Control de Arranque de Motor de Anillos Deslizantes[2]

Ing. Héctor Velásquez C. AREA DE MANTENIMIENTO Callao, Julio del 2009.

MODERNIZACION DEL TABLERO DE CONTROL DEL MOLINO DE BOLAS DENVER 2

TEORIA DE CONTROL DEL ARRANQUE

INTRODUCCION

El molino de bolas marca Denver utiliza un

motor principal asíncrono de anillos

rozantes o deslizantes arrancado en forma

suave con la adición de resistencias

rotoricas, para ello se ha implementado un

sistema basado en el PLC LOGO de

Siemens, con las siguientes funciones:

controlar la secuencia de arranque,

monitorear permanentemente los

dispositivos de fuerza, generar reportes de

falla y habilitar el horometro.

Un motor de anillos deslizantes, es un

motor asíncrono, con dos bobinados:

- El bobinado del Estator, es igual que en el

caso de un motor de jaula de ardilla, y

- El bobinado del Rotor, es un bobinado

instalado en la parte giratoria del motor, y

necesita de los anillos deslizantes para

poder conectar este bobinado con los

cables externos empleando para ello

carbones. Los cables externos conectan el

rotor a un arreglo de resistencias.

La función de dichas resistencias, es

modificar según conveniencia la resistencia

rotorica del motor.

Considerando que el deslizamiento (do)

,es:

do=

Donde:

Ws; es la velocidad síncrona o del campo.

Wr; es la velocidad del rotor

0< d <1

Además, este valor puede cambiar

añadiendo resistencias rotoricas, según la

siguiente relación:

d1=

La velocidad del rotor seria:

Wrotor = Ws (1 - d1)

Es decir también podemos variar la

velocidad del rotor variando el

deslizamiento

La relación para el torque desarrollado por

el motor, dependiente del deslizamiento,

es una función representada por la

siguiente grafica:

La zona inestable comprende el transitorio

durante el arranque, en la zona estable el

motor desacelera ligeramente hasta que el

torque desarrollado sea igual al

demandado por la carga, entonces el

motor girara a su velocidad nominal

(velocidad constante), que corresponderá

al deslizamiento calculado en el diseño del

motor. Según las ecuaciones anteriores si


incrementamos la resistencia rotorica se

incrementa el deslizamiento, entonces

corresponderá una curva diferente pero

análoga que ubicara el torque máximo

desarrollado a una velocidad del rotor

menor y se tendrá una zona estable mas

ancha. Por ejemplo la siguiente grafica

representa el arranque de un motor

añadiendo 2 juegos de resistencias hasta

finalmente ponerlas en cortocircuito.

Se puede observar que la ventaja de no

arrancar desde el inicio en cortocircuito al

rotor optimiza el uso de la corriente, en la

curva de color amarillo la corriente inicial

llega hasta 8 veces la corriente nominal

mientras que en el caso de añadir

resistencias al rotor el máximo consumo

será del doble o hasta cuádruple en un

tiempo mucho más corto(ciclos de

conmutación de 20 segundos), con los

beneficios adicionales que esto implica en

la línea de alimentación, por otro lado este

artificio no disminuye al Par de arranque

sino más bien lo incrementa ya que sigue

siendo superior al Par resistente o

demandado por la carga. Al final se logra

llevar el motor a su velocidad nominal

cuando las resistencias se encuentran en

cortocircuito. Se trata de un control de

velocidad y torque por variación del

deslizamiento.

En resumen:

El motor de inducción de anillos rozantes

tiene como ventaja un buen torque con

corriente moderada desde el momento que se

energiza hasta alcanzar su velocidad

nominal, pero requiere que se le agregue

resistencias al rotor, el objetivo es ir

disminuyendo la resistencia hasta puentear

por completo los tres anillos. Este motor

puede ser usado donde el torque de arranque

es importante para asegurar el movimiento

con cargas elevadas desde el inicio.

DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL

ARRANQUE DEL MOTOR

Según el diagrama eléctrico original, el

arranque del motor principal tiene una

duración de 60 segundos, el cual ha sido

dividido en 3 etapas de 20 segundos y en

cada una de ellas el rotor presenta

diferentes valores de resistencias rotoricas,

variando de este modo el deslizamiento y a

la vez la velocidad de manera gradual hasta

su velocidad nominal de 882 RPM, por lo

que calculo debe ser un motor de 8 polos y

la velocidad síncrona de 900 RPM (d=0.02)

, lo que permite arrancar el molino con

grandes cargas de bolas y material a

procesar.

El sistema original tenía un timer de

vigilancia para verificar que la secuencia de

arranque funcione dentro de los 60

segundos, lo cual le daba cierta seguridad

al sistema para evitar un recalentamiento

de las resistencias rotoricas, las cuales no

están diseñadas para trabajar por periodos

prolongados. Este timer y todos los demás

dispositivos de control tenían alimentación

de 440 VAC y eran tecnológicamente

obsoletos, lo que complicaba el reemplazo


de ellos y su antigüedad los hacía poco

confiables, degradando la protección

diseñada.

Adicionalmente, la protección contra

sobrecarga (OL) detenía el motor en caso

de presentarse.

MEJORAS INTRODUCIDAS

Se ha conservado el principio de arranque

original, pero se ha introducido funciones

de monitoreo de los dispositivos de fuerza

(contactor que alimenta el estator,

contactores que cortocircuitan las

resistencias rotoricas y temperatura de la

cabina del banco de resistencias), para

asegurar que el motor llegue a plena

marcha siempre y cuando estos

dispositivos hallan conmutado en la

secuencia debida y en los tiempos

calculados, con la finalidad de proteger el

banco de resistencias, el cual es

difícilmente recuperable por lo escaso del

material con que están construidas las

resistencias, también es importante

asegurar el arranque suave que produce la

secuencia para evitar daños mecánicos a la

infraestructura del molino y del motor.

El monitoreo no solo se refiere a la

secuencia de arranque sino también al ciclo

de plena marcha( a velocidad nominal),

puesto que existe la posibilidad que algún

contactor falle, sobretodo 3SC1 y las

resistencias rotoricas se conecten al rotor

nuevamente dañándose

irreversiblemente, puesto que este

monitoreo es a nivel contacto auxiliar del

contactor, se ha cuidado el caso de una

falla del contacto auxiliar que no

comunique el malfuncionamiento del

contactor, las resistencias de arranque

serán protegidas de un exceso de

calentamiento por un sensor de

temperatura que interrumpirá el

funcionamiento del motor y reportara este

tipo de falla explícitamente para el análisis

del personal técnico

Otras funciones introducidas son las

pantallas de reporte de falla que reducirán

los tiempos de parada puesto que

agilizaran los diagnósticos.

PANEL DE OPERADOR

Está formado por los botones de mando

Start y Stop (color negro y rojo

respectivamente) y las luces indicadoras

de: Maquina Corriendo, Condición de Stop,

Condición de Alarma y Bomba de

lubricación encendida (Luz Verde, Luces

Rojas y Luz Ámbar respectivamente). El

acceso al interior del tablero esta

restringido, y solo personal de

mantenimiento debe abrir la puerta ya que

la seguridad del sistema así lo ha

considerado, salvo coordinación previa

personal técnico – supervisor de

producción.

OPERACIÓN DEL MOLINO

Verificar que la luz de stop se encuentre

apagada, presionar START, la Luz Ámbar se

enciende durante 12 segundos, indicando

que la bomba de lubricación del trunion

está trabajando, 2 segundos antes que se

apague esta luz se enciende la Luz Verde y

el motor inicia su movimiento hasta

desarrollar la velocidad nominal de 892

RPM, después de 60 segundos el molino se

encuentra a plena marcha

Cualquier falla detectada por el sistema se

pondrá de manifiesto por medio del

parpadeo de la Luz Roja respectiva o el

encendido permanente de esta y


complementariamente con algún mensaje

en la pantalla del PLC dentro del tablero.

Si se arranca el molino nuevamente, poco

antes de cumplir 1 minuto (se puede

modificar) de haber sido detenido, la

bomba de lubricación no funcionara en

este arranque, para evitar saturaciones y

rebalses de aceite debido a operaciones de

prueba o mantenimiento.

Se ha considerado la instalación de un

pulsador en el interior al tablero para

funciones de reset de fallas y lubricación

manual, estando bloqueada esta segunda

función ante un evento de falla. La

lubricación manual se activara por un

tiempo de 30 segundos (puede ser

modificado) y será detenida en cualquier

instante presionando el botón de Stop.

CONDICIONES PARA EL ARRANQUE

El sistema de protección programado se ha

diseñado para evitar recalentamientos por

sobrecarga del motor (OL) y el exceso de

temperatura en el tablero de resistencias

de arranque (OT). A nivel de operador una

condición necesaria para arrancar el

molino es que las luces de Stop y Alarma se

encuentren apagadas, a continuación

presionar START.

Si la luz de STOP está encendida, verificar

que los botones respectivos no se

encuentren presionados. También se tiene

un botón de STOP en el tablero del

segundo nivel. Esta luz también se

enciende ante una condición de sobrecarga

(OL).

En el caso de que la luz de Alarma este

parpadeando rápidamente (se enciende

por 1 segundo), se puede intentar arrancar

el molino. Si este arranque es exitoso,

continuar la marcha y comunicar a

Mantenimiento para revisar algún reporte

de falla en el PLC.

Si la luz de Alarma parpadea lentamente

(se enciende por 3 segundos), es necesario

esperar de 20 a 30 minutos para que se

enfrié el área de las resistencias de

arranque, luego resetear esta condición

con un botón instalado dentro del tablero.

Esto puede presentarse en el caso de que

se realicen arranques y paradas continuas.

Si después del tiempo de enfriamiento, el

arranque tiene éxito, continúe con la

marcha y comunique a Mantenimiento.

Si la luz de Alarma está constantemente

encendida, esto se debe a la falla de un

contactor o su cableado, anotar el mensaje

de falla para el diagnostico respectivo.

Resetear esta condición e intente arrancar

el molino, si el arranque tiene éxito, se

trata de una falla intermitente relacionada

con el circuito del contactor indicado en el

reporte de falla.

A continuación se muestra el panel del

operador:


DIAGNOSTICO DE FALLAS

Cualquier falla del control está referida al ciclo de arranque del molino, aproximadamente los

primeros 70 segundos después de presionar el botón START, o al ciclo durante la marcha,

cuando la maquina gira a su velocidad nominal. En este nuevo sistema de arranque basado en

el PLC LOGO de Siemens, se han programado funciones lógicas para el proceso natural del

arranque por resistencias conectadas al rotor y para mejorar el diagnostico de fallas: pantallas

de reporte que direccionan nuestro análisis a un elemento en particular del hardware

involucrado.

Hay que tener presente que posterior a las pruebas de funcionamiento de este nuevo sistema

cualquier falla que se presente estarán localizadas en su mayoría en el hardware externo al

PLC. Ante cualquier sospecha de alteración del programa, este puede ser revisado previa

descarga en la Lap Top , también se puede descargar una copia del programa de la Lap top al

PLC, sin embargo estos procedimientos deben ser manejados como una posibilidad remota.

Se puede apreciar en la siguiente fotografía una vista interna del tablero de control, el cual ha

sido ensamblado y montado con el apoyo del personal eléctrico y mecánico de nuestro taller

de Mantenimiento.


DURANTE EL CICLO DE ARRANQUE

Luego de presionar START, La bomba de lubricación se activa durante los 12 primeros

segundos, si el arranque se produce inmediatamente después de presionar STOP, la bomba de

lubricación no se activara, pero en cualquiera de los 2 casos el rotor empezara a girar 10

segundos después de presionar START. Si el motor no inicia su movimiento verificar la

activación del contactor 1C1 (check reporte de fallas) y posteriormente el circuito de

alimentación trifásico de 440 Vac.


Después de estos 10 segundos sin novedad, se pueden presentar las siguientes condiciones de

avería:

CONDICION REPARACION

El motor se detiene 22 seg. después de iniciado su movimiento. Revisar contactor 1SC1, relé a la salida del PLC y el cableado de alimentación a la bobina.

El PLC reporta FALLA DEL CONTACTO 1SC1 Revisar contacto auxiliar de 1SC1 que hace de entrada al PLC y su cableado.

Luz Roja de ALARMA encendida permanentemente. Resetear la condición de falla. Verificar funcionamiento.



Luz roja de ALARMA encendida permanentemente. Resetear la condición de falla. Verificar funcionamiento.



Luz Ámbar de ALARMA encendida permanentemente. Resetear la condición de falla. Verificar funcionamiento.

DURANTE LA MARCHA A VELOCIDAD NOMINAL

En este ciclo de operación una función lógica esta monitoreando permanentemente los

contactores 1SC1, 2SC1 y 3SC1, siendo este ultimo el único que debe permanecer activado.

Una falla en estos dispositivos será detectada a través de los respectivos contactos auxiliares,

si aun estos fallan (del 3SC1), se producirá una sobre temperatura en la zona del tablero de

resistencias rotoricas, en donde un termostato regulado a 70ºC conmutara a circuito abierto

la entrada I6 del PLC, lo cual inmediatamente detendrá el motor. Para salir de esta condición

de falla se requiere enfriar el tablero de resistencias aireando el área por un tiempo de 20

minutos y verificar en el PLC la conmutación del termostato a corto circuito, adicionalmente

se RESETEA la falla con el botón verde dentro del tablero de control. Otros eventos que se

pueden producir son:

CONDICION REPARACION

El motor se detiene después de haber alcanzado su velocidad nominal. Revisar contactor 3SC1, relé a la salida del PLC y el cableado de alimentación a la bobina.


Luz Ámbar de ALARMA encendida permanentemente. Resetear la condición de falla. Verificar funcionamiento.

El motor se detiene después de haber alcanzado su velocidad nominal. Revisar contactores 1SC1 y 2SC1, relés a la salida del PLC y el cableado de alimentación a las bobinas.

Luz Ámbar de ALARMA parpadea rápidamente. Los contactores podrían haberse activado por una falla interna o del cableado.

Esta condición no requiere del RESET para intentar el arranque Revisar operación del contacto auxiliar NA que hace de entrada al PLC,

nuevamente. es posible que este en cortocircuito o su cableado esta averiado.


NOTAS IMPORTANTES:

1. Una condición de sobrecarga será indicada con el encendido de la luz de STOP.

2. No incrementar la temperatura limite del termostato a menos que sea

provisionalmente debido a una dilatación por envejecimiento del actuador mecánico

interno lo que podría estar abriendo su circuito antes de alcanzar realmente el nivel de

temperatura máximo, hasta su próximo reemplazo.

3. El botón verde dentro del tablero tiene doble función, en la condición de falla solo se

utiliza como RESET. En cualquier otra circunstancia, inicia un ciclo de lubricación

manual de 30 segundos que puede ser interrumpido con el botón de STOP. Esto con

fines de incrementar la cantidad de lubricante en el trunion según se requiera y para

realizar diagnosticos en el funcionamiento de la bomba de lubricación.

4. Para iniciar un ciclo de arranque , se deberia verificar en la pantalla de visualización del

PLC la activación de las siguientes entradas: I2(STOP abajo),I3(STOP arriba),I5(Auxiliar

del rele térmico-OL) e I6(contacto NC del Termostato-OT).

5. Un funcionamiento normal en el arranque puede ser seguido desde la pantalla del PLC

observando la secuencia de activación de las salidas:

1º)Verificar la activación de START, observando I1.

2º)Comprobar:

- Q1 ON por 12 segundos(Bomba de lubricación se activa) después de

presionar START.

- Q3 (Horometro) y Q5(Contactor del Estator) ON, 10 segundos después de

presionar START.

- Q6 ON 20 segundos después del check anterior.

- Q7 ON 20 segundos después del check anterior.

- Q8 ON, Q7 OFF y Q8 OFF 20 segundos después del check anterior.

Finalmente, a plena marcha solo quedan activadas las siguientes salidas:

Q3 = ON

Q5 = ON

Q8 = ON

6. El funcionamiento del extractor de polvo mantiene su dependencia del molino con la

activación del contactor 1C1 y su circuito de control es independiente.

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