m . Td = par motor desarrollado, N.m .


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Circuito equivalente para motores de cd con excitacin independiente

Figura 7.2

Las condiciones en rgimen permanente son:

Vf = RfIf Eg = KvwIf Va = RaIa+Eg Td = KtIfIa =Bw + TL

La potencia desarrollada es DP = DT

La relacin entre la corriente de campo y la fuerza contra-electromotriz no es lineal debido a la saturacin magntica. De las ecuaciones anteriores se deduce, para el motor tipo Shunt: w = (Va-RaIa)/ KvIf = (Va - RaIa)/ (KvVf/Rf) y observamos que la velocidad del motor puede variar mediante (1) el control del voltaje de la armadura; (2)el control de la corriente de campo; o (3)la demanda del par motor, que corresponde a una corriente de armadura para una corriente fija del campo. La velocidad que corresponde a los datos de placa del motor se denomina velocidad nominal o base. En la prctica para velocidades del motor menores a su valor base, se mantiene constante y a valor nominal la corriente de campo, mientras se vara el voltaje de armadura para hacer frente a las demandas del par motor. Ver figura 7.3


96

Para velocidades mayores a su valor nominal, se mantiene constante y a valor nominal el voltaje de armadura, mientras se vara la corriente de campo. Ver figura 7.3

Caractersticas de los motores con excitacin independiente

Figura 7.3

MODOS DE OPERACIN

El motor puede trabajar en 4 cuadrantes, tenemos:

Como Motor.- Ver figura 7.5a. Eg es menor que Va. Ia e If son positivas. El motor desarrolla un par motor para cumplir con la demanda de la carga.

Frenado Regenerativo.- Ver figura 7.5b. Eg es mayor que Va. Ia es negativa e If es positiva. La mquina acta como generador y desarrolla un Eg inducido. La energa cintica del generador es devuelta a la alimentacin.

Frenado Dinmico.- Ver figura 7.5c. Es igual al caso anterior excepto porque se ha agregado la resistencia de frenado Rb .La energa cintica del generador se disipa en dicha resistencia.

Frenado Invirtiendo Rotacin.- Ver figura 7.5d. La corriente de armadura se invierte y produce un par motor de frenado.


97

Cuatro Cuadrantes.- Ver figura 7.4. Se muestran las polaridades del voltaje de alimentacin Va, de la fuerza contra-electromotriz Eg y de la corriente de armadura Ia para un motor Shunt.

Condiciones para los cuatro cuadrantes

Figura 7.4


98

Modos de Operacin

Figura 7.5

3. EL CONTROLADOR DC

Los rectificadores controlados se usan para controlar la velocidad de los motores DC. Ver figura 7.6. Se clasifican en propulsores monofsicos, trifsicos y pulsados.


99

Propulsores alimentados por rectificadores controlados y pulsadores

Figura 7.6

3.1 VARIADORES A TIRISTORES

La etapa de potencia del variador esta formada por tiristores o una mezcla de diodos y tiristores. Observaremos que los circuitos de potencia son los mismos que se estudiaron en el mdulo anterior. El circuito bsico se muestra en la figura 7.7.

Disposicin bsica del circuito de un propulsor de cd monofsico

Figura 7.7

En la figura 7.8 se muestran los mtodos para invertir la corriente de armadura y campo.


100

Inversiones del campo y de la armadura mediante contactores

Figura 7.8

3.1.1 VARIADORES MONOFSICOS

A. De media onda.- Ver figura 7.9. Se usa este tipo de configuracin para control de motores de hasta kW.

Propulsor con convertidor de media onda monofsico Figura 7.9


101

Se tienen las siguientes frmulas:

Va = Vp(1+cos a)/2 , para 0 a

Vf = Vp(1+cos f)/ , para 0 f

B. De onda completa hbrido.- Ver figura 7.10. Se usa este tipo de configuracin para motores de hasta 15 kW.

Propulsor semiconvertidor monofsico

Figura 7.10


Va = Vp(1+cos a)/ , para 0 a

Vf = Vp(1+cos f)/ , para 0 f

C. De onda completa controlado dual.- Ver figura 7.11. Se puede trabajar en cuatro cuadrantes. Esta limitado a potencias de hasta 15 kW.

Propulsor con convertidor monofsico dual

Figura 7.11


102


Va = 2Vpcos a/ , para 0 a

Vf = 2Vpcos f/ , para 0 f

3.1.2 TRIFSICOS

El circuito de la armadura est conectado a la salida de un rectificador trifsico controlado o de un convertidor CA-CD trifsico de conmutacin forzada. Se utilizan en aplicaciones de alta potencia. La frecuencia de la componente ondulatoria del voltaje de armadura es alta, razn por la cual requiere de menor inductancia para reducir la corriente de la componente ondulatoria.

3.2 VARIADORES A TRANSISTORES

Se utilizan en aplicaciones de traccin. Se conecta entre una fuente de DC de voltaje fijo y un motor DC a fin.

de variar el voltaje de la armadura.

Proporcionan frenado regenerativo de los motores y puede devolver energa de retorno a la alimentacin.

Su caracterstica de ahorro de energa es atractiva para los sistemas de

transporte que tienen paradas frecuentes como los sistemas de transporte masivo rpido y los vehculos elctricos de batera.

Los modos posibles de control de un propulsor pulsador son:

3.2.1 CONTROL DE POTENCIA

El pulsador se utiliza para controlar el voltaje de armadura del motor DC. Ver figura 7.12.

El interruptor pulsador puede ser un transistor o un pulsador tiristor de conmutacin forzada.

Las frmulas asociadas a este tipo de control son las siguientes :

Va = k Vs Po = Va Ia = k Va Ia Is = k Ia Req = Vs / Is


103

Potencia en propulsor de cd alimentado por pulsador en el control

Figura 7.12

3.2.2 TIPOS DE FRENADO

A. Control de Freno Regenerativo El motor acta como generador y la energa cintica del motor y de la carga es devuelta a la alimentacin. Ver figura 7.13.

Frenado regenerativo de motores de cd con excitacin

independiente

Figura 7.13


104

Para que trabaje el freno, es necesario que el transistor se active cortocircuitando las terminales del motor hasta lograr el frenado.

Luego se desactiva el transistor y la energa almacenada en el motor se disipa a travs de Dm y la alimentacin, siempre y cuando sta sea receptiva.

Las frmulas asociadas a este tipo de control son las siguientes:

Vch = (1-k) Vs Pg = Ia Vs (1-k) Eg = Kv Ia w = Vch + Rm Ia Eg = (1-k) Vs + Rm Ia Req = Eg / Ia = Vs (1-k) / Ia + Rm De las ecuaciones se observa que si se modifica al ciclo de trabajo, k, se puede variar la resistencia equivalente de la carga vista por el motor desde Rm hasta ( Vs/Ia+Rm) y la potencia regenerativa se puede controlar. Si la Req est fuera de dicho rango entonces el frenado no sera efectivo, necesitndose frenar el motor por otros medios. B. Control de Freno Reosttico Tambin conocida como frenado dinmico. Ver figura 7.14. La energa se disipa en un restato.

Frenado reosttico de motores de cd con excitacin independiente

Figura 7.14

En los sistemas de transporte masivo rpido, la energa se utiliza para la calefaccin.


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Se tienen las siguientes ecuaciones:

Ib = Ia (1-k) Vb = Rb Ia (1-k) Req = Vb/Ia = Rb (1-k) + Rm Pb = Ia

2 Rb (1-k) Si se controla el ciclo de trabajo k, se puede variar la resistencia eficaz de la carga desde Rm hasta Rm+Rb, y se puede controlar la potencia de frenado.

C. Control Combinado de Freno Regenerativo y

Reosttico

Si la alimentacin es parcialmente receptiva, que es por lo general el caso de los sistemas de traccin reales, un control combinado de freno regenerativo reosttico es el ms eficiente desde el punto de vista de la energa. Ver figura 7.15.

Durante los frenados regenerativos, el voltaje de lnea se detecta continuamente. Si ste excede cierto valor preestablecido, normalmente 20% por arriba del voltaje de lnea, se elimina el frenado regenerativo y se aplica el frenado reosttico.

La transferencia del frenado regenerativo al reosttico es casi instantnea y ocurre cuando la lnea se hace no receptiva.

Control combinado de freno regenerativo y reosttico

Figura 7.15


106

3.2.3 TRABAJO EN 2 CUADRANTES

La operacin en dos cuadrantes, tal y como se muestra en la figura 7.16 es necesaria para conseguir el control de la potencia y el frenado regenerativo. Para el control de potencia actan Q1 y D2. Para el frenado regenerativo actan Q2 y D1.

Propulsor con pulsador en dos cuadrantes Transistorizado

Figura 7.16

3.2.4 TRABAJO EN 4 CUADRANTES

Ver figura 7.17, para el control directo de potencia operan Q1 y Q2. En la regeneracin directa, es desactivado Q1 y Q4 es activado. De esa forma la fuerza contra-electromotriz fluye por Q4 y Q2. En el control de potencia inversa, operan Q3 y Q4. En la regeneracin inversa, es desactivado Q3 y Q2 es activado. De esa forma la fuerza contra-electromotriz fluye por Q2 y Q4.


107

Propulsor con pulsador en cuatro cuadrantes transistorizado

Figura 7.17

4. CONTROL EN LAZO CERRADO DE LOS VARIADORES DC

La velocidad de los motores DC cambia con el par motor de la carga. A fin de mantener una velocidad constante, debe variarse continuamente el voltaje de la armadura (y/o campo) modificndose el ngulo de disparo de los convertidores AC/DC o el ciclo de trabajo de los pulsadores DC. Un sistema de control de lazo cerrado aparece en la figura 7.18 y tiene la ventaja de una precisin mejorada, una respuesta dinmica rpida, as como una atenuacin de los efectos producidos por disturbios en la carga y no linearidad en el sistema.

Diagrama de bloques de un propulsor de motor de cd

alimentado por un convertidor en lazo cerrado

Figura 7.18


108

4.1 FUNCIN DE TRANSFERENCIA EN LAZO ABIERTO

En lazo cerrado se debe considerar el comportamiento dinmico (adems de las caractersticas en rgimen permanente) de los propulsores.

En la figura 7.19, la velocidad del motor se ajusta mediante el voltaje de referencia (o de control) vr. Suponiendo una conversin lineal de potencia de ganancia K2, el voltaje de armadura del motor es: va = K2vr .

Propulsor de un motor de cd con excitacin independiente

alimentado por convertidor

Figura 7.19

Suponiendo constantes If y Kv, se tiene:

eg = Kv If w va = Rm ia+ Lm dia/dt + eg = Rm ia + Lm dia/dt + Kv If w Td = Kt If ia Td = Kt If ia = J dw/dt + B w +TL

El comportamiento transitorio puede analizarse si se cambian las ecuaciones del sistema mediante el uso de la Transformada de Laplace con C.I.=0. se tiene:

Va(s) = K2 Vr(s) Va(s) = Rm Ia(s) + s Lm Ia(s) +Kv If w(s) Td(s) = Kt If Ia(s) = s J w(s) + B w(s) +TL(s)

De las ecuaciones anteriores se deducen las siguientes ecuaciones:

Ia(s) = [Va(s) - Kv If w(s)] / Rm (sta + 1)

donde: ta = Lm/Rm , es la constante de tiempo del circuito de la armadura del motor.

w(s) = [Td(s) - TL(s)]/ B(stm + 1)

donde: tm= J/B, es la constante de tiempo mecnica del motor.


109

Se pueden observar en las figuras 7.20 y 21 el diagrama de bloques respectivo para un motor DC tipo shunt.

Diagrama de bloque en lazo abierto de un propulsor para motor de cd con excitacin independiente

Figura 7.20

Diagrama de bloque en lazo abierto para la entrada de perturbaciones en el par motor

Figura 7.21

4.2 FUNCIN DE TRANSFERENCIA EN LAZO CERRADO

Luego de conocidos los modelos para los motores, se pueden aadir trayectorias de retroalimentacin a fin de obtener la respuesta de salida deseada. En la figura 7.22 se puede ver el lazo de realimentacin de velocidad adicionado a la figura 7.19. Por medio de un sensor de velocidad y un amplificador de ganancia K1, se compara dicha seal con el voltaje de referencia Vr a fin de generar un voltaje de error Ve, para variar el voltaje de armadura del motor.


110

Diagrama de bloques para un control en lazo cerrado de un motor de cd

con excitacin independiente

Figura 7.22

En la prctica el motor debe operar a la velocidad deseada, pero tambin debe poder entregar el par motor a la carga, que depende de la corriente de armadura. Si mientras el motor opera a una velocidad determinada, se aplica una carga en forma repentina, la velocidad se reduce y el motor toma un tiempo para regresar a la velocidad deseada.

En la figura 7.23 se muestra una realimentacin de velocidad con un lazo de corriente interno, que proporciona una respuesta ms rpida para cualquier disturbio en el comando de velocidad, en el par motor y en el voltaje de la alimentacin.


111

Control de velocidad de lazo cerrado con un lazo interno de corriente y una

reduccin por campo.

Figura 7.23

El lazo de corriente se utiliza para hacer frente a la demanda inesperada de par motor en condiciones transitorias. La velocidad se detecta mediante dispositivos analgicos. Estos dispositivos analgicos para la deteccin de la velocidad y para la comparacin de seales no son ideales, y la regulacin de velocidad es ms del 0.2%.

4.3 CONTROL EN LAZO POR SEGUIMIENTO DE FASE

El regulador de velocidad se puede mejorar si se utiliza un control digital de lazo por seguimiento de fase (PLL). Ver figura 7.24 .


112

Sistema de control de lazo por seguimiento de fase

Figura 7.24

La velocidad del motor se convierte en un tren de pulsos digitales mediante un codificador de velocidad. La salida del codificador acta como seal de realimentacin de velocidad cuya frecuencia es f0. El detector de fase compara el tren de pulsos de referencia (o frecuencia) fr con la frecuencia de realimentacin f0 y proporciona un voltaje de salida modulado por ancho de pulso Ve, que resulta proporcional a la diferencia en fases y en frecuencias de los trenes de pulsos de referencia y realimentacin. Un filtro de enlace tipo paso bajo convierte el tren de pulsos, Ve , a un nivel de contnua, Vc , que vara la salida del convertidor de potencia y por lo tanto la velocidad del motor. Cualquier disturbio que contribuya a una modificacin de la velocidad dar como resultado una diferencia de fases y la salida del detector responder de inmediato, a fin de variar la velocidad del motor en una direccin y magnitud tales que retengan el seguimiento de las frecuencias de referencia y realimentacin. La respuesta del detector de fase es muy rpida. La regulacin de velocidad se limita a 0.002%.


113

5. CONTROL POR MICROCOMPUTADORA DE PROPULSORES DE DC

Las ventajas de un control por microcomputadora son: tamao reducido, costos menores de cableado electrnico, ms confiabilidad, mejor rendimiento, flexibilidad para cambiar la estrategia de control mediante software, control preciso de las variables de funcionamiento principales, dar un diagnostico para la localizacin de fallas y mantener comunicacin con la computadora supervisora central. En la figura 7.25 se muestra el diagrama de bloques de un sistema de control por microcomputadora de un propulsor de DC de cuatro cuadrantes alimentado por convertidor. El propulsor controlado por microprocesador se ha convertido en la norma. El control analgico se ha hecho prcticamente obsoleto.

Diagrama esquemtico de un propulsor de cd en cuatro cuadrantes controlado por computadora

Figura 7.25


114

6. ESQUEMAS DE INSTALACIN

A continuacin se tienen algunos esquemas de instalacin utilizando variadores de velocidad de motores DC tipo shunt. Se observar:

Enclavamientos y protecciones. Etapa de potencia. Ventilacin forzada. Sensor de velocidad. Sensor de corriente. Referencia de velocidad. Alimentacin de potencia y sensado. Sincronismo, etc.


115

Figura 7.26


116

Figura 7.27


117

Figura 7.28


118

Figura 7.29


119

Figura 7.30


120

Figura 7.31


121

VVAARRIIAADDOORR DDEE VVEELLOOCCIIDDAADD DDEE MMOOTTOORR DDCC

7. ETAPA DE CONTROL

CONTROL REALIMENTADO

Se presenta el Diagrama de Bloques del variador de velocidad de motor DC en el cual presentamos las principales partes que la conforman. Ver figura 1.8.

Figura 1.8

Las partes numeradas se detallan a continuacin: #1. Valor de referencia de Velocidad ingresando al bloque comparador. Normalmente es un valor de voltaje proporcionado por potencimetro, o seales normalizadas 0-10V / 4-20mA provenientes de un controlador. #2. Error de velocidad. Es el resultado de la comparacin de las seales denominadas valor de referencia de velocidad y realimentacin de velocidad. #3. Bloque Regulador de Velocidad. Reacciona con caractersticas proporcional-integral (PI) ante el error de velocidad que recibe a su entrada. La seal 4 es la salida. #4. Valor de referencia de Torque. Denominado as porque se compara con la realimentacin de corriente, la cual es proporcional al torque que desarrolla el motor. #5. Error de torque. Es el resultado de la comparacin de las seales denominadas valor de referencia de torque y realimentacin de corriente. #6. Bloque Regulador de Torque. Reacciona con caractersticas proporcional-integral (PI) ante el error de torque que recibe a su entrada. La seal 7 es la salida.

VAC

VDC A

Potencia

VAC

Realimentacin de corriente

Realimentacin de velocidad

1 2 3

4 6

7 5

8

11

9

10

VAC


122

#7. Mando disparo de tiristores. Es la seal DC que se transforma en pulsos de disparo luego de ingresar al circuito de disparo. El ngulo de disparo es tal que la potencia DC recibida por la armadura del motor sea la necesaria para mantener la velocidad del motor al valor de referencia deseado. #8. Realimentacin de Corriente. Es la seal que representa a la corriente de armadura, medida en forma directa por medio de un transformador de corriente DC o en forma indirecta por medio de una resistencia de pequeo valor (resistencia shunt). #9. Realimentacin de Corriente. Es la seal de medida de corriente de armadura pero en forma indirecta por medio de transformadores de corriente AC ubicados en la entrada de la etapa de potencia. Dicho valor de corriente debe ser rectificado por medio de puente de diodos y transformado en VDC por medio de una resistencia. #10. Realimentacin de Velocidad. Es la seal de medida de velocidad en forma indirecta por medio de tomar una muestra del voltaje de armadura (ver siguiente ecuacin 2-2). Dicho valor tiene un error

inherente de velocidad medida debido a la cada aa rI , razn por la cual

el Variador pierde precisin al tratar de controlar la velocidad. Para minimizar dicho problema se aplica la tcnica de Compensacin IxR. #11. Realimentacin de Velocidad. Es la seal de medida de velocidad en forma directa. El medidor de velocidad se acopla directamente al eje del motor. Existen dos tipos de dichos medidores los que se denominan: Tacogenerador (Dinamo-Tacomtrica) y Encoder. El tacogenerador proporciona una seal tipo voltaje analgico DC proporcional a la velocidad del eje del motor y con polaridad dependiendo del sentido de giro. Usar el Tacogenerador permite una precisin de velocidad del orden de 0.1%. El encoder proporciona cuatro seales digitales desfasadas de a dos, los cuales proporcionan informacin de velocidad, sentido de giro y posicin. Usar el Encoder permite una precisin de velocidad del orden de 0.01%. Se tiene los siguientes ejemplos: a) Las instrucciones desde una estacin de control de operador, u otra

entrada, son enviadas hacia el regulador, ver figura 1.9. El regulador compara las instrucciones con las realimentaciones de voltaje y corriente y enva la seal apropiada hacia el circuito de disparo. Dicha etapa acondiciona los pulsos de disparo que activarn a los Transistores o tiristores, causando su conduccin. En algunos diseos, el regulador y circuito de disparo estn unidos en un solo circuito digital.


123

Figura 1.9

La realimentacin de voltaje da una indicacin de la velocidad del motor, y la corriente indica el torque del motor.

De dichas ecuaciones y despreciando la cada en la inductancia aL se

tiene:

faaa InkrIV (1-2)

De la ecuacin anterior observamos que la realimentacin de voltaje

de armadura aV es una forma indirecta de medir la velocidad n en el

motor. Lo ideal sera medir el valor del voltaje contra-electromotriz

aE pero, eso es imposible, por lo tanto lo mejor es medir el voltaje

de armadura aplicado y restar de ella un voltaje igual a la cada aa rI ;

esto es posible gracias a que la cada de voltaje en los extremos de cualquier resistencia es proporcional a la cada en la resistencia de la armadura. Los ajustes tpicos en el regulador incluyen: mnima velocidad, mxima velocidad, lmite de corriente (torque), compensacin IR (carga), y ajuste de la tasa de aceleracin.

b) Para un control ms preciso de la velocidad, un Encoder o

Tacogenerador pueden ser montados en el motor para dar una seal de realimentacin, ver figura 1.10, que es proporcional a la velocidad actual del motor. La calidad de estos, y del regulador, determina la precisin total del variador.


124

Figura 1.10

En la figura 1.9 se observa que las bobinas de campo y armadura son alimentadas por circuitos independientes. Generalmente la alimentacin que recibe el campo es constante, por lo que se facilita la caracterstica de control de torque, la cual depender nicamente de la corriente aplicada a la armadura. En la figura 1.11 se representa el modo de control mencionado, el cual es del tipo Control Vectorial pues se tiene la habilidad de controlar independientemente las corrientes que producen el flujo y torque en un motor con el propsito de controlar con precisin su torque y potencia. El ngulo d es de 90 debido a la posicin mecnica entre el conmutador y las escobillas, por lo tanto el torque es directamente proporcional a la corriente de armadura (Ia) ya que If es constante. Observe que al aumentar la carga del motor, la velocidad tiende a disminuir, y por lo tanto el variador debe ser capaz de proporcionar mayor Ia al motor para compensar dicho incremento de carga y as mantener la velocidad constante.


125

Te= k I

a If Sen (d)

If

Ia

carga 1

carga 2

d

Figura 1.11

TRANSDUCTORES DE VELOCIDAD Y CORRIENTE

Los transductores son elementos que cambian una magnitud fsica a otra, es decir. Magnitud fsica de velocidad angular se puede cambiar a una magnitud

fsica de voltaje.

Magnitud fsica de corriente se cambia a voltaje. Magnitud fsica de movimiento angular se cambia a voltajes senoidales.

Entre los transductores que se utilizan para medir velocidad tenemos:

ENCODER

Los Encoder estn divididos en dos grupos: Incremental y Absoluto. Encoder Incremental, cuentan simplemente el paso de una divisin del circulo y entregan salidas pulsantes que permiten almacenar la cuenta y conocer el sentido de rotacin. Este mtodo es conocido como sistema de salida A Quad B y se muestra en la figura 1.12.

Figura 1.12

A

B

Impulso de ngulo cero


126

En este mtodo, el sentido de giro se deduce de la presencia de los frentes de los trenes de impulsos A y B. Una transicin de 0 a 1 en A se produce antes que una transicin de la misma forma en B en un sentido de rotacin, y lo contrario sucede si el giro es en sentido opuesto, ver figura 1.13. Durante la rotacin del eje, cada vez que pasa por la posicin cero se genera un impulso sincrnicamente con A y B. Los Encoder incrementales producen estos impulsos a partir de dispositivos fotoelctricos. La ventaja del Encoder incremental es que la posicin inicial no es conocida en el instante de la puesta en marcha.

Figura 1.13

Algunos valores nominales de los Encoder Incrementales son: 1024 pulsos por revolucin, 300 pulsos por revolucin, etc. Encoder Absoluto, proporcionan una salida digital paralelo que es generada por un patrn situado sobre un disco rotativo acoplado al eje. Los sensores empleados en este caso pueden ser contactos elctricos o un sistema fotoelctrico. Pueden utilizarse diversos cdigos, siendo el binario y el Gray los ms corrientes, y es posible alcanzar resoluciones y precisiones muy altas, del orden de 16 bits (20 segundos de arco) y superiores. Este mtodo tiene el inconveniente de su elevado costo y presenta el problema de la transmisin de los datos en paralelo si el Encoder se halla distante del sistema electrnico de medida.


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RESOLVER Resolver, es un transformador rotativo cuya tensin analgica de salida est relacionada nicamente con el ngulo de su eje. Es, por lo tanto, un transductor de posicin absoluta con un ngulo de rotacin de 0 a 360. Ver figura 1.14. El resolver como transductor de medida de ngulo presenta diversas ventajas. En primer lugar, es un dispositivo mecnico robusto que puede soportar ambientes agresivos de polvo, aceite, temperaturas extremas y radiaciones. En segundo lugar, por ser un transformador introduce separacin de seal y el rechazo natural de modo comn de las interferencias elctricas.

Figura 1.14

Esta caracterstica, asociada con el echo de que slo se necesitan cuatro hilos para la transmisin de datos angulares, hace al resolver nico en la medida de ngulos e idealmente apropiados para operar en las duras condiciones ambientales propias de la industria pesada y aeroespacial. Actualmente se dispone de resolvers sin escobillas, que no necesitan establecer ningn contacto con el rotor, lo que aumenta en gran medida la duracin y fiabilidad del dispositivo.

TACMETROS Tacogenerador (Tach) Dnamo Tacomtrica (DT), es una mquina elctrica DC que convierte energa mecnica a energa elctrica, es decir que trabaja como generador DC. Sus partes son: Estator conformado por un imn permanente que proporciona el flujo magntico F, y


128

Rotor construido de un ncleo laminado ranurado, sobre el cual se tienen bobinados de alambres de cobre, los que terminan en el conmutador y escobillas necesarios para transformar el voltaje inducido en salida disponible DC. Ver figura 1.15.

Figura 1.15

El eje del tacmetro se acopla con el eje del motor del cual se va a tomar la medida de velocidad. Al girar el motor, su eje arrastra al del tacmetro, el cual responde en su salida con un voltaje DC directamente proporcional a la velocidad del motor. Se tiene la siguiente ecuacin que relaciona la velocidad de

entrada n (en RPM) y el voltaje DC de salida outV del

tacmetro:

nkV Fout (1-3)

La polaridad de la salida depende del sentido de giro. Las unidades comnmente usadas para la placa de datos del tacmetro son por ejemplo, 20V/RPM.

TRANSFORMADOR DE CORRIENTE AC

Conformado por un ncleo laminado toroidal alrededor del cual se encuentra el bobinado inducido que viene a ser el secundario. Por el agujero del ncleo toroidal va el cable de la corriente a medir (Iprimario), dicha corriente es AC; la corriente de salida se denomina Isecundario, y tambin es AC pero de un valor menor, de acuerdo a la relacin de transformacin segn su placa de datos. La corriente secundaria debe ser rectificada mediante puente de diodos y convertida a voltios tal como se muestra en la figura 1.16.

n DT

Vout DT


129

Figura 1.16

Se tiene la siguiente relacin:

RIkV PRIMARIOOUT 1 (1-4)

Donde k1 es la relacin de transformacin (IPRIMARIO/ISECUNDARIO) nominal y R es la resistencia de conversin de corriente a voltaje. El transformador de corriente AC va colocado en la lnea de alimentacin a la etapa de potencia y su finalidad es medir en forma indirecta la corriente DC que consume la armadura.

TRANSFORMADOR DE CORRIENTE DC Se basa en el fenmeno de efecto Hall en el que los portadores de carga que se mueven a travs de un campo magntico son forzados hacia un lado del medio del conductor, luego la distribucin no uniforme de la carga produce una diferencia de potencial de lado a lado, el cual se denomina Voltaje Hall. En la figura 1.17 se muestra una aplicacin como medidor de flujo de potencia.


130

Figura 1.17

RESISTENCIA SHUNT

Conformado por una barra de cobre o bronce, la cual es colocada en serie con el conductor cuya corriente DC se desea medir. Ver figura 1.18.

Figura 1.18

Se basa en el principio de cada de voltaje que produce una resistencia al ser atravesada por una corriente (Ley de Ohm). La ecuacin que representa la relacin es:

ARMADURAIkmVVout 2)( (1-5)

Donde k2 es la relacin de transformacin en mV/Amperios nominales dada en la placa de datos de dicha resistencia shunt.


131

Se especifica del siguiente modo: k2=20mV/50A, k2=50mV/50A, etc. Lo cual quiere decir, para el primer caso, que al pasar una corriente mxima de 50ADC existe una cada de voltaje igual a 20mV en los bornes de la resistencia shunt. Su ventaja es el costo econmico. La desventaja es que no tiene aislamiento entre etapa de potencia y etapa de control; adems es necesario amplificar la seal de salida del orden de mV a V. En algunas aplicaciones, para conservar el aislamiento entre etapa de potencia y control, se utiliza una tarjeta convertidora DC/DC la cual cumple tambin la funcin de amplificar la seal de proporcional a la corriente que va a recibir la etapa de control.

CONCEPTOS DE CONTROL

CONTROL DE PROCESOS

Es un mtodo por el cual un Proceso de fabricacin puede ser controlado de forma continua y automtica, con resultados regulares y coherentes. El control de procesos define el sistema general, sus componentes, y sus respectivas capacidades. El control de procesos puede tener los siguientes nombres: Control de lotes (batch) continuos.

Control de bucle cerrado.

Control de bomba.

Control de nivel.

Control trmico de zona.

Control automtico.

Se tienen las siguientes ventajas:

La capacidad de fabricar un producto con exactitud repetible.

El uso ms eficaz y eficiente de las instalaciones de la planta. Permite al operador dedicarse a trabajos ms productivos y

que requiera mayor destreza.

Se reducen las tareas aburridas y se evita que haya trabajadores expuestos a operaciones peligrosas.

Mayor productividad, menor desperdicio.


132

CONTROL DE BUCLE ABIERTO (SIN REALIMENTACIN) Se denomina as a un sistema de control que no detecta su propia salida y por lo tanto no hace correcciones en el proceso. No hay retroalimentacin al sistema de control que le permita a ste regular el proceso.

CONTROL DE BUCLE CERRADO (CON REALIMENTACIN) Ofrece al usuario la capacidad de programar una determinada operacin de modo que se realice en forma regular y coherente. Un sistema de control que haya sido correctamente preparado har ello independientemente de casi todas las influencias (perturbaciones) externas. El control Proporcional-Integral-Derivativo (PID) tiene como fin especfico mantener la regularidad del proceso y compensar las perturbaciones externas.

DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN SISTEMA REALIMENTADO Los sistemas de control se representan usualmente mediante una serie de bloques interconectados. Los bloques representan las funciones especficas del sistema. Ver figura 1.19.

Figura 1.19

Todo sistema realimentado puede dividirse en cuatro operaciones bsicas:


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1. Medicin de la variable controlada

La variable controlada puede ser temperatura, velocidad, espesor, presin de agua, etc. Como elemento de medicin se usa un sensor, y la medicin obtenida se convierte luego en una seal compatible con las entradas del control, por lo general voltaje (0-10V) o corriente (4-20mA). Esta seal representa a la variable controlada.

2. Determinacin del error

Esto se realiza en la seccin de comparacin.

VmedidaVrefError (1-6)

3. La seal de error

Es usada luego por el control para cambiar el torque o la velocidad del motor.

4. La variable controlada

Se emplea despus el torque o la velocidad del motor para reducir la seal de error accionando el control de manera que el valor real de la variable controlada se aproxime al valor de referencia (Vref). Es importante notar que los sistemas de control realimentados son accionados mediante el error; es decir, deber existir un error antes que el sistema trate de hacer la correccin respectiva.

DEFINICIN DE P (GANANCIA PROPORCIONAL) Es la amplificacin que se aplica a la seal de error del proceso y que va a resultar en una determinada salida del control. La ganancia proporcional se define como:

PkAout (1-7)

Donde: Aout = Salida del control KP = Ganancia proporcional

= Seal de error del proceso La ecuacin (1-7) se puede interpretar como:

La amplitud de la salida del control es funcin del error del proceso, multiplicado por la ganancia proporcional.


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Para una determinada magnitud del error, cuanto mayor sea la ganancia proporcional, mayor ser la salida.

Para un determinado valor de la ganancia proporcional, cuanto mayor sea el error, mayor ser la salida.

Ver figura 1.20 para aclarar la definicin de ganancia proporcional.

Figura 1.20

DEFINICIN DE I (GANANCIA INTEGRAL) La ganancia integral (al igual que la ganancia proporcional) es una amplificacin de la seal de error del proceso, pero depende del tiempo. Un error de estado estacionario que se mantienen durante un largo perodo de tiempo es conocido como desviacin (offset o desequilibrio). La ganancia integral compensa esta desviacin o error a largo plazo.

La ganancia integral se define como:

tkAout i (1-8)

Donde: Aout = Salida del control. = Seal de error del proceso.

t = Cambio en el tiempo. La interpretacin de la ecuacin (1-8) es:

La salida del control (Aout) es igual a la ganancia integral (ki), multiplicada por el error acumulado durante un intervalo de tiempo t.


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El error de largo plazo se acumula a travs del tiempo y la ganancia integral permite compensar y reducir el error de largo plazo.

En general, si usted usara en un proceso tan solo el control proporcional, la salida del control nunca hara que la variable controlada sea exactamente igual al valor de referencia. Siempre habra una pequea cantidad de error. La caracterstica integral detecta esta desviacin de largo plazo y corrige la salida del control para reducir el efecto de tal desviacin. Ver figura 1.21 para mejor interpretacin de dicha variable.

Figura 1.21

DEFINICIN DE D (GANANCIA DIFERENCIAL) El elemento diferencial es proporcional a la tasa de cambio del error del proceso. La ganancia diferencial se proporciona para reducir la sobremodulacin (overshoot o sobreimpulso) del control de procesos durante perturbaciones repentinas de gran magnitud. El elemento diferencial responde nicamente durante las condiciones transitorias. La ganancia diferencial se define como:

tkAout D

(1-9)

Donde: KD = Ganancia diferencial.

t

= Cambio en la seal de error del proceso dividida por

el cambio del tiempo.


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La interpretacin de la ecuacin (1-9) es: Al producirse un gran cambio en el error del proceso durante

un perodo fijo de tiempo, el trmino diferencial ejercer un efecto grande sobre la salida de control.

Un pequeo cambio en el error del proceso durante un perodo fijo de tiempo ejercer menor efecto sobre la salida del control.

En la mayora de las aplicaciones la ganancia diferencial es raramente usada. De ser necesaria, se la deber emplear con sumo cuidado, puesto que podra provocar inestabilidad. Ver figura 1.22.

Figura 1.22

DEFINICIN DE PID (PROPORCIONAL, INTEGRAL, DERIVATIVO) Es la suma total de los tres elementos de ganancia, y puede expresarse como sigue:

t

ktkkAout DIP

(1-10)

Se puede interpretar la ecuacin anterior: La ganancia Proporcional es una ganancia de estado

estacionario y est siempre activa.

La ganancia Integral estar activa solamente ante desviaciones por errores de largo plazo. No estar activa en el bucle de control cuando los errores son de breve duracin.

La ganancia diferencial estar activa solamente ante desviaciones por errores transitorios, de corto plazo. No estar activa en el bucle de control cuando los errores son de larga duracin.


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Ver la figura 1.23.

Figura 1.23

8. CRITERIOS PARA LA PUESTA EN MARCHA

Antes de proceder a la puesta en marcha del Variador, es imprescindible haber ledo el manual respectivo, en donde el fabricante nos proporciona informacin sobre las pruebas previas a efectuar en las etapas de potencia y control. El mtodo que presentamos a continuacin puede servir como una referencia de pruebas usadas sobre todo en Variadores del tipo analgicos. Dichas pruebas deben ser realizadas estando el Variador sin alimentacin de energa.

COMPROBACIN ESTADO DE LA ETAPA DE POTENCIA

Destape el equipo Variador y compruebe el estado de los diodos y tiristores que conforman la etapa de potencia. Observar que se tienen dos partes, las cuales corresponden a los circuitos de alimentacin de armadura y campo. Utilice un multmetro digital en escala de diodos, ver figura 1.24. Es importante que tenga conocimiento del tipo de rectificador controlado implementado por el fabricante.

Figura 1.24

GND

Cable

rojo

Cable

negro

nodo

Ctodo

0.45V


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Revise el estado de los fusibles, los cables de conexin, las borneras de fuerza, los empalmes, los puentes que sirven para adaptar la etapa de potencia para diversos niveles de voltajes de alimentacin (110VAC, 220VAC, 380VAC, 440VAC), los sensores de corriente y velocidad, etc. Por medio de observacin minuciosa determine si existen restos de suciedad, polvo o humedad. Proceda a la limpieza con un trapo seco que no deje pelusa o en todo caso con una brocha de pelo de cerda para evitar problemas de carga esttica. Terminado el procedimiento, el equipo Variador debe ser ensamblado nuevamente y preparado para la siguiente fase.

COMPROBACIN ESTADO DE LA ETAPA DE CONTROL Sin aplicar energa y con ayuda del manual del fabricante, efectuar los empalmes de conexin a las borneras de potencia y control. La bornera de potencia se puede describir generalmente como sigue: (Ver figura 1.25).

Figura 1.25

En donde: Las borneras L1, L2 y L3 es la entrada de alimentacin VAC del nivel de voltaje ajustado en el procedimiento anterior (se a tomado como ejemplo un Variador de velocidad trifsico que son los ms usados a nivel industrial). Dichos voltajes de lnea alimentan a los circuitos rectificadores de armadura y campo. Las borneras +A y A son la salida del rectificador que se encargar de alimentar a la armadura con voltaje DC. Las borneras +F y F son la salida del rectificador que se encargar de alimentar con voltaje DC al campo del motor.

L1 L2 L3 +A -A +F -F

Lmparas VAC


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Durante la comprobacin de la etapa de potencia, las salidas de armadura y campo de la bornera de potencia se conectan a unas lmparas que simularn, por el momento, la funcin de dichas bobinas. La bornera de control (ver figura 1.26) se describe como sigue:

Figura 1.26

Normalmente: La bornera L1, L2 y L3 es el mismo voltaje que alimenta a la bornera de potencia (salvo indicacin en contrario del fabricante). La entrada Run permite habilitar el funcionamiento del Variador. El potencimetro Vreferencia es la seal de referencia de velocidad (en sentido de giro horario el punto deslizante debe unirse con +V). La bornera +DT y DT es la entrada de la seal de realimentacin de velocidad que normalmente se conecta al Tacogenerador, pero en este caso de prueba, se reemplaza por una fuente de alimentacin DC de valor adecuado. El procedimiento de prueba de la etapa de control es: Ajuste el potencimetro Vreferencia y la fuente DC al mnimo (sentido antihorario). El interruptor Parada/Marcha debe estar abierto. Alimentar con voltaje VAC ambas borneras. La lmpara que representa a la bobina de campo se encender inmediatamente. Cierre el interruptor Parada/Marcha. La lmpara que representa a la armadura debe permanecer apagada (a menos que su ajuste de velocidad mnima sea diferente de cero). Gire ligeramente en sentido horario el potencimetro Vreferencia hasta observar que la lmpara de armadura comience a iluminar. Dicho incremento de iluminacin aumenta lentamente (indicndonos que el

L1 L2 L3 Run 0v +V SP +DT -DT

Parada/Marcha

Vreferencia

Fuente DC


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Variador tiene rampa de aceleracin) hasta que alcanza el mximo voltaje posible de armadura segn placa de datos del Variador. Gire lentamente en sentido horario la fuente DC hasta observar que la lmpara de armadura comienza a apagarse lentamente (indicndonos que tiene rampa de desaceleracin) hasta iluminacin mnima. Si el Variador responde de la forma indicada lneas arriba se concluye que la etapa de control se encuentra operativa. Apague el Variador y desconecte los empalmes de prueba.

INSTALACIN DEL VARIADOR Luego de seguir el procedimiento de prueba, se contina con la instalacin del variador en el lugar designado para el caso, teniendo en cuenta las condiciones de puesta a tierra, distancias con otros equipos, facilidad de operacin para el usuario, ventilacin etc., tal como indica el fabricante en su manual de instalacin. Como ejemplo ver figura 1.27. No olvide que el motor a ser impulsado por el Variador debe haber sido previamente revisado comprobando que no tenga problemas mecnicos, falta de asentamiento de escobillas, bajo aislamiento, falta de ventilacin forzada, etc. Siempre es recomendable verificar la placa de datos del motor y Variador. Normalmente el voltaje de salida mxima del Variador debe ser mayor que el del motor para poder ser capaz de proporcionar 150% de torque adicional durante breves segundos ante cargas de gran inercia.


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Figura 1.27

PUESTA EN MARCHA La puesta en marcha se realiza con el motor DC instalado como carga del Variador. Las conexiones de las borneras de Potencia y Control deben ser realizadas segn las indicaciones del fabricante del variador para un ptimo resultado en el control de velocidad del motor. En la actualidad los Variadores de velocidad digitales facilitan la puesta en marcha pues disponen de un teclado y su pantalla respectiva donde se observan los valores de parmetros a ser ajustados. A continuacin mostramos los principales parmetros que normalmente deben ser ajustados para conseguir un ptima performance del equipo Variador de Velocidad Realimentacin de velocidad Normalmente los fabricantes disponen la posibilidad de usar realimentacin por armadura, tacogenerador o encoder. Se debe escoger


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cualquiera de ellas. Todo depender de la exactitud con la que se quiere tener el control de velocidad. Velocidad Mnima Es un potencimetro interno del Variador que se ajusta por nica vez. El potencimetro Vreferencia debe estar al mnimo (sentido antihorario) para poder ajustar la velocidad mnima de comn acuerdo con la persona encargada de la supervisin del proceso industrial del que formara parte el Variador Velocidad Mxima Al igual que el caso anterior, es un potencimetro interno del Variador. Su ajuste se efecta por nica vez. El potencimetro Vreferencia debe estar al mximo (sentido horario) para poder ajustar la velocidad mxima. Rampa de aceleracin Potencimetro interno y ajustable por nica vez. Su valor depende del proceso industrial a controlar. Se debe consultar con el responsable. Rampa de desaceleracin Igual que el caso anterior. Lmite de corriente Potencimetro interno y ajustable por nica vez. Su valor debe ser tal que no permita al Variador proporcionar corriente de armadura mayor al valor nominal del motor. Por lo tanto es una proteccin tanto para el motor como para la etapa de potencia del Variador. Para ajustar correctamente se procede como sigue: a) Potencimetros Vreferencia y Lmite de corriente al mnimo. b) Retire alimentacin de campo del motor trabe el eje. c) Coloque una pinza amperimtrica en la armadura del motor. d) Alimente con energa al Variador. e) Potencimetro Vreferencia incremente lentamente al mximo. La

corriente de armadura no debe subir demasiado. f) Ajuste lentamente en sentido horario el potencimetro de Lmite de

corriente hasta que el valor medido de la corriente de armadura sea igual al valor nominal visto en placa de datos del motor.

g) Selle el potencimetro de Lmite de corriente para que no se pueda manipular. Retorne el potencimetro Vreferencia al mnimo.

h) Apague el Variador y destrabe el eje del motor instale nuevamente el campo.


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Compensacin IxR Potencimetro interno ajustable por nica vez. Slo se debe usar cuando la realimentacin de velocidad es por medio de voltaje de armadura. El procedimiento a seguir es: a) Encienda el Variador, Compensacin IxR debe estar al mnimo.

Maniobre Vreferencia hasta que la velocidad del motor sea un valor conocido. Anote dicho valor. El motor debe estar en vaco o a carga mnima.

b) Aplique carga mxima al motor. Anote su velocidad, la cual debe ser menor que el valor en vaco. Incremente ligeramente el potencimetro de Compensacin IxR hasta lograr que la velocidad del motor se acerque a su valor en vaco. Realice ms pruebas para diferentes cargas y luego selle el potencimetro Compensacin IxR.

Ajuste de Estabilidad Los potencimetros de estabilidad o sintona deben estar ajustados tal como lo indica inicialmente el fabricante del Variador. Luego encienda el Variador y manipule la velocidad del motor hasta un valor intermedio. Aplique carga al motor y observe la reaccin del cambio de velocidad del motor. El Variador debe controlar la velocidad del motor sin causar oscilaciones ante cambios de carga. Siga las indicaciones del fabricante. Ejemplos: A continuacin presentamos algunos ejemplos de sintonizacin de Variadores, con los que pretendemos dar una idea de algunos procedimientos a seguir para lograr que el sistema controlado trabaje de manera ptima.

SINTONIZACIN MANUAL CON UN MULTMETRO

Sintonizacin Manual Inicial de los Sistemas en General.

1. Ajuste la ganancia integral Ik a 0. 2. Ajuste la ganancia diferencial Dk a 0. 3. Ajuste la ganancia proporcional Pk en 20% de su mximo valor. 4. Habilite el control y hgalo funcionar con carga constante. Ajuste el

potencimetro de valor de referencia al punto medio de su rotacin. 5. Observe la seal de realimentacin con un multmetro.

6. Incremente Pk lentamente hasta que la realimentacin del proceso comience a aumentar. El objetivo es hacer que la realimentacin alcance de su rango total de escala completa. En caso que ocurran

oscilaciones, reduzca un poco Pk y contine el paso siguiente.


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7. Cambie el valor de referencia en un 20% aproximadamente, y observe la seal de realimentacin del proceso (o el motor, si resulta conveniente).

8. Si la respuesta ha sido estable, incremente Pk hasta que la realimentacin del proceso oscile un poco al efectuarse el paso 7.

Disminuya luego lentamente Pk hasta que la realimentacin del proceso sea estable. Este parmetro estar definido.

NOTA: Mientras se opera con carga constante, el valor realimentado no ser igual que el valor de referencia. Esto ser sintonizado luego. Ver figura 1.28.

Figura 1.28

9. Habilite el control y hgalo funcionar con una carga constante. Ajuste

la seal de referencia a la mitad de su mximo valor. Maniobre Ik a un valor pequeo, por ejemplo 0,1 Hz. Observe la seal de realimentacin del proceso, la que deber aumentar lentamente durante un perodo de varios segundos hasta alcanzar exactamente

el valor de referencia. Aumente Ik para reducir el tiempo que lleva eliminar el error de estado estacionario. Si el sistema comienza a

oscilar o se hace inestable, reduzca Ik . Una ganancia integral del proceso que sea demasiada alta crear fcilmente inestabilidad en casi cualquier sistema. Use el mnimo valor de ganancia que resulte necesario para lograr la operacin apropiada. Ver figura 1.29.


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Figura 1.29

10. Si el sistema sigue inestable o responde poco, revise el

dimensionamiento del motor y el control con respecto a la carga. Compruebe tambin si el parmetro Velocidad Mxima es suficientemente alta. En algunos casos dicho parmetro puede ser el factor limitante, o quizs el conjunto de motor y control resulte demasiado pequeo para la aplicacin.

SINTONIZACIN MANUAL CON UN OSCILOSCOPIO

Un aumento en la ganancia proporcional Pk resultar en una respuesta rpida, y una ganancia proporcional excesiva ocasionar sobremodulacin (sobreimpulso u overshoot) y oscilaciones transitorias (ringing). Al disminuir la ganancia proporcional se obtendr una respuesta ms lenta, y mermarn la sobremodulacin y las oscilaciones transitorias provocadas por una ganancia proporcional excesiva. Si la ganancia proporcional y la ganancia integral se ajustan con valores que son demasiado prximas uno al otro, puede tambin ocurrir una condicin de sobremodulacin. El valor en Hz de la ganancia integral puede definirse como cualquier

magnitud desde 0 a 10Hz. Al definirse Ik como 0, se elimina la compensacin integral, resultando en un bucle de tasa proporcional. Esta seleccin es ideal para aquellos sistemas en que debe evitarse la sobremodulacin y que no requieran un grado sustancial de rigidez (la capacidad de la unidad de mantener la velocidad de referencia pese a las cargas de torques variables).


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Al incrementarse el valor de la ganancia integral se aumenta la ganancia de baja frecuencia y la rigidez de la unidad; una ganancia integral excesiva va a producir sobremodulacin ante mandos de velocidad transitorios y puede resultar en oscilaciones. El ajuste tpico es de 1 a 4Hz. Para sintonizar manualmente el control de velocidad proceder de la siguiente manera, observando con osciloscopio la seal de la variable medida: 1. La ganancia integral debe estar al mnimo (Se define 0 como sin

ganancia integral y 10 como mxima ganancia integral). 2. La ganancia diferencial al mnimo.

3. Ajuste el parmetro Pk hasta lograr una respuesta adecuada a los mandos escalonados del valor de referencia.

4. Aumente Ik para incrementar la rigidez de la unidad. Es conveniente monitorear la respuesta escalonada de la realimentacin usando un osciloscopio de almacenamiento. Las figuras siguientes ilustran como se ver en un osciloscopio la respuesta de la realimentacin bajo diversos ajustes de las ganancias. Estas formas de onda muestran la respuesta durante un mando del punto de ajuste escalonado desde cero hasta 4/5 de la escala completa. La figura 1.30 muestra la respuesta de un bucle de tasa proporcional cuando la ganancia integral esta definida en 0 Hz. El valor de la ganancia proporcional es, sin embargo, demasiado bajo.

Figura 1.30

La figura 1.31 es un ejemplo de una ganancia proporcional excesiva: note las oscilaciones transitorias en la respuesta de la realimentacin del proceso.


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Figura 1.31

La figura 1.32 muestra la respuesta ptima para este sistema en particular (Ganancia proporcional del proceso= 100, y ganancia integral= 2.00 Hz).

Figura 1.32

En la figura 1.33 la ganancia integral fue puesta demasiado alta (2.00 Hz) para el valor de la ganancia proporcional (10). Como resultado, hay oscilaciones transitorias y sobremodulacin excesiva. Por lo tanto deber aumentarse la ganancia proporcional del proceso, o reducirse la ganancia integral del proceso.

Figura 1.33


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9. RESUMEN En la presente unidad se han mostrado las partes que conforman un Variador de Velocidad de motor DC: Etapa de Control y Etapa de Potencia. Respecto de la Etapa de potencia se pueden dividir en dos: Etapa de Potencia implementada con Transistores, usadas en aplicaciones de baja energa y con necesidad de respuestas dinmicas muy rpidas tal como el caso de control de posicin; y luego la Etapa de Potencia implementada con Tiristores, usadas en aplicaciones de gran energa para la industria en general. De la Etapa de Control se tienen dos partes principales: Regulador de Velocidad y Regulador de Torque. Del correcto ajuste o sintona de cada uno de dichos reguladores depender la ptima respuesta del sistema de control ante cambios de carga que tratarn de desestabilizarlo. Se comprob que el motor DC de excitacin independiente, debido a sus propias caractersticas, es muy fcil de controlar pues el parmetro Torque es prcticamente proporcional a la corriente de armadura (pues la corriente de campo es normalmente mantenido constante), denominndose Control Vectorial al modo de control empleado. Dicha caracterstica permite un control muy fino de su velocidad, cuya precisin tambin depende del tipo de transductor empleado. Los transductores muy usados en los Variadores de velocidad de motor DC son: transformadores de corriente AC, de corriente DC, resistencia shunt, Encoder, etc. Para la comprobacin del estado en que se encuentra el Variador antes de su puesta en marcha, se describieron algunos mtodos que nos ayudarn a determinar si dicho Variador efectivamente se encuentra en buen estado. En la presente unidad tambin se brindo informacin sobre Conceptos de Control tales como Control de Procesos, ganancia proporcional, ganancia integral y ganancia diferencial; los que comprobamos cumplen un importante papel durante la puesta en marcha del equipo Variador. Por ltimo, se tienen dos ejemplos que nos pueden servir de gua para aplicaciones en los cuales el fabricante del Variador no indique el modo de sintonizar correctamente el funcionamiento de todo el sistema controlado.


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10. PREGUNTAS DE AUTOCOMPROBACIN

1. Cules son las desventajas del transductor Resistencia Shunt?

a) Se requiere amplificar su seal de salida. b) Son muy caros. c) No aislan etapa de control y potencia. d) Respuestas a y b. e) Respuestas a y c.

2. El torque del motor DC de EXCITACIN independiente NICAMENTE es dependiente de:

a) La velocidad del motor. b) La corriente de campo. c) La corriente de armadura. d) Respuestas b y c. e) Respuestas a y b.

3. La funcin que cumple el regulador de VELOCIDAD es:

a) Mantener la velocidad del motor a un valor constante igual al de la referencia.

b) Proporcionar una referencia de torque al regulador de torque. c) Permitir sintonizar el parmetro de velocidad. d) Todas las anteriores. e) Respuestas a y b.

4. El control vectorial nos permite:

a) Controlar independientemente las corrientes que producen flujo y torque en un motor DC.

b) Controlar independientemente las corrientes que producen flujo y torque en un motor AC.

c) Controlar independientemente las corrientes que producen flujo y torque en un motor.

d) Controlar posicin del rotor de un motor DC. e) N.A.

5. Cul de los siguientes transductores de corriente es ms barato?

a) Transformador de corriente AC. b) Transformador de corriente DC. c) Resistencia shunt. d) Transformador de efecto Hall. e) N.A.


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11. RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE AUTOCOMPROBACIN

Pregunta 1: (e) Pregunta 2: (d) Pregunta 3: (d) Pregunta 4: (c) Pregunta 5: (c)

potencia

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