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apuntes de control de maquinas de ingenieria electricaTRANSCRIPT
INTRODUCCIÓN A LOS ACCIONAMIENTOS ELECTRICOS
• Definiciones y objetivos
• Descripción general de un accionamiento
• Aplicaciones con accionamientos eléctricos
• Tipos de motores eléctricos
• Dinámica de la carga arrastrada
• Tipos de cargas
• Tipos de accionamiento, campos de aplicación
• Parámetros de control
TEMA 1. ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS
Control de Máquinas Eléctricas 1
• Accionamiento eléctrico: “Sistema formado para convertir la potencia eléctrica de la red, en potencia mecánica”
• Accionamiento mínimo
• Objetivos:– Proceso
– Respuesta dinámica
– Calidad, confort
– Ahorro energético
DEFINICIONES Y OBJETIVOS
Figura 1: Estructura de un accionamiento
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Control de Máquinas Eléctricas 2
APLICACIONES CON ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS
TEMA 1. ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS
Control de Máquinas Eléctricas 3
CA/CC CC/CA
GS
excitación
• Motores de continua– Exc. Independiente
– Exc. Serie
• Motores AC de inducción– Rotor de jaula
– Rotor devanado
• Motores AC síncrono– Rotor devanado
– Rotor imanes permanentes
TIPOS DE MOTORES ELÉCTRICOS
Figura 2: Motores de continua
Figura 3: Motores de alterna
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• Motor de continua– Exc. Independiente
– Exc. Serie
– Comportamiento natural
MOTORES DE CONTINUA (I)
Figura 4: Modelo de la máquina DC y ecuaciones
Figura 6: Comportamiento natural de los motores serie y derivación.
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=−−
Φ=Φ=
≈Φ
+=
++=
dt
dJTTT
ikT
kE
ikdt
diLiRv
dt
diLiREv
rozresmot
Ai
A
Fm
FFFFF
AAAAAA
ω
ω
Figura 5: Conexiones serie y derivación.
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MOTORES DE CONTINUA (II)
Figura 7: Métodos de regulación de velocidad del motor DC con excitación independiente
• Estrategias de control– Velocidad constante
– Potencia constante
– Control de par
• Ventajas/inconvenientes DC ↔ AC– Facilidad de control
– Modelo matemático sencillo
– Colector de delgas
– Alimentación DC
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Control de Máquinas Eléctricas 7
MOTORES DE CONTINUA (III)
am IkT Φ=
• Modos de funcionamiento– Sistema mecánico
– Sistema eléctrico
Figura 8: Sistema mecánico. Funcionamiento en los cuatro cuadrantes
Figura 9: Modos de funcionamiento eléctrico: Motor, generador, “freno”
TEMA 1. ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS
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MODOS DE FUNCIONAMIENTO (I)
• Métodos de frenado– Regenerativo
• Regulación por V, Φ, Tap, limitación IA.
– Reostático• Transitorio, rendimiento, disponibilidad
– A contracorriente• Inversión de giro, transitorio, rendimiento Figura 10: Frenado regenerativo
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Control de Máquinas Eléctricas 9
MODOS DE FUNCIONAMIENTO (II)
ωextAextA
AA RR
k
RR
EI
+Φ−=
+−=
A
A
A
AAA R
kV
R
EVI
ωΦ−=−=
extA
AAA RR
EVI
++−= )(
Figura 11: Frenado reostáticoFigura 12: Frenado a contracorriente
MOTORES AC DE INDUCCIÓN
TEMA 1. ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS
Control de Máquinas Eléctricas 10
• Regulación de velocidad
– Velocidad de sincronismo• Polaridad
• Frecuencia
– Deslizamiento• Variación R rotor
• Variación V
• Control directo de par?
)1()1( sP
fsS −=−= ωω
{ [ ][ ] }rbrarcrcscrarbrbscrbraras
rbrarcsarcrbscrbrasmsi
seniiiiiiiiiiii
iiiiiiiiiLP
T
θθ
)'''()'''()'''(
cos)''()'()''(2
21
21
21
21
21
21
23
−−+−−+−−+
−+−′+−=
• Motor síncrono– Circuito equivalente
– Característica mecánica
– Regulación de velocidad
MOTORES AC SÍNCRONOS
Figura 14: Circuito equivalente por fase y característica mecánica
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δπ
δπω
ωδω
senf
V
L
ksen
Lf
kVsen
X
EVT A
SSS
SA
SS
AAi 2
3
2
33 Φ=Φ==
Figura 15: Regulación de velocidad por frecuencia de la tensión de alimentación
• Necesidades de la carga– selección motor + convertidor
• Dinámica del movimiento rotativo
DINAMICA DE LA CARGA ARRASTRADA (I)
( ) dt
dJJ
dt
dTT rm
ωω ≈⋅=−
( )ω
ωϕω⋅=
≈=
meje
r
TP
ftfT )(,,
22
2
1
;
RMdmrJ
dt
d
dt
d
vol
⋅≈⋅=
==
∫
ωαϕω
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DINAMICA DE LA CARGA ARRASTRADA (II)
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( ) ( )dt
dJTTTT racelrm
**)( :necesariomotor Par
ωωωω +=+≥
• Respuesta dinámica:
TIPOS DE CARGAS SEGÚN EL PAR RESISTENTE
Figura 16: Cargas de par constante y par lineal
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Figura 17: Cargas de par cuadrático y de potencia constante
• Características Tr y J
• Condiciones del proceso
• Inercias adicionales
• Transmisiones mecánicas
TIPOS DE CARGAS SEGÚN LA APLICACIÓN
Figura 18: Tipos de carga usuales
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Control de Máquinas Eléctricas 15
• Modelo del elevador
• Reductores mecánicos
MÁQUINAS DE ELEVACIÓN (I)
acelpesomotor
TAREextRETA
REadmot
acel
TARETAcablepeso
TAcpcapeext
cpcapecable
TTT
dt
d
JJ
JJJT
rFT
rmmmJ
gmmmF
+=
+
+++=
⋅⋅=
++=
−+=
*
212
212
12
2
//)/(/)/(
/)/(
))((
)(
ωηηωωηωω
ηηωω
Figura 19: Modelo ascensor
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Control de Máquinas Eléctricas 16
2
1
2
2
1
1
2
2
1 ;
==
ωω
ωω
J
J
T
T
MÁQUINAS DE ELEVACIÓN (II)
Figura 21: Evoluciones de potencia y velocidad
• Cuadros de marcha– Control de la aceleración
– Seguridad, confort
– Rapidez
• Aplicaciones– Ascensores
– Grúas
– Escaleras mecánicas
– Extractores minería
• Ahorro energético
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Figura 20: Cuadro de marcha
Figura 22: Circuito hidráulico cerrado
• Circuitos hidráulicos
ACCIONAMIENTO DE BOMBAS (I)
Figura 24: Circuito hidráulico abierto
Figura 23: Características H-Q circuito abierto
Figura 25: Características H-Q circuito abierto
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Hgp ⋅⋅= ρ
ACCIONAMIENTO DE BOMBAS (II)
• Bomba centrífuga
• Rendimiento y Potencia en el eje
– H,Peje, η = f (Q)
Peje = ρ · g · Q · H / η(w) (Kg/m3) (m/s2) (m3/s) (m.c.a)
TEMA 1. ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS
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Figura 26: Características bomba centrífuga
Figura 27: Punto de funcionamiento
ACCIONAMIENTO DE BOMBAS (III)
Figura 29: Regulación por velocidad de giro
• Accionamiento con motor eléctrico– P = k·ω3 ⇒ Tr = k· ω2
– J pequeña: arranque suave
– Tr muy regular
– ω alta (sin reductora)
– Servicio estacionario
– Ambiente húmedo
• Variación de ω– Relaciones de semejanza
QB = QA (ωB/ ωA)
HB = HA (ωB/ ωA)2
PB = PA (ωB/ ωA)3
TEMA 1. ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS
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Figura 28: Característica mecánica
• Regulación de caudal– Estrangulamiento
– Variación de ω• Ahorro energético
• Golpe de ariete
• Frenado regenerativo
• Costes mantenimiento
• Ahorro energético– P1 = ρ · g · Q · H1 / µ1
– P2 = ρ · g · Q · H2 / µ2· µinv
– Pahorro = P1 - P2
– Ahorro = Pahorro· t · precio
ACCIONAMIENTO DE BOMBAS (IV)
Figura 30: Regulación por estrangulamiento
Figura 31: Ahorro según caudal
TEMA 1. ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS
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• Presión estática y dinámica
pTOTAL = p +ρ · v2/2
• Potencia
P = Q ·∆pTOTAL
• Variación de ω• Punto de funcionamiento• Accionamiento con motor eléctrico
– Inercia– Temperatura
• Regulación de caudal– Estrangulamiento admisión– Variación de velocidad
ACCIONAMIENTO DE VENTILADORES
Figura 32: Curvas características ventilador centrífugo
Figura 33: Ahorro energético
TEMA 1. ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS
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• Alimentación– Externa
– Batería
– Motor + generador
• Cuadros de marcha
• Expresar en el eje del motor:– Fuerza de tracción
– Fricción viscosa y fluida
– Peso en pendientes
– Aceleraciones, inercias
• Rendimiento y ahorro energético
VEHICULOS ELÉCTRICOS
Figura 34: Tracción y fuerza motriz
Figura 35: Sistemas de tracción
TEMA 1. ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS
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NAVÍOS
COORDINACIÓN DE ACCIONAMIENTOS
TEMA 1. ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS
Control de Máquinas Eléctricas 24
• Factores– Cuadros de marcha
– Campo de regulación de ω– Máquina accionada ( Tr , J )
– Respuesta a cambios de consigna
– Precisión de la regulación
– Espacio de instalación
– Reactiva y armónicos
– Frenado recuperativo
– Rendimiento global
– Inversión y amortización
APLICACIONES INDUSTRIALES
Figura 36: Aplicaciones de los accionamientos
TEMA 1. ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS
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TIPOS DE ACCIONAMIENTO. CAMPOS DE APLICACIÓN
Figura 38: Rangos de aplicaciónFigura 37: Tipos de accionamiento AC
TEMA 1. ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS
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Figura 39: Lazos de control
• Convertidor
• Medidas
• Control
• Lazos de regulación
• Factores de mérito
PARÁMETROS DE CONTROL
Figura 40: Interrelación entre los componentes
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• Regulación DC con resistencias
• 1896: Grupo Ward-Leonard
• 1897: Velocidad regulable en escalones (Dahlander, ...)
• 1910: Motor de colector (16 2/3 Hz)
• 1928: Rectificadores de mercurio
• 1958: SCR (Tiristores)
• 1960: Regulación electrónica de V para motores de jaula
• 1980: GTO, IGBT, regulación rápida
• 1995: Aplicaciones de serie con control directo de par
EVOLUCIÓN HISTÓRICA
Figura 41: Grupo Ward-Leonard
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