Control De Maquinas Electricas

INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE COATZACOALCOS

PORTAFOLIO DE EVIDENCIAS

ASIGNATURA:

CONTROL DE MAQUINAS ELECTRICAS

Carrera: Ingeniería Eléctrica Semestre: 7°

Grupo: “B”

Docente: Ing. Daniel Alejandro Ramírez Torres.

INDICE Unidad 1.- Sensores y transductores 1.1. Dispositivos electromecánicos. 1.2. Conceptos generales de los sensores. 1.3. Transductores. 1.4. Encoder y Resolver. 1.5. Criterios de selección de sensores y transductores.

Unidad 2.- Control con dispositivos electromecánicos 2.1. Filosofía de control. 2.2. Necesidades del control eléctrico. 2.3. Simbología y abreviaciones utilizadas para la designación y numeración de dispositivos. 2.4. Control por relevadores. 2.5. Dispositivos de protección de las máquinas eléctricas. 2.6. Control de máquinas de corriente continua. 2.7. Arranque a tensión plena de motores monofásicos y trifásicos. 2.8. Arranque a tensión reducida de motores trifásicos.

Unidad 3.- Arrancadores estáticos 3.1. Introducción al control estático. 3.2. Teoría de funcionamiento. 3.3. Utilización de dispositivos de estado sólido de potencia en el arranque de las máquinas eléctricas.

Unidad 4.- Variadores de velocidad 4.1. Esquemas de la variación de la velocidad de las máquinas eléctricas. 4.2. Control eléctrico de velocidad de motores de doble régimen. 4.3. Variadores de velocidad estático de máquinas de corriente continua. 4.4. Variadores de velocidad estáticos de máquinas de corriente alterna.

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PORTAFOLIO DE EVIDENCIAS Unidad 1.- Sensores y transductores ASIGNATURA:

CONTROL DE MAQUINAS ELECTRICAS

Carrera: Ingeniería Eléctrica Semestre: 7°

Grupo: “B”

Docente: Ing. Daniel Alejandro Ramírez Torres.

INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE COATZACOALCOS Departamento: Ingeniería Eléctrica Materia: Control de Maquinas Eléctricas. Maestro: Ing. Daniel Alejandro Ramírez Torres Nombre Alumno: Unidad: Tema:

1 7B Grado y Grupo: Sensores y transductores

Actividad:

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1 7B Grado y Grupo: Sensores y transductores

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1 7B Grado y Grupo: Sensores y transductores

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1 7B Grado y Grupo: Sensores y transductores

Actividad:

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1 7B Grado y Grupo: Sensores y transductores

Actividad:

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1 7B Grado y Grupo: Sensores y transductores

Actividad:

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PORTAFOLIO DE EVIDENCIAS Unidad 2.- Control con dispositivos electromecánicos ASIGNATURA:

CONTROL DE MAQUINAS ELECTRICAS

Carrera: Ingeniería Eléctrica Semestre: 7°

Grupo: “B”

Docente: Ing. Daniel Alejandro Ramírez Torres.

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2 7 B Actividad: Grado y Grupo: Control con dispositivos electromecánicos

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2.1.- FILOSOFIA DE CONTROL Los sistemas existen independientemente del observador que los estudia, y sus propiedades deben ser descubiertas a fin de poder usarlos con algún propósito. Una de las formas en que usa el hombre a estos conocimientos es el control de estos sistemas y en particular interesan los sistemas productivos ya sea de bienes o suministros. La palabra control es usada en diferentes contextos, la esencia de ella está en la acción de controlar que es lograr que lo que se controla evolucione, actúe de una forma previamente establecida. Para lograr controlar se requiere al menos la existencia de un nuevo sistema llamado controlador. El control supone la interacción entre dos sistemas: el controlador y el sistema controlado, ambos forman el sistema bajo control. La interacción ocurre cuando el controlador usa sus salidas como estímulos para el sistema controlado; a su vez la respuesta de este sirve como entrada al controlador. A veces para controlar se requiere suministrar fuerzas y energías al sistema controlado, en ese caso es necesario disponer de un amplificador de las salidas del controlador. Esto se logra con otro sistema llamado sistema de actuación el que obtiene la energía de redes de suministro, por ejemplo de la red eléctrica pública. En ocasiones, es posible que el controlador y el sistema controlado más el sistema de actuación formen físicamente un todo, en tal caso se dice que el sistema en global presenta un control interno o auto control. El hombre en sí mismo es un sistema autocontrolado que tiende a controlar a otros sistemas. En particular ha controlado por siempre a los sistemas que emplea para procurarse lo que necesita para poder vivir. Tal clase de control se llama manual. Con el desarrollo de la ciencia e ingeniería estos sistemas productivos artificiales han llegado a niveles de perfección y complejidad muy altos, el control manual se torna inadecuado en muchos casos y se hace necesario lograr mejores medios de control de los procesos productivos. La solución moderna a lo recién señalado es el desarrollo de los sistemas de control automático.

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2 7 B Actividad: Grado y Grupo: Control con dispositivos electromecánicos

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2.2.- NECESIDADES DE CONTROL ELECTRICO Es un dispositivo o grupo de dispositivos que sirve para gobernar, de alguna manera predeterminada, la energía eléctrica suministrada a los aparatos a los cuales está conectado. (NEMA) Para ser más claro un control eléctrico es un conjunto de elementos eléctricos o electrónicos que accionan contactos, todos interconectados eléctricamente a través de conductores, con el propósito de establecer una función de control sobre un equipo o conjunto de equipos. La función de control consiste en permitir o cerrar el paso de energía eléctrica al equipo o parte de este. Los elementos que conforman un sistema de control eléctrico se pueden clasificar de acuerdo a la función que desempeñan. Se definen las siguientes funciones dentro del sistema de control eléctrico: · · · · ·

Maniobras Mando Manual Mando Auxiliar o Automático Señalización Protección

Para la ejecución de cada una de estas funciones existen elementos especializados. Dentro del sistema de control eléctrico tenemos: Elementos de maniobras, elementos de mando, elementos auxiliares de mando, elementos de señalización y elementos de protección. Elementos de Maniobras En los circuitos de control eléctrico la función de maniobras consiste en energizar o desenergizar los equipos de potencia del sistema; tales como motores eléctricos, cargas de alumbrado, calentadores, etc. Elementos de maniobras son todos aquellos aparatos que permiten el paso o la interrupción de la corriente de la red a una carga eléctrica.

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Los elementos de maniobras pueden agruparse de la siguiente manera: 1. Elementos de maniobras manuales: Son aparatos que requieren la acción de un operador para ejecutar la operación de energización o desenergización de una carga o equipo eléctrico. Estos dispositivos pueden tener poder de corte o no. El poder de corte se refiere a la capacidad que posee el aparato para interrumpir una corriente o para conectar una carga. La capacidad de corte se expresa por lo general en amperios o Kilo-amperios. Los principales elementos de maniobras manuales usados en controles eléctricos son los siguientes: • Interruptores: De acuerdo con la norma IEC 60947-1, los interruptores son aparatos con cierto poder de corte para abrir y/o cerrar circuitos bajo carga normal y circunstancialmente en condiciones de sobrecarga. Puede soportar cierto tiempo las condiciones anormales de corriente durante un cortocircuito pero no las interrumpe. Se construyen diferentes modelos de interruptores; basculantes (apagadores), rotativos, de cuchillas, etc. Sus principales características técnicas son las siguientes: Tensión nominal, Número de polos, Corriente nominal, Capacidad de interrupción y Sistema constructivo. • Pulsadores: Son aparatos de maniobra con cierto poder de corte. Se diferencian de los interruptores porque cierran o abren circuitos mientras actúa sobre ellos una fuerza externa (del operador o usuario) en el mecanismo de accionamiento, el dispositivo retoma su posición de reposo una vez que cesa la fuerza aplicada. El más familiar de estos aparatos son los usados en las bocinas de automóviles y timbres residenciales. Las características eléctricas principales son similares a las reseñadas para los interruptores manuales. En los circuitos de control eléctrico son usados más a menudo como elementos de mando, que como elementos de maniobras. • Seccionadores: Según la norma IEC 60947-1, los seccionadores son aparatos de maniobras sin poder de corte capaces de abrir y/o cerrar circuitos cuando están sin carga o cuando es despreciable la corriente a interrumpir o establecer. Las principales características técnicas de los seccionadores son las siguientes: Tensión, nominal, Número de polos, Corriente nominal, Sistema constructivo y Si alojan o no fusibles.

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2. Elementos de Maniobras Automáticos: Son dispositivos diseñados para abrir y/o cerrar circuitos en función de las magnitudes que alcanzan ciertas variables físicas tales como: corriente, voltaje, frecuencia, temperatura, presión, espacio, tiempo, etcétera. Los más importantes son los interruptores automáticos o disyuntores; que son aparatos de conexión desconexión de circuitos; capaces de establecer, soportar e interrumpir corrientes bajo condiciones normales del circuito, así como establecer, soportar durante un tiempo determinado e interrumpir corrientes de cortocircuito. El disyuntor puede actuar por sobrecargas, cortocircuitos, sobre-voltaje o por bajos voltajes. Al producirse cualquiera de estas anomalías desconectan automáticamente la fuente de alimentación del circuito. Para volver a recuperar el circuito se procede a una acción de rearme manual. Uno de los interruptores automáticos más usado es el breaker, el cual protege los circuitos ramales y alimentadores de instalaciones eléctricas. Sus principales características técnicas son las siguientes: Tensión nominal, Número de polos, Corriente, nominal, Capacidad de interrupción, Sistema constructivo y Variables físicas que lo accionan. Los contactores también pueden ser agrupados dentro de los aparatos automáticos de maniobras. 3. Aparatos de protección: Son dispositivos destinados a interrumpir la alimentación del circuito cuando se presenta una irregularidad en su funcionamiento, particularmente sobrecargas y cortocircuitos. Dentro de esta categoría se ubican dos elementos particulares: Fusibles: Son conductores calibrados para permitir el paso de una determinada magnitud de corriente, de manera tal que al producirse una sobre-corriente el conductor se fundirá y desconecta la fuente de alimentación de la carga. En los circuitos de control eléctrico se usan comúnmente los fusibles como elementos de protección contra cortocircuitos y no contra sobrecargas. Los fusibles se construyen de una gran diversidad de formas: tapones, bayonetas, cartuchos, cuchillas, alambre, etcétera.

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Aparatos de protección automáticos: Son aparatos destinados a brindar protección contra sobrecargas y no contra cortocircuitos. Se usan en combinación con los contactores para despejar los problemas de sobrecarga en el circuito. Los más utilizados son los relés térmicos, termo-magnéticos y electromagnéticos, todos serán estudiados más adelante. Elementos de mando: Son todos aquellos dispositivos que abren y cierran circuitos de muy baja potencia (circuitos de mando) y que son accionados por un operador o usuario. Tipos de elementos de mando: Los elementos de mando pueden ser agrupados de diversas formas: 1. Según su apariencia y forma exterior: En este grupo se ubican los siguientes elementos de mando: Pulsadores: los pulsadores de mando se definen igual que los pulsadores usados para maniobras, la diferencia fundamental es que los pulsadores de mando manejan intensidades de corriente muy pequeñas en comparación con los pulsadores de maniobras. Pueden presentar diferentes formas: • • • • •

Rasantes: que impiden maniobras involuntarias. Salientes: de accionamiento más cómodo. De llave: para accionamiento de gran responsabilidad. De seta (hongo): para accionamiento de emergencia. Luminoso: con señalización incorporada.

Selectores o interruptores giratorios: son dispositivos que permiten controlar o seleccionar una determinada parte del circuito o una determinada función del sistema. Por ejemplo los selectores de apagado, función manual o función automática de un sistema de bombeo. Los hay de diversas formas: • • •

Simple y de maneta: se refiere al asa de agarre. De llave: para accionamiento autorizado. De dos y tres posiciones: se refiere a selecciones posibles con el aparato.

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Manipuladores: son elementos de mando bastante especializados que se usan muy a menudo en los controles de las grúas puentes. Son parecidos a las palancas de control que usan los juegos de video; tales como el nintendo. Se pueden conseguir en las siguientes presentaciones: • •

Manipulador de dos posiciones. Manipulador de cuatro posiciones.

2. Según la Función que Realizan: Los elementos de mando tienen la función de abrir y/o cerrar circuitos, lo cual va a depender del número de contactos que tienen y el estado que presenta cada contacto (NA o NC). Estos pueden ser clasificados de la siguiente manera: • Normalmente cerrado (NC): para abrir un circuito. • Normalmente abierto (NA): para cerrar un circuito. • De desconexión múltiple (dos o más NC): para abrir varios circuitos a la vez. • De conexión múltiple (dos o más NA): para cerrar varios circuitos a la vez. • De conexión - desconexión (1NA + 1NC): para abrir un circuito y cerrar otro al mismo tiempo. • De conexión - desconexión múltiple (dos o más NA + dos o más NC): para abrir y cerrar varios circuitos al mismo tiempo. Cuando el elemento de mando es de conexión - desconexión, ya sea simple o múltiple se presentan tres formas de realizar la conmutación de los contactos Elementos auxiliares de mando: Son aparatos accionados (abren y/o cierran contactos) por variables físicas del sistema sujeto a control, tales como: posición, tiempo, temperatura, presión, etcétera. Junto con los elementos de mando se constituyen en el centro del sistema de control y son los que permiten la automatización del mismo. Existe una gran variedad de elementos que se pueden agrupar como auxiliares de mando: • •

Interruptores de posición o finales de carrera. Relés de tiempo o temporizadores.

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• • • • • • •

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Interruptores de presión o presostatos. Interruptores de temperatura o termostatos. Detectores de proximidad. Detectores fotoeléctricos. Programadores de levas. Interruptores de nivel. Otros detectores.

Elementos de señalización Son dispositivos destinados a llamar la atención del usuario o del operador sobre el estado normal o anormal de funcionamiento de un equipo, máquina, circuito o carga eléctrica en general. La señalización apropiada redunda en una mayor facilidad en el control de los equipos y en operaciones más seguras, asi como también en indicaciones acertadas para localizar fallas del equipo. En los controles eléctricos la señalización se realiza de dos formas básicas: señalización acústica y señalización visual. Veremos a continuación los elementos que conforman éstas dos clases de señalización. 1. Elementos de señalización acústica: Son dispositivos que emiten señales perceptibles por el oído del operador o usuario. Los más usados son: los timbre, zumbadores, sirenas, etc. 2. Elementos de señalización óptica: Son dispositivos que emiten señales perceptibles por la vista del operador o usuario. Los más usados son: los elementos visuales; los cuales emplean símbolos indicativos de las operaciones que se están realizando. (etiquetas, marcas, etc.). Y los elementos de señalización luminosos: que emplean lámparas o pilotos de diferentes colores. Elementos de protección: Son dispositivos que tienen como finalidad proteger el equipo, la máquina, el circuito o la carga eléctrica en general, contra daños potenciales producidos por sobre-corrientes, originadas principalmente por sobrecargas.

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Las principales causas de sobrecarga en un equipo eléctrico son las siguientes: • Sobrecarga en la máquina accionada por el motor eléctrico. • Bajo voltaje en la red de suministro de electricidad. • Inercia elevada de la carga mecánica, lo que hace que los motores se sobrecarguen en el momento del arranque. • Una excesiva conmutación de la máquina en un período de tiempo breve, lo que hace que se recalienten los motores. • Pérdida de una fase de alimentación en los motores trifásicos. • Calentamiento por temperaturas ambientales elevadas. Los dispositivos de protección no actúan directamente en la maniobra de desconexión, estos desenergizan la bobina del contactor, que a su vez desconecta la máquina de la fuente de alimentación. Los principales elementos de protección son los siguientes: • Relés térmicos. • Relés térmicos diferenciales. • Relés termo magnético. • Relés electromagnéticos. • Relés electromagnéticos diferenciales. • Relé de sobrecarga de estado sólida

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2.3 SIMBOLOGIA Y ABREVIACION PARA NUMERACION DE DISPOSITIVOS. INTRODUCCION En la actualidad, el control de motores eléctricos, como parte de los procesos y sistemas de control, no solo se hace por medio de dispositivos electromagnéticos, ya que han tenido una presencia importante los dispositivos de estado sólido y la llamada electrónica de potencia, por lo que el estudio de este tema tan importante debe abarcar los conceptos clásicos de control electromagnético y de la electrónica aplicada. 2.3.1 Simbología Como en la mayoría de las aplicaciones de la electricidad, la simbología representa una forma de expresión o un lenguaje para las personas familiarizadas con el tema. El lenguaje de control de motores, consiste en símbolos que permiten expresar una idea o para formar el diagrama de un circuito, que se pueda comprender por personal debidamente capacitado en el tema; desde luego existen disposiciones de tipo convencional para el uso de símbolos usados en el control de motores eléctricos para la industria. Se sabe que el origen de esta simbología fue la necesidad de mostrar de manera clara la gran cantidad de equipos electromecánicos que se tenían en ese entonces, se sabe que de cada equipo electromecánico se tenían de tres a cuatro tipos distintos que solo se distinguían por su tipo de construcción o algunos parámetros de funcionamiento, por lo tanto era común confundirlos y producir problemas al momento de ponerlos en función al no ser los indicados en la instalación o sistema de control del motor, fue entonces que surgió esta necesidad y se aplicaron simbologías distintas a cada elemento que dependía de su función y construcción.

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Figura 2.1 Simbología vigente de algunos componentes electromecánicos

En la figura 2.1 se muestran algunas simbologías comunes para distintos dispositivos o elementos electromecánicos implementados en sistemas de control de motores, es importante mencionar que estos elementos son normados internacionalmente por la IEC y son respetados en todo tipo de disciplina en donde se necesite aplicarlos. Aun cuando la IEC está normando con estos símbolos, no se ha declarado como riguroso o único, ya que distintos países dependiendo de que tipo de equipos se ocupen usan otra simbología propia de la empresa o del ingeniero a cargo, no es común pero si es ocasional.

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Figura 2.2 Simbología para diagramas eléctricos

Figura 2.3 Continuación de la figura 2.2

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Figura 1.4 Figura final de simbología para diagramas eléctricos

2.3.2 Abreviaciones comunes Si bien la comisión electrotécnica internacional (IEC) ha elaborado una disposición para promulgar un conjunto internacional de símbolos normalizados para los circuitos eléctricos en general, y para los circuitos de control en particular, hasta el presente, no existe un solo conjunto de esquemas normalizados de utilización internacional. En las figuras 2.5 y 2.6 podemos ver estas abreviaturas comunes, se saben de una gran cantidad más, pero se delimitan estas en sistemas de control de motores eléctricos.

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Figura 2.5 Abreviaturas comunes para dispositivos o funciones en un sistema de control de motores

Figura 2.6 Continuación y figura final de abreviaturas designadas a relés y contactares especiales

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2.4.- CONTROL POR RELEVADORES ¿Qué es un Relevador? Es un aparato eléctrico que funciona como un interruptor, abrir y cerrar el paso de la corriente eléctrica, pero accionado eléctricamente. El relé permite abrir o cerrar contactos mediante un electroimán, por eso también se llaman relés electromagnéticos o relevador

El relevador al meterle corriente bobina los contactos abiertos se cierran y los contactos cerrados se abren, como en la siguiente imagen

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Funcionamiento de un relevador Cuando metemos corriente por la bobina, esta crea un campo magnético creando un electroimán que atrae los contactos haciéndolos cambiar de posición, el que estaba abierto se cierra y el que estaba normalmente cerrado se abre. El contacto que se mueve es el C y es el que hace que cambien de posición los otros dos.

Los relés eléctricos son básicamente interruptores operados eléctricamente que vienen en muchas formas, tamaños y potencias adecuadas para todo tipo de aplicaciones. Los relés también pueden ser relés de potencia, más grandes y utilizados para la tensión mayores o aplicaciones de conmutación de alta corriente. En este caso se llaman Contactares, en lugar de relés

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Como podemos observar en la siguiente imagen vemos como se activa y desactiva la bobina y como se cierra o abre el contacto del relé.

Tipos de relés  Relés electromecánicos convencionales. El electroimán hace vascular la armadura al ser excitada, cerrando los contactos dependiendo de si es NA ó NC (normalmente abierto o normalmente cerrado).  Relés de Núcleo Móvil. Éstos tienen un émbolo en lugar de la armadura anterior. Se utiliza un solenoide para cerrar sus contactos, debido a su mayor fuerza atractiva (por ello es útil para manejar altas corrientes). Este modelo se utiliza mucho en automoción.  Relés Polarizados. Llevan una pequeña armadura, solidaria a un imán permanente. El extremo inferior puede girar dentro de los polos de un electroimán y el otro lleva una cabeza de contacto. Si se excita al electroimán, se mueve la armadura y cierra los contactos. Si la polaridad es la opuesta girará en sentido contrario, abriendo los contactos ó cerrando otro circuito (o varios).  Relé tipo Reed. Formados por una ampolla de vidrio, en cuyo interior están situados los contactos (pueden se múltiples) montados sobre delgadas láminas metálicas. Dichos contactos se cierran por medio de la excitación de una bobina, que está situada alrededor de dicha ampolla.  Los relés Reed pueden estar formados exclusivamente por la ampolla de vidrio y el contacto interior. Para activarlo basta con aproximar a la ampolla un imán.



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2.5.- DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN DE LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS. Aparatos de protección eléctricos Son dispositivos encargados de desenergizar un sistema, circuito o artefacto, cuando en ellos se alteran las condiciones normales de funcionamiento. Como su nombre lo indica, estos aparatos protegen las instalaciones para evitar daños mayores que redunden en pérdidas económicas. Algunos de ellos están diseñados para detectar fallas que podrían provocar daños a las personas. Cuando ocurre esta eventualidad, desconectan el circuito. Entre una gran variedad de dispositivos de protección, los más utilizados son los “Interruptores Termomagnético” o “Disyuntores” y los “Interruptores o Protectores Diferenciales”. Interruptor Termomagnético o Disyuntor Es un dispositivo de protección provisto de un comando manual y cuya función consiste en desconectar automáticamente una instalación o un circuito, mediante la acción de un elemento bimetálico y un elemento electromagnético, cuando la corriente que circula por él excede un valor preestablecido en un tiempo dado. La protección térmica está formada por un bimetal, dos láminas de material con distinto coeficiente de dilatación a la temperatura, rodeadas de un material resistivo. La protección magnética está formada por una bobina, un núcleo móvil y un juego de contactos para cerrar o interrumpir el circuito. El principio de funcionamiento se basa en dos efectos que produce la corriente eléctrica al circular: el efecto térmico o calórico y el efecto magnético. El diseño de un disyuntor considera esos dos efectos para que, de acuerdo a un determinado valor de corriente, su funcionamiento sea normal, pero al excederse sea detectado por cualquiera de los dos mecanismos. Un exceso de corriente producirá aumento de temperatura y, por consiguiente, dilatación del bimetal, el cual activará el dispositivo de desconexión. Del mismo modo, el aumento de corriente produce atracción del núcleo, el cual activará el dispositivo de desconexión.

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En ambos casos, el disyuntor cuenta con un sistema de enclavamiento mecánico o traba que impide la reconexión automática del dispositivo. Para restablecer el paso de energía debe eliminarse la causa que provocó el exceso de corriente, destrabar el mecanismo bajando la palanca manualmente y luego volviéndola a subir. Las causas del exceso de corriente pueden ser una falla de cortocircuito, provocado por la unión de dos conductores activos a potencial diferente – como fase y neutro - , o la unión de un conductor activo que pase por la carcasa metálica de un artefacto conectado a tierra. Otra causa de exceso de corriente puede ser una sobrecarga, que consiste en un aumento de la potencia por exceso de artefactos o porque un artefacto tiene una instalación deficiente. Esta situación se produce frecuentemente al conectar estufas o calefactores eléctricos en circuitos de menor corriente nominal. Por sus características de operación, el elemento bimetálico del disyuntor actúa en forma lenta, por lo que se presta especialmente para la protección de sobrecargas; en cambio, el sistema magnético es de acción rápida y protege eficazmente del cortocircuito.

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Variando las características de estos sistemas se pueden obtener disyuntores de diversas velocidades de operación, lo que permitirá ubicarlos en diferentes partes de una instalación y, de este modo, optimizar la protección. Los disyuntores se conectan en serie, en la fase, entre el punto de alimentación y los posibles puntos de falla, con el objeto de delimitar la falla en un área reducida. La protección que esté más próxima al punto de falla debe operar primero y si ésta, por cualquier motivo, no actúa dentro de su tiempo normal, la que sigue debe hacerlo. El ideal es que la falla sea despejada en el disyuntor más cercano. Si se consigue este objetivo, los cortes de energía son sectorizados y la detección de la falla se hace más fácil. Al proyectar una instalación, entonces, deberán coordinarse las protecciones para conseguir selectividad en la operación. Por ejemplo, un disyuntor colocado en el empalme debe ser comparativamente más lento que uno ubicado en el tablero de distribución. Para lograr este efecto, se pueden estudiar las curvas tiempo-corriente de los disyuntores tipo B, C, D - K, Z y MA.

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Por lo tanto, un disyuntor debe ser seleccionado por la capacidad de corriente que es capaz de soportar en condiciones normales y por la rapidez con que se desconectará ante una eventual falla.

Interruptor o Protector diferencial Es un dispositivo de protección diseñado para desenergizar un circuito cuando en él exista una falla a tierra. Opera cuando la suma vectorial de las corrientes a través de los conductores del circuito es mayor que un valor preestablecido. Su principio de funcionamiento está basado en la ley de Kirchhoff que dice que la suma vectorial de las corrientes en un circuito (entrando o saliendo) es igual a cero. En condiciones normales de funcionamiento, estas corrientes suman cero; al existir una falla a tierra que afecte a los conductores activos, por pequeña que sea, esta ley no se cumplirá.

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La parte principal del dispositivo diferencial consta de un transformador de corriente de núcleo toroidal; esta forma de núcleo permite un mejor rendimiento del protector. Un devanado en el núcleo capta la corriente de diferencia y, por medio del electroimán, activa la apertura del circuito.

El protector diferencial protege fundamentalmente a las personas ante descargas eléctricas por problemas de aislación en conductores activos, descuidos al trabajar en circuitos energizados, fallas en aislaciones de máquinas y contactos accidentales. La instalación de diferenciales se hace principalmente en circuitos de enchufe, desde donde se conectan pequeñas máquinas-herramientas y electrodomésticos. Si estos artefactos no se encuentran en óptimas condiciones de funcionamiento, el diferencial puede actuar sin que aparentemente exista falla. La adquisición de este tipo de componentes debe considerar dos aspectos: la corriente nominal de trabajo y la sensibilidad nominal de operación. Normalmente se emplean protectores diferenciales de 30 miliamperes de sensibilidad y 25 amperes de corriente nominal de trabajo. La operación normal de estos protectores se produce, en realidad, con corrientes de 22 miliampères en tiempos del orden de los 0,001 segundos. Estos dispositivos cuentan con un botón que permite verificar el correcto funcionamiento del mecanismo de desconexión.

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2 7 B Actividad: Grado y Grupo: Control con dispositivos electromecánicos

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2.6.- CONTROL DE MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA Las técnicas de control de motores de corriente continua son herramientas que se utilizan para controlar la velocidad, el par y el suministro de potencia de los motores de corriente continua. El control de motores puede llevarse a cabo mediante tiristores y un conocimiento básico de electrónica de potencia. La mayoría de motores utilizados en la industria se conectan directamente a las líneas de distribución eléctrica, y se alimentan con corriente alterna o corriente directa. Las terminales de los devanados del motor se conectan directamente a las líneas de suministro eléctrico, y sus características de operación se mantienen inalterables, al tener una tensión de entrada constante. El motor trabaja en condiciones nominales cuando se alimenta con la tensión indicada en la placa de operación, entregando potencia constante a la carga conectada en el eje. La naturaleza de la carga que se acopla al eje del motor define el comportamiento de esta máquina. Para el caso de una carga liviana, el motor desarrollara una velocidad relativamente alta y un par de giro bajo. Por el contrario, si se dispone de una carga pesada o difícil de mover, el motor se moverá a una velocidad menor y entregara más par, pues una mayor carga lo exige. Sin embargo, si la carga se mantiene constante, la operación del motor también se mantendrá constante, sin posibilidades de controlar la velocidad debido a que la tensión de suministro no se ve modificada. Existen casos en la industria que requieren el manejo de las características de operación de los motores. Este control se suele hacer mediante tiristores. La combinación del motor, los tiristores de control y demás componentes electrónicos asociados son conocidos como el sistema de control de velocidad, sistema de accionamiento o sistema de excitación de motor.

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2 7 B Actividad: Grado y Grupo: Control con dispositivos electromecánicos

Fecha:

Uso de Tiristores para Control de Motores DC

La intensidad del campo magnético. Mientras más intenso sea el campo, la fuerza contraelectromotriz tiende a ser mayor. La velocidad de rotación. Mientras mayor sea la velocidad, la fuerza electromotriz tiende a ser mayor. También puede variar hay diferentes formatos para desarrollarlo. Control de armadura con tiristor En este caso el SCR (Sillicone Controlled Rectifier) puede hacer la mayor parte de las funciones de un reóstato, en el control de la corriente promedio de una carga sin las limitaciones de gran potencia. Estos son pequeños, poco costosos y eficientes en energía. Es natural acoplar el motor para control de armadura para la velocidad del motor. Según la figura el SCR proporciona entonces rectificación de media onda y control al devanado de armadura. Si se da un temprano disparo del SCR, el voltaje y la corriente promedio de la armadura aumentan y el motor puede trabajar con más rapidez. Al disparar el SCR más tarde, se reducen el voltaje y la corriente promedio y el motor trabaja más lento.

Control de Media Onda para la Velocidad de un Motor DC

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2 7 B Actividad: Grado y Grupo: Control con dispositivos electromecánicos

Fecha:

El funcionamiento de este control se describe a continuación: la corriente alterna que llega se rectifica en un puente de onda completa, cuyo voltaje pulsante de DC se aplica al devanado de campo y al circuito de control de armadura. Se carga el capacitor con la corriente que fluye por el devanado de la armadura, de baja resistencia, a través del diodo D2 y el potenciómetro para el ajuste de velocidad luego sigue a la placa superior del capacitor. El capacitor se carga hasta llegar al voltaje de transición conductiva del SUS [Interruptor unilateral de silicio]. En ese instante el SUS permite que se descargue parte del capacitor en la compuerta del SCR, disparándolo. El ángulo de disparo se determina por la resistencia del potenciómetro de ajuste de velocidad, que determina la rapidez de carga de C. El diodo D3 suprime toda polarización inversa producto del devanado inductivo de la armadura al terminar medio ciclo. Cuando el SCR abre al final de un semiciclo, la corriente continua circulando en el lazo D3 y armadura. El objeto de la combinación R1-D1 es proporcionar una trayectoria de descarga para el capacitor C. Recuerde que el SUS no vuelve totalmente a los 0 V, cuando se dispara. El capacitor no puede descargar toda su carga a lo largo del circuito cátodo-compuerta del rectificador del silicio. Queda algo de carga en la placa superior de C. A medida que los pulsos del suministro de DC se acercan a 0, la carga en C se descarga a través de R1 y D1. Así el capacitor pierde toda carga residual para comenzar la siguiente pulsación del puente de diodos. Control de motores DC en aplicaciones ferroviarias Actualmente, la mayoría de los trenes utilizan motores asíncronos o de inducción para la tracción ferroviaria, ya que son más baratos y menos robustos que los motores de corriente continua. Además, son más eficientes y presentan menos averías. Para controlar motores CD alimentados por una línea en corriente alterna, ya sea monofásica o trifásica, se utilizan generalmente rectificadores controlados, formados por tiristores o transistores IGBT. Sin embargo, en la práctica no existen redes ferroviarias alimentadas en alterna cuyos trenes utilicen motores de continua, por lo que no se utilizará esta tecnología en trenes.

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Fecha:

Existen dos formas de controlar la velocidad en motores de corriente continua, alimentados por una tensión continua  Regulación mediante reóstatos.  Regulación mediante recortadores o choppers.  Regulación mediante reóstato Esta tecnología se utilizaba antes fundamentalmente en el arranque de motores, donde la intensidad de inducido es muy alta, para proteger a los circuitos y los devanados. Actualmente no se utiliza ya que, aunque es un control muy sencillo de la velocidad, está siempre disipando energía, por lo que el consumo eléctrico del motor es elevado incluso a velocidades bajas. Este sistema de regulación permite reducir el nivel de tensión directamente en corriente continua mediante unos dispositivos llamados recortadores o choppers. Estos elementos disponen de varios interruptores estáticos, que pueden ser dispositivos de electrónica de potencia como tiristores GTO, IGBT o Transistores Mosfet, y que permiten controlar en qué instantes de tiempos conducen o no la corriente a través del circuito. Variando, por tanto, los tiempos de conexión y desconexión, se originará una señal de salida de forma cuadrada (ver imagen a la derecha), de mayor o menor amplitud de pulso cuyo valor medio corresponde a la tensión de salida.

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2.7.- ARRANQUE A TENSIÓN PLENA DE MOTORES MONOFÁSICOS Y TRIFÁSICOS. GENERALIDADES Y DEFINICIONES Los arrancadores son aparatos de maniobra co n los cuales se lleva a los motores desde que están en reposo hasta su velocidad de régimen, mientras se mantienen dentro de límites prefijados los valores de la corriente de arranque y el torque del motor. Veamos algunas definiciones importantes para esta unidad: CIRCUITO PRINCIPAL Circuito que contiene equipos eléctricos para conectar/desconectar o consumir energía eléctrica.

generar,

transformar,

distribuir,

Para nuestro caso se refiere al circuito donde se encuentran los dispositivos de maniobra y protección de los motores. CIRCUITO AUXILIAR Comprende todas las partes conductivas de una combinación de aparatos de maniobra que pertenecen a un circuito (con excepción del circuito principal) que se utiliza para comando, medición, avisos, regulación, enclavamiento, procesamiento de datos u otros. ARRANCADORES A TENSIÓN PLENA ARRANQUE DIRECTO Se denomina arranque directo, a la forma en que se le aplica la tensión a un motor para su proceso de arranque, en este caso, se le aplica la tensión nominal a través del contactor y dispositivos de protección como los fusibles y relé térmico.

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Esta forma de arranque tiene la ventaja que el motor desarrolla en el arranque su torque máximo cuando la carga así lo requiera. El inconveniente es que toma una corriente de arranque máxima en algunos casos hasta 10 veces, recomendable paramotores de baja potencia pudiendo llegar como máximo a 10 HP. En lo posible los motores trifásicos asin crónicos con rotor de jaula de ardilla se arrancan en forma directa.

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Funcionamiento Mediante el accionamiento del pulsador S1Q se excita la bobina del contactor K1M. El contactor conecta al motor y se enclava a través del contacto auxiliarK1M/13-14 y del contacto cerrado del pulsador de parada S0Q que se encuentra en estado de reposo. Al accionar el pulsador S0Q desconecta el contactor K1M. En caso de sobrecarga, se activa el cont acto de apertura 95-96 en el relé térmico F2F. Se interrumpe el circuito de la bobi na; el contactor K1M desconecta el motor Aplicaciones 1. 2. 3. 4.

Máquinas herramientas. Compresoras. Ventiladores. Bombas de agua, etc.

ARRANQUE DIRECTO CON DOS SENTIDOS DE GIRO En este caso se combinan do s tipos de arranques en directo con la diferencia de que uno de ellos gira hacia la derecha y el otro hacia la izquierda. Es importante tomar medidas de seguridad ante la elección de un sentido de giro, no debiendo ingresar el otro sentido porque se produciría un corto circuito debido a la inversión de fases. Luego todas las consideraciones tomadas para el arranque en directo son idénticas en una inversión de giro.

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2 7 B Actividad: Grado y Grupo: Control con dispositivos electromecánicos

Circuito principal: Arranque con inversión de giro

Fecha:

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2 7 B Actividad: Grado y Grupo: Control con dispositivos electromecánicos

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2 7 B Actividad: Grado y Grupo: Control con dispositivos electromecánicos

Fecha:

Funcionamiento Al accionar el pulsador S1B se excita la bobina del contactor K1B. El contactor conecta al motor en marcha a la derecha y se autoenclava a través de su contacto auxiliar K1B/13-14. El contacto NA (Normalmente Abierto) K1M/21-22 bloquea eléctricamente la conexión de K2B. El accionamiento del pulsador S2B conecta K2B (motor marcha a la izquierda). Para la conmutación del sentido de giro, ha de accionarse previamente, dependiendo de la aplicación, el pulsador de parada S0Q o directamente el pulsador para el sentido opuesto de marcha. En caso de sobrecarga, se activa el cont acto de apertura 95-96 en el relé térmico F2F. Aplicaciones    

Frenado a contramarchas de motores asíncronos. Montacargas. Puertas corredizas. Ascensores, etc.

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2 7 B Actividad: Grado y Grupo: Control con dispositivos electromecánicos

Fecha:

2-8.- ARRANQUE DE MOTORES TRIFASICOS A TENSION REDUCIDA Uno de los inconvenientes que presentan los motores de inducción es la elevada intensidad que absorben en el momento de arranque, hecho que puede producir perturbaciones en la marcha de otros aparatos conectados en la misma red e incluso ser inadmisible dadas las condiciones de la instalación. Los dispositivos de arranque de estos motores tienden a cortar este efecto, siendo tanto más importante tal cosa cuando mayor sea la potencia de los motores. Los procedimientos más corrientemente utilizados para el arranque son los siguientes:    

Arranque mediante conexión directa Arranque Estrella-Triángulo Arranque mediante resistencia estatórica Arranque por autotransformador

El arranque Estrella-Triángulo es utilizado cuando: No es necesario un alto torque de partida (el torque de partida queda reducido a 1/3 de su valor) como, por ejemplo en vacío. El motor tiene 6 terminales que permiten la conexión Estrella-Triángulo. La tensión de la red coincide con la tensión de placa del motor en la conexión triángulo. Ejemplo: red 380 V. Motor: Estrella, 660 V. Y triángulo, 380 V. En el arranque en Estrella, el motor consume 3 veces menos corriente que conectado en triángulo. La explicación está en el hecho de que las bobinas de un motor industrial trifásico conectadas en Estrella, reciben una tensión veces menor que el mismo motor conectado en triángulo. Pues sabido es que, para un sistema en Estrella V L = VF y en el Sistema en triángulo, VL = VF, ocurriendo lo inverso con las corrientes. El arrollamiento (bobina) del motor, tiene para cada fase, los dos extremos prolongados para fuera del motor, de modo que si conectamos las tres bobinas en triángulo, cada una recibirá la tensión de línea, por ejemplo 380 V., si la conectamos en estrella, el motor puede ser alimentado por una línea con tensión igual a 380 x = 660 V, sin alterar la tensión en la bobina que continúa siendo igual a 380 V.

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2 7 B Actividad: Grado y Grupo: Control con dispositivos electromecánicos

Fecha:

Los motores de 6 terminales sirven para cualesquiera tensiones nominales duplas, toda vez que la segunda sea veces mayor que la primera, Ejemplos: 220/380 V., 380/660, 440/760 V, donde la primera tensión es la correspondiente a la tensión nominal de las bobinas individualmente. Como ejemplo supongamos que tenemos un motor trifásico que en su placa de característica indique 380/660 V., a través de la cual el fabricante nos asegura que el mismo puede conectarse en triángulo a una red de 220/380 V., si el mismo motor quisiéramos conectarlo en estrella se necesitaría una tensión de 3 x 660 V. La corriente nominal del motor es la que figura en la placa como dato de la conexión en Estrella y la tensión nominal es la que figura como dato de la conexión en triángulo. La partida estrella-triángulo podrá ser utilizado cuando la curva de conjugados (torque) del motor es suficientemente elevada para poder garantizar la aceleración de la máquina con la corriente reducida. En la conexión estrella, la corriente queda reducida de 25 a 33 % de la corriente de partida para la conexión triángulo. También la curva del conjugado es reducida en la misma proporción. Por ese motivo, para el uso de la llave estrella-triángulo deberá ser escogido un motor con curva de conjugado alto. El conjugado resistente de la carga no deberá superar al conjugado de partida del motor, ni la corriente en el instante del cambio de conexión para triángulo podrá ser de valor inadmisible. La llave estrella-triángulo en general solo puede ser utilizada en partidas de la máquina en vacío, esto es sin carga. Después de haber alcanzado la rotación nominal, la carga podrá ser aplicada. El instante de conmutación de estrella a triángulo debe ser criteriosamente determinado, para optimizar la partida del motor. VENTAJAS:  La conexión estrella-triángulo para partida de motores trifásicos presenta las siguientes ventajas:  Reducción de la corriente de partida del motor, evitando elevada caída de tensión en el sistema de alimentación de la red.  Evita interferencias en equipamientos instalados en el sistema (red) de distribución.  Costo reducido en el sistema de protección (cables, contactores), evitando el sobredimensionamiento excesivo de los mismos.  Permite adecuarse a las limitaciones impuestas por las normas de distribución de energía eléctrica, en cuanto a caída de tensión en la red.  Adecuada para cargas que necesitan pequeño torque de partida.

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Nombre Alumno: Unidad: Tema:

2 7 B Actividad: Grado y Grupo: Control con dispositivos electromecánicos

Fecha:

DESVENTAJAS:    

Costo mayor que el sistema de partida directa, debido a los contactores adicionales. El motor debe trabajar para la conexión en triángulo con la tensión de fase y debe estar proyectado para trabajar a una tensión superior de fase (veces), para la conexión estrella. El motor debe tener disponible 6 terminales que permitan la conexión estrella-triángulo. El esquema de comando se vuelve un poco más complejo que el de partida directa a tensión plena.

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PORTAFOLIO DE EVIDENCIAS Unidad 3.- Arrancadores estáticos ASIGNATURA:

CONTROL DE MAQUINAS ELECTRICAS

Carrera: Ingeniería Eléctrica Semestre: 7°

Grupo: “B”

Docente: Ing. Daniel Alejandro Ramírez Torres.

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Nombre Alumno: Unidad: Tema:

3 Grado y Grupo: Arrancadores estáticos

7B

Actividad:

Fecha:

3.1.- CONTROL ESTATICO Introducción al control estático Concepto de sistemas dinámicos y estáticos. Un sistema dinámico es aquél en el cual los “efectos” actuales (salidas) son el resultado de causas actuales y previas (entradas). ... Un sistema estático es aquél en el que los efectos actuales (salidas) dependen solo de las causas actuales (entradas). Un sistema dinámico es un sistema cuyo estado evoluciona con el tiempo. Los sistemas físicos en situación no estacionaria son ejemplos de sistemas dinámicos, pero también existen modelos económicos, matemáticos y de otros tipos que son sistemas abstractos que son, además, sistemas dinámicos. El comportamiento en dicho estado se puede caracterizar determinando los límites del sistema, los elementos y sus relaciones; de esta forma se pueden elaborar modelos que buscan representar la estructura del mismo sistema. Al definir los límites del sistema se hace, en primer lugar, una selección de aquellos componentes que contribuyan a generar los modos de comportamiento, y luego se determina el espacio donde se llevará a cabo el estudio, omitiendo toda clase de aspectos irrelevantes. En cuanto a la elaboración de los modelos, los elementos y sus relaciones, se debe tener en cuenta: Un sistema está formado por un conjunto de elementos en interacción. El comportamiento del sistema se puede mostrar a través de diagramas causales. Hay varios tipos de variables: variables exógenas (son aquellas que afectan al sistema sin que este las provoque) y las variables endógenas (afectan al sistema pero este sí las provoca).

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Nombre Alumno: Unidad: Tema:

3 Grado y Grupo: Arrancadores estáticos

7B

Actividad:

Fecha:

Control estático: Los polímeros permanentes de control estático son la forma de eliminar los daños mediante La electricidad estática esta fórmula también contiene acondicionadores catiónicos para brindar una excelente sensación y control estático, y un protector solar para ayudar a proteger el cabello del daño UV otros tipos de controladores estáticos son el arrancador estático consiste, básicamente, en un convertidor estático, alterna-alterna, generalmente tiristores, que permiten el arranque de C.A. con aplicación progresiva de tensión, con la consiguiente limitación de corriente y par de arranque. El arrancador estático se divide en dos partes: el circuito de potencia y el circuito de regulación (y maniobra). Al poner en servicio el equipo, los tiristores dejan pasar la corriente que alimentan el motor de acuerdo con la programación realizada sobre el circuito de maniobra, que irá aumentando progresivamente hasta alcanzar el valor nominal de la tensión de servicio. La posibilidad del arranque progresivo también se puede dar en sentido contrario, durante la parada del motor, de tal manera que se vaya reduciendo la tensión a un 60% del valor nominal, y en ese momento hacer el paro. Arrancadores estáticos destinados a la aceleración, a la deceleración y a la protección de motores de inducción trifásicos. El control de la tensión aplicada al motor mediante el ajuste del ángulo de disparo de los tiristores permite obtener arranques y paradas suaves del mismo. Con el ajuste adecuado de las variables, el par (torque) es ajustado a la necesidad de la carga, garantizando de esta forma que la corriente solicitada Sea la mínima para el arranque. Controlador de motor con Semiconductor de CA com- Pacto y digital. Si se usa con La típica alimentación de400VCA, este controlador Realiza el arranque y parada Suaves de motores trifásicos Hasta 22kW (30CV) si se Conecta en triángulo y hasta 15kW (20CV) si se conecta en Línea. Control de las tres Fases. A través de los pon- Tensiómetros del frontal se Puede ajustar el tiempo de arranque, el tiempo de para- da y el par de arranque inicial de forma independiente. También está disponible una versión para arranque de compresores Scroll. Este arrancador no incluye relés internos de bypass, pero proporciona un contacto de relé que ayuda que se active un contactor externo.

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3 Grado y Grupo: Arrancadores estáticos

7B

Actividad:

Fecha:

De bypass. Arranque y parada suave de motores trifásicos de rotor de jaula de ardilla Control de las 3 fases • Conexión en línea o en triángulo • Arranque de baja intensidad sin vibraciones • Opción de mayor rango de tensión de trabajo con Modelos de alimentación externa fija • Tensión nominal: hasta 600 VCA, 50/60 Hz • Intensidad nominal: hasta 32A AC-53a • Indicaciones LED de estado • Entrada protección de motor PTC • Protección térmica de semiconductores • Montaje a carril DIN*

ARRANCADORES ESTÁTICOS MSF Los arrancadores MSF se distinguen porque incorporan las tres funciones necesarias para maximizar el control de diversos equipos y procesos. • Arranque ultra suave con rampa de par • Protección continua de máquinas y procesos contra sobrecargas y baja cargas (Limitador de par EL-FI) • Avanzadas técnicas de frenado CC Menú especial de control de bombas que elimina el golpe de ariete (Respecto a los arrancadores por rampa de tensión) • Eliminación de tacómetros y otros dispositivos externos • Autodiagnóstico continuo • Protección del motor térmica (I) y temperatura PTC • Función JOG en velocidad lenta • Velocidad lenta para posicionamiento y secuenciación adecuados

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Nombre Alumno: Unidad: Tema:

3 Grado y Grupo: Arrancadores estáticos

7B

Actividad:

Fecha:

Las principales ventajas de las rampas de par son el aumento considerable del control del arranque y la parada y una reducción aproximada del 20% en la corriente de arranque en comparación con los arrancadores convencionales de rampa de tensión. El control preciso del par permite el arranque y la parada ultra suave de motores asíncronos. El resultado es una rampa de velocidad extremadamente lineal que elimina las sacudidas típicas producidas con los arrancadores suaves convencionales. Sin necesidad de tacómetros

El control de par de los arrancadores suaves MSF permite arrancar y parar las máquinas y su carga con un cambio lineal de la velocidad. Así se elimina la necesidad de instalar un tacómetro externo conectado al Velocidad (rpm) arrancador suave. Reduzca la intensidad de arranque Las curvas adyacentes muestran como la rampa de par de un Arrancador MSF produce arranque mucho más suave que el que se obtiene con rampa de tensión

2000

Arranque ultrasuave y lineal con arrancadores MSF

1000 Tiempo

un

Protección completa del proceso La protección de máquinas es fruto de que los MSF utilizan el motor asíncrono como sensor para la medición continua de la potencia en eje del motor (método VIP de EL-FI) es decir, la carga aplicada al motor por la máquina o el proceso que acciona. Cuando se sobrepasa un límite de par máximo o mínimo predeterminado del motor, el MSF activa una señal de alarma

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Nombre Alumno: Unidad: Tema:

3 Grado y Grupo: Arrancadores estáticos

7B

Actividad:

Fecha:

3.2 TEORÍA DE FUNCIONAMIENTO ¿Cómo funciona? Los arrancadores suaves limitan la corriente y el par de arranque permitiendo ejercer un control de la tensión desde 0 hasta la nominal para el arranque y al revés para la parada. Regula el voltaje de modo que el motor recibe primero una oleada de baja tensión, que va ascendiendo hasta que el motor empieza a girar, ahorrando en el desgaste y a menudo colaborando a que los componentes electrónicos duren más tiempo.

Mediante el control progresivo de la tensión de alimentación, se logra la adaptación del motor al comportamiento de la carga de la máquina accionada. El arranque y parada suave cuida de los dispositivos y máquinas acopladas y proporciona un proceso productivo sin incidencias. ¿Arrancador suave o variador de frecuencia? La principal diferencia entre ambos es que con el arrancador suave no se puede controlar la velocidad del motor. Un variador de frecuencia permite entre otras opciones regular la velocidad del motor en cualquier momento, no sólo en el arranque y parada. Cuando se necesita disminuir el pico de corriente únicamente en el arranque y parada, se utilizará un arrancador suave. Cuando es conveniente regular la velocidad del motor / ventilador / bomba en cualquier momento, se utilizará un variador de frecuencia.

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Nombre Alumno: Unidad: Tema:

3 Grado y Grupo: Arrancadores estáticos

7B

Actividad:

Fecha:

Ventajas principales del arrancador suave y el variador de frecuencia     

Optimiza las secuencias de arranque y parada Aumenta la productividad Ahorra energía Protege el motor (ahorra en el mantenimiento) Aumenta la vida útil del motor

Un arrancador suave es un dispositivo electrónico utilizado para ayudar a proteger los motores. No todos los motores están equipados de inicio con arrancadores suaves, pero se han convertido en algo común, especialmente con motores delicados que pueden ser fácilmente dañados por la afluencia repentina de energía. Los arrancadores suaves se componen de una serie de rectificadores que trabajan juntos para administrar el voltaje. Motores Existen diferentes tipos de motores, pero todos ellos trabajan generando algún tipo de fuerza electromagnética que enciende el motor y opera los dispositivos a los cuales están conectados. Todos los motores, de inducción o no, necesitan un flujo de corriente para encenderse (los motores de inducción sólo necesitan un arranque de corriente para comenzar a funcionar correctamente). Las conexiones eléctricas están diseñadas para proporcionar esta corriente, y los motores están diseñados para soportar los niveles comunes de voltaje de electricidad de la casa. Daño en el motor Las ráfagas de energía que arrancan un motor pueden ser perjudiciales. El motor se enciende inmediatamente, lo que es eficiente y ahorra tiempo, pero las elevadas afluencias de corriente pueden dañar las aplicaciones electrónicas en el motor y el inicio repentino de los dispositivos mecánicos del motor pueden crear desgaste. La velocidad variable de los controladores se usa para iniciar y detener el tren de potencia al comenzar la operación del motor para evitar el desgaste mecánico, pero los arrancadores suaves son una opción para los motores que no tienen los controladores.

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Nombre Alumno: Unidad: Tema:

3 Grado y Grupo: Arrancadores estáticos

7B

Actividad:

Fecha:

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Nombre Alumno: Unidad: Tema:

3 Grado y Grupo: Arrancadores estáticos

7B

Actividad:

Fecha:

3.3 UTILIZACIÓN DE DISPOSITIVOS DE ESTADO SÓLIDO DE POTENCIA EN EL ARRANQUE DE LAS MAQUINAS ELÉCTRICAS. En un principio los arrancadores de estado sólido se concibieron a los efectos de limitar la corriente durante el arranque de motores eléctricos. Frente a otras soluciones como ser autotransformadores y arranques estrella-triángulo, los arrancadores de estado sólido se están imponiendo. Los precios relativos tienden a equipararse y las prestaciones de los últimos aumentan constantemente. Una vez solucionado el arranque, surge la necesidad de ocuparse del frenado. En particular en algunas aplicaciones este aspecto es crítico. Por ejemplo durante el proceso de frenado de las bombas hay que prestar atención a la no ocurrencia del efecto de ariete. La producción de armónicos durante una rampa de frenado con arrancador de estado sólido es considerable. La mayoría de los casos en que se usa un arrancador, la rampa de arranque es de tiempo del orden de los segundos. El problema de armónicos, si bien existe, puede ser asimilado o no causaría tantos problemas. Un comentario al margen es que si bien podría decirse que lo adecuado en estos casos es utilizar un variador de frecuencia, la diferencia de costos de inversión entre un arrancador y estos es todavía una fuerte razón para preferir los arrancadores. Por otra parte si lo único que se desea es arrancar y detener el motor en forma controlada, un variador de frecuencia es una solución desmedida (dado el precio comparativo actual). Muchos fabricantes de arrancadores de estado sólido especifican que hay que desconectar los condensadores durante las rampas. Parece ser una sana práctica en la medida que no se termine teniendo un problema de falta de compensación de reactiva. Este último aspecto es crítico si las rampas son relativamente largas respecto al ciclo de funcionamiento de las bombas de la planta. Tipos de arranques Arranques a tensión plena: a) Torque máximo al arranque (Cuando se requiera). b) I max de hasta 10 veces. c) Motores de baja potencia (recomendable 10HP máximo).

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3 Grado y Grupo: Arrancadores estáticos

7B

Actividad:

Fecha:

Arranques a tensión plena Curva de Corriente

Curva de tensión

Arranques estrella-delta

a) Sólo adecuada para un par de carga baja b) Par de carga que aumenta con la velocidad (bombas) c) Aplicaciones que tienen carga después d) de haber acelerado (prensas)

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Nombre Alumno: Unidad: Tema:

3 Grado y Grupo: Arrancadores estáticos

7B

Actividad:

Fecha:

Arranques suaves a) Aumento continuo y lineal del par. b) Reducción selectiva de corriente de arranque. a) Tensión incrementa a partir de una tensión inicial. b) Controla rampa de frenado.

Arranques con variador de velocidad a) Torque 100% con 0% velocidad b) Aplicaciones demandantes c) Rampas de aceleración y desaceleración programables d) Aplicaciones en lazo cerrado e) Varía velocidad

Consideraciones para utilizar un arrancador: • Capacitores con desconexión. • Distancia motor arrancador <100 metros. • Las cargas de gran inercia pueden requerir un mayor torque de arranque necesitan sobredimensionar los arrancadores debido al calor que produce en los tiristores el absorber corriente de más.

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PORTAFOLIO DE EVIDENCIAS Unidad 4.- Variadores de Velocidad. ASIGNATURA:

CONTROL DE MAQUINAS ELECTRICAS

Carrera: Ingeniería Eléctrica Semestre: 7°

Grupo: “B”

Docente: Ing. Daniel Alejandro Ramírez Torres.

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Nombre Alumno: Unidad: Tema:

4 7B Grado y Grupo: Variadores de Velocidad.

Actividad:

Fecha:

4.1.- ESQUEMAS DE LA VARIACION DE LA VELOCIDAD DE LAS MAQUINAS ELECTRICAS Tal y como se muestra en la figura, se puede regular la velocidad de un motor CC alimentándolo por medio de una corriente controlada por el disparo de rectificadores:

La red de alimentación puede ser monofásica o trifásica, por lo que los convertidores serán, respectivamente monofásicos o trifásicos. Generalmente el uso de redes monofásicas se restringe a motores cuyas potencias nominales no superen los 5kW. Los rectificadores utilizados pueden ser solo tiristores, tomando el nombre de convertidores completos, o bien una combinación de tiristores y diodos, donde pasan a llamarse semi convertidores Regulación de velocidad por medio de choppers Los choppers son convertidores electrónicos que transforman una tensión de CC de magnitud fija en CC de magnitud variable, por lo que resultan útiles en la regulación de motores CC. Este tipo de regulación ha reemplazado enormemente a la técnica de reóstatos de arranque y regulación que, como su nombre mismo sugiere, provocaban grandes pérdidas por efecto joule. Los choppers tienen varias ventajas, como su alto rendimiento, control flexible, son ligeros, de rápida respuesta y además posibilitan su funcionamiento en los cuatro cuadrantes.

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4 7B Grado y Grupo: Variadores de Velocidad.

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En la figura se muestra un chopper de 2 Cuadrantes:

En este chopper, los interruptores estáticos S1 y S2 se cierran o encienden alternadamente. Cuando la corriente que alimenta el motor tiene el sentido positivo que se muestra en la figura, la corriente de alimentación de la fuente pasa a través de S1 retornando la energía inductiva por el diodo D1. Se dice entonces que el chopper es directo o reductor y el motor funciona en el primer cuadrante. Cuando la corriente i0 tiene sentido contrario, la corriente circula por el interruptor estático S2 y el diodo D2, entonces se dice que el chopper es inverso o elevador y el motor devuelve energía a la red trabajando en el segundo cuadrante Regulación de velocidad mediante realimentación En los apartados anteriores, tanto en la regulación por rectificadores controlados como en la regulación por choppers, el sistema de control utilizado se conoce como “lazo abierto”. En estos sistemas se comprueba que cuando varían las condiciones de trabajo de la máquina, también cambia la respuesta de la misma, y de este modo, si por ejemplo se producen cambios en la carga aplicada al motor, también aparecerán cambios en la velocidad de giro. Este comportamiento no tiene demasiada importancia para ciertas aplicaciones, mientras que para otras resulta inadmisible.

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Se puede conseguir una mayor estabilidad de la velocidad del motor y de la respuesta dinámica que tiene el mismo, utilizando las técnicas de los sistemas realimentados. A continuación se muestra un esquema simplificado de un sistema de control a lazo cerrado.

El funcionamiento del circuito es el siguiente: la salida del metacentro n se compara con la señal de referencia n* en el nudo restador mostrado en la parte superior izquierda de la figura. La salida de este nudo es una tensión de error de velocidad en=n*−n , que se aplica a un controlador de velocidad, cuya misión es estabilizar el comportamiento del motor o en general del accionamiento, mejorando la respuesta transitoria y reduciendo el error de velocidad a cero.

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La tensión de salida del controlador de velocidad V C se lleva a un circuito generador de impulsos de disparo que modifica el ángulo de encendido α de los componentes activos (tiristores, GTO, etc.) del convertidor. El problema de este circuito es que no tiene protección de sobrecorriente; es decir, cuando se produce un aumento del par resistente, sobre todo si éste es brusco, se produce un aumento de la tensión de salida del convertidor que se aplica al inducido, lo que también traerá un aumento en la corriente en el mismo, la cual puede adquirir valores pico que, aun siendo transitorios, pueden afectar la vida útil de los tiristores. Por eso es conveniente ampliar el esquema anterior y añadirle un lazo de realimentación de corriente que limite la intensidad del inducido a valores seguros, esto vuelve al sistema un poco más complejo, pero es de vital importancia para su correcto funcionamiento. Sobre-velocidad El variador puede proporcionar frecuencias de salida superiores a la de trabajo del motor, lo que le hace girar a mayor velocidad que la nominal. La curva de par, para velocidad de trabajo mayor de la nominal, disminuye, de manera que con velocidad doble (200%) el par cae a la mitad del nominal. La sobre velocidad es útil en aplicaciones que no requieren mucho par. En estos casos es importante tener en cuenta las características de par y temperatura de trabajo del motor

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Tensión de arranque inicial En el arranque de un motor con carga, es necesario aplicar un cierto par inicial mínimo, para garantizar que el motor empiece a girar. Esto se consigue, iniciando la marcha con un valor de tensión determinado UINI, de acuerdo a las relaciones (U/f) y TINI,

La variación del par debe ser cuidadosa, para no exceder las características del motor ni sobrecargar el propio variador, especialmente en el arranque, ya que podría circular una intensidad de corriente elevada, y eso no lo permite el variador Par de carga constante T=cte; se da en sistemas que tienen siempre (o aproximadamente) el mismo par resistente, como molinos, bombas de pistón, transportadoras en carga (cintas, elevadores, sinfines…). Las curvas de par-velocidad (teórica y real) pueden ser las siguientes:

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En el arranque (real) puede ser necesario un sobre par para vencer la fuerza de rozamiento del sistema, parado con carga. (El sobre par debe programarse de acuerdo a las necesidades y posibilidades del variador, ya que puede incrementar excesivamente el valor de IN) La potencia necesaria aumenta proporcionalmente a la velocidad, por lo que se produce una aceleración lineal hasta lograr la velocidad nominal o de trabajo.

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4.2.- CONTROL ELECTRICO DE VELOCIDAD DE MOTORES DE DOBLE REGIMEN Este método consiste en emplear devanados independientes en el estator, con diferentes números de polos y energizar solamente uno cada vez. Por necesidades constructivas, el uso de devanados independientes con distintos números de polos sólo admite un máximo de dos devanados independientes. Constructivamente los devanados van alojados en las mismas ranuras, ocupando cada uno la mitad de las mismas. Mediante un conmutador se conecta un devanado a la red, al mismo tiempo que se desconecta el otro, con lo cual en el devanado desconectado no se circula ninguna corriente por tener su circuito abierto. Con dos bobinados independientes se desaprovecha tanto el hierro como el cobre debido a que al mismo tiempo solamente se utiliza media ranura. De esto resulta que estos motores son de bajo rendimiento, mayor tamaño y alto coste. Por esta razón, siempre que sea posible se prefiere utilizar un único devanado que sea capaz de proporcionar dos velocidades diferentes antes que dos devanados separados. Si en cada uno de estos devanados se usa la conexión Dahlander o la PAM (que se estudian en los siguientes apartados), como mucho se pueden llegar a conseguir hasta cuatro velocidades de sincronismo diferentes (ya que cada uno de los dos devanados independientes podría proporcionar a su vez dos velocidades de sincronismo).

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Actividad:

Fecha:

En la conexión Dahlander cada fase se divide en dos mitades formadas por grupos polares en serie. Una de las mitades incluye los grupos polares pares y la otra los grupos polares impares

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Actividad:

Fecha:

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4 7B Grado y Grupo: Variadores de Velocidad.

Actividad:

4.3 VARIADORES DE VELOCIDAD CORRIENTE CONTINUA.

Fecha:

ESTÁTICO

DE

MÁQUINAS

DE

Control de Velocidad de motores C.C. Para el caso del control de estos motores se busca la construcción de fuentes de tensión variable, debido a la dependencia entre la velocidad del motor de corriente continua y el voltaje en sus terminales. La primera solución que se puede plantear es el uso de reóstatos para el control del voltaje, pero este limita de forma importante la corriente y disipa la potencia de forma innecesaria, y por lo tanto tenemos una alteración de características de torque de la máquina. También podemos utilizar convertidores para obtener un control más versátil y eficiente. La solución más habitual es el uso de reductores de voltaje (step-down) para regular la velocidad de estos motores, como vemos en la Figura 2, en el cual se realiza mediante la modulación de ancho de pulso (PWM) de la señal de encendido en el transistor T1, donde funciona como interruptor, donde el paso de corriente se corta a altas frecuencias.

Debido a la naturaleza inductiva de los enrollados del motor, necesitaremos añadir un diodo en paralelo, con esto conseguimos la circulación de corriente mientras el transistor no conduce, y evitamos sobretensiones de potencia.

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Actividad:

Fecha:

Para terminar, el condensador proporciona altas corrientes en periodos cortos de tiempo en el comienzo e incluso para estabilizar el voltaje Ve. La modulación de ancho de pulso se utiliza para controlar la cantidad de energía que envía a una carga, esto se consigue manejando el tiempo en el que el transistor T1 conduce o el tiempo en que la función es positiva (ancho del pulso). El ciclo de trabajo de una señal periódica es el ancho relativo de su parte positiva en relación con el período. Expresado matemáticamente:

Donde: ton es el tiempo en que la función es positiva (ancho del pulso) toff es el tiempo en que no conduce T es el período de la función Por lo tanto, el voltaje medio del motor (Vs) será:

Podemos realizar el control del ciclo de trabajo mediante circuitos digitales o analógicos, para conseguirlo tenemos la posibilidad de implementar lazos de control, por ejemplo, regulamos la corriente para tener un torque deseado sin que la variable de la velocidad pueda influir.

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4.4 VARIADORES DE CORRIENTE ALTERNA.

Actividad:

VELOCIDAD

Fecha:

ESTÁTICO

DE

MÁQUINAS

DE

Se trata de dispositivos electrónicos, que permiten el control completo de motores eléctricos de inducción; los hay de c.c. (variación de la tensión), y de c.a. (variación de la frecuencia); los más utilizados son los de motor trifásico de inducción y rotor sin bobinar (jaula de ardilla). También se les suele denominar inversores (invert) o variadores de velocidad.

Red de suministro: acometida de c.a., monofásica en aparatos para motores pequeños de hasta 1,5 kW (2 C.V. aprox), y trifásica, para motores de más potencia, hasta valores de 630 kW o más. Entradas y salidas (E/S ó I/O): diferentes conexiones de entradas y salidas de control; pueden ser digitales tipo todo o nada (contactos, pulsadores, conmutadores, contactos de relé…) o analógicas mediante valores de tensión (0…10 V o similares) e intensidad (4…20 mA o similares). Además puede incluir terminales de alarma, avería, etc. Comunicaciones: estos dispositivos pueden integrarse en redes industriales, por lo que disponen de un puerto de comunicaciones, por ejemplo RS-232, RS-485, red LAN, buses industriales (ProfiBus) o conexiones tipo RJ-45 o USB para terminales externos y ordenadores. Cada fabricante facilita el software de control, directo o mediante bus de comunicaciones. Que permitirá el control, programación y monitorización del variador (o variadores) en el conjunto de aparatos de control empleados.

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Actividad:

Fecha:

Salida: conexión al motor, generalmente de tres hilos (U-V-W) para conexión directa en triángulo o estrella según la tensión del motor.

Rectificador: partiendo de la red de suministro de c.a., monofásica o trifásica, se obtiene c.c. mediante diodos rectificadores. Bus de contínua: condensadores de gran capacidad (y a veces también bobinas), almacenan y filtran la c.c. rectificada, para obtener un valor de tensión contínua estable, y reserva de energía suficiente para proporcionar la intensidad requerida por el motor. Etapa de salida: desde la tensión del bus de contínua, un ondulador convierte esta energía en una salida trifásica, con valores de tensión, intensidad y frecuencia de salida variables. Como elementos de conmutación, se usan principalmente transistores bipolares (BJT), CMOS o similares, IGBT, tiristores (SCR), GTO… etc. Las señales de salida, se obtiene por diversos procedimientos como troceado, mediante ciclo convertidores, o señales de aproximación sinodal mediante modulación por anchura de impulsos PWM. Control y E/S: circuitos de control de los diferentes bloques del variador, protección, regulación… y entradas y salidas, tanto analógicas como digitales. Además se incluye el interfaz de comunicaciones con buses u otros dispositivos de control y usuario.

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Velocidad (n): la velocidad en el eje de un motor asíncrono en rpm, depende del número de polos magnéticos del motor, y la frecuencia f (Hz), de la red de suministro. Tensión de arranque inicial: en el arranque de un motor con carga, es necesario aplicar un cierto par inicial mínimo, para garantizar que el motor empiece a girar. Esto se consigue, iniciando la marcha con un valor de tensión determinado UINI, de acuerdo a las relaciones (U/f) y TINI,

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Actividad:

Fecha:

Bibliografía Fink, D. G. (1996). Manual de Instalaciones Eléctricas. MCGRAW-HILL. Kosow, I. I. (1993). Maquinas Eléctricas y Transformadores. Prentice Hall. NOM-001-SEDE-2012, N. O. (s.f.). Normas y Especificaciones para estuduio. (s.f.). Publica, S. d. (2014). Normas y especificaciones para estudios, proyectos, construcciones e instalaciones. Infraestructura Educativa. Senner, A. (1994). Principios de Electrotecnia. Barcelona: Reeverté s.a. viakon. (2011). Manual Eléctrico. Monterrey: viakon.