final control motores AC

UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA

DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA

Laboratorio de Electrónica Industrial

INFORME FINAL

“Control de Motores DC”

Experiencia 3

Grupo 8 Lautaro Narvaez

Juan Vargas H.

Fecha 23/11/2010

Revisado por Nota

Laboratorio de Electrónica Industrial, Segundo Semestre 2010

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INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS

Muchas aplicaciones de distintas áreas hacen uso de motores DC para alguna función en particular. Lo anterior se debe a la facilidad de su control y a lo preciso de su torque y velocidad. Como ejemplo se puede mencionar su uso en trenes, grúas, robótica, etc. En esta experiencia se analizaron las características de un motor de corriente continua, su modelo e implementación de un control PI para la regulación de velocidad. En la carga se utilizó un motor de inducción, el que además permitió utilizar el motor de DC, como un generador, es decir en modo regenerativo. Todo esto se consiguió utilizando un rectificador de cuatro cuadrantes. El control de velocidad se implementó utilizando un convertidor 590 Series Converter Digital marca Eurothern Drives. Este dispositivo permite el ajuste de varios parámetros referentes al modelo del motor. Además, da la opción de fijar puntos de saturación y posee auto-sintonía, lo que ayuda bastante a simplificar trabajo. En el presente documento se analizan los resultados obtenidos en la experiencia, junto a su respectivo contraste con las simulaciones realizadas en el preinforme. A pesar de lo anterior, se debe tener en cuenta los múltiples factores que influyen en la calidad de los resultados obtenidos en el laboratorio, ya sea por la distorsión propia de la señal en la red utilizada, la precisión y estado de los instrumentos, y las aproximaciones realizadas.

Figura 1. Esquema del accionamiento AC


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3. INFORME FINAL

En las siguientes secciones se muestran los resultados de las mediciones realizadas en la experiencia acorde a la guía de laboratorio. Se debe tener en cuenta el hecho de que las señales fueron medidas a través de puntas diferenciales, tanto para corriente como voltaje. Las puntas mencionadas poseen offset, que al principio de la experiencia fueron cuantificados, obteniéndose lo siguiente (para las mediciones de corriente y voltaje de armadura):

Offset Voltaje; -40V Offset Corriente: -40mA

Antes de comenzar con las mediciones de señales y potencia, se debió realizar las conexiones de los distintos componentes que conforman el sistema del motor DC. Además, hubo que configurar los switchs del rectificador 590 DC, cuya posición de interruptores se resume en la siguiente tabla

Tabla 1. Parámetros motor

Switch Valor

SW1 0 SW2 1 Ia = 12[A] SW3 2 SW4 0 SW5 1 If = 1.1[A] SW6 1 SW7 0100 Va = 475[V]

Tabla 2. Parámetros tacómetro

Switch Valor

SW1 1 Vtac = 90[V] SW2 9 (a velocidad máxima) SW3 DC SW4 0

Posteriormente, se realizó el proceso de autosintonía del control de corriente de armadura del motor. En este proceso, el controlador ingresa un voltaje de armadura y mide la corriente buscando llegar a un patrón de la señal a controlar. La siguiente imagen muestra una secuencia de la autosintonía, que en total dura aproximadamente 10 segundos.


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Figura 2. Voltaje y corriente de armadura en proceso de autosintonía

Para realizar la autosintonía, se deben seguir los pasos descritos en el preinforme. Iniciado el proceso el controlador aplica un voltaje de armadura, el cual genera cierta forma de onda en la corriente de armadura. Primero existe una pendiente, que a medida que avanza el proceso se vuelve más exponencial. La autosintonía termina cuando la corriente de armadura reacciona lo suficientemente rápido al cambio de voltaje, con overshoot y undershoot mesurados en la señal. Una vez sintonizado el controlador, es posible operar el sistema ingresando una referencia de velocidad a través del mando manual del sistema. Este mando consta de dos perillas, una para el encendido y otra para la selección del sentido de giro del motor. Además, cuenta con un potenciómetro que sirve para ajustar la referencia de velocidad.


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3.1 Muestre las mediciones de voltaje y corriente de entrada y salida, presentando sus formas de onda, valores medios y rms según corresponda, factor de potencia y THD. Todas ellas en estado estacionario. Comente acerca de cada uno de los resultados.

Teniendo el sistema totalmente configurado, se procedió a realizar las mediciones de las señales de entrada y salida. Para esta parte de la experiencia se optó por no medir la potencia y THD, ya que el motor funciona sin carga. Estos valores se entregan en las mediciones realizadas cuando el motor se encuentra regenerando (sección 3.3). La siguiente imagen muestra el voltaje de armadura y la corriente de armadura del motor, operando a una velocidad media, dada por la posición central de ajuste del potenciómetro de referencia.

Figura 3. Voltaje (arriba) y Corriente (corriente) de armadura a velocidad media. a) giro positivo b) giro negativo

En la figura 3 se tienen las formas de onda para voltaje y corriente de armadura. Como se esperaba, no poseen un comportamiento bien definido, debido a la dinámica del motor. Una vez que se realiza el cambio de marcha, ambas señales se invierten, corroborando lo visto en las simulaciones. Los valores medidos a través del osciloscopio fueron los siguientes (antes y después de cambio de marcha)

Tabla 3. Valores medidos

Parámetro Giro positivo Giro negativo Vrms 324[V] -332[V]

Vmedio 276[V] -285[V] Irms 984[mA] -

Imedia 580[mA] -


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A pesar de la gran similitud de los valores al pasar de un sentido de giro a otro, estos no son iguales. Se observa que mientras el motor gira en sentido negativo, las señales aumentaron levemente su magnitud. La explicación podría darse debido a un mayor roce existente en un sentido que otro.

Las mediciones de las señales trifásicas de entrada se muestran en la siguiente figura.

Figura 4. Voltajes y Corrientes de entrada a velocidad media

El voltaje de línea que se considera como de entrada posee la forma característica, con un valor rms de 369[V] en cada fase. Por su parte, la corriente muestra bastante distorsión. Lamentablemente, no se puede distinguir perfectamente cuál es cuál, pero en la experiencia fue claro apreciar que las fases a y b poseen una mayor amplitud, debido a que alimentan al circuito de campo del motor. El valor de la corriente de la fase c es bajo ya que el sistema opera casi en vacío, o sea, no debe ejercer un alto torque y por ende la corriente es mínima. Al pasar a operar a máxima velocidad se observa lo siguiente

Figura 5. Voltaje y corriente de armadura velocidad máxima. a) giro positivo b) giro negativo


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Los valores obtenidos para la medición anterior fueron los siguientes.

Tabla 4. Valores medidos

Parámetro Giro positivo Giro negativo Vrms 478[V] -499[V]

Vmedio 468[V] -498[V] Irms 970[mA] -1.05[A]

Imedia 660[mA] -720[mA] Concuerda el crecimiento del valor del voltaje de armadura debido a que ahora el motor gira a máxima velocidad (la velocidad es proporcional al voltaje). La corriente también presenta un aumento en su magnitud debido a que debe suplir el requerimiento de torque a una mayor velocidad. Se observa que al hacer un cambio de giro, todos los valores aumentan (en magnitud), lo que coincide con lo expuesto anteriormente acerca del roce distinto en cada sentido. Para el caso de las señales de entrada se tiene la imagen que sigue

Figura 6. Voltajes y Corrientes de entrada a velocidad máxima

La principal característica que se observa es el aumento de la magnitud de las corrientes de fase a y b, consecuente con el aumento de los valores en la salida del rectificador.


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3.2 Compare el comportamiento de la corriente de carga y la corriente de entrada registrada en la inversión de marcha con respecto a la simulación. Comente.

En el punto anterior se realizaron comparaciones de lo que ocurría antes y después del cambio de marcha, pero no se mostró el transiente entre los cambios de giro del motor. La siguiente imagen muestra el instante en que se produce la inversión de marcha

Figura 7. Voltaje y Corriente de armadura y Voltaje de tacómetro en inversión de marcha

La figura 8 muestra las señales en cuestión obtenidas en la simulación

Figura 8. Simulación de inversión de marcha


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En la figura 7 se observa que al intentar cambiar el sentido de giro del motor, la corriente de armadura se vuelve negativa, aunque el voltaje sigue siendo positivo. Esto indica que durante el frenado, el motor está en régimen regenerativo (voltaje y corriente con distinto signo). Cuando el motor está parcialmente detenido (justo cuando pasa de un sentido de giro a otro) se produce un aumento en los peaks de corriente de armadura, debido a que se debe forzar la aceleración del motor en otro sentido. Por lo tanto el torque eléctrico aumenta de manera de eliminar la inercia que lleva el motor y así lograr que adquiera velocidad en el otro sentido. Luego, el motor inicia su aceleración donde la corriente y el voltaje de armadura adquieren el mismo signo. Es de mencionar que todo el proceso de inversión tarda poco más de 1[s]. Comparando los resultados obtenidos en el laboratorio, con la simulación (figura 8) se observa que en esta última el cambio de marcha no es tan paulatino. En efecto, la parte de frenado es mucho más marcada, teniendo una característica exponencial. Claramente esto se debe a que en la simulación se generaron peaks de corriente de armadura que permitieron una detención más pronta del motor, para luego retomar su aceleración hacia el sentido de giro opuesto. Una vez que la velocidad cruza por cero, se tiene que el comportamiento de ambos “sistemas” es bastante similar, donde la corriente disminuye hasta alcanzar su valor en estado estacionario. Se debe recordar que las mediciones se realizaron sin carga, por lo que la corriente en régimen permanente tiene valores muy bajos. Un detalle es que se comprueba lo expuesto en la sección 3.2 acerca de los distintos niveles de torque que debe realizar el motor dependiendo del sentido de giro. Como se observa en la figura 7, la corriente en estado estacionaria no es exactamente el mismo valor (con signo opuesto) al invertir la marcha. Cabe destacar que para obtener la velocidad del motor en [rpm], a partir del voltaje del tacómetro se debe utilizar la siguiente relación

�� =��

0.06


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3.3 Comente acerca de las formas de onda obtenidas cuando el rectificador opera en modo regenerativo.

A continuación conectamos el motor asincrónico: Un puente rectificador trifásico conectado a un filtro y luego a un inversor que alimenta el motor (variador de frecuencia). Conectamos este en la configuración delta sugerida por el ayudante para facilitar el control. Esta conexión permite que entreguemos a cada fase la tensión línea a línea del variador de frecuencias que es mayor, así suministramos una mayor corriente y por ende una mayor potencia para echar a andar el motor. El motor de inducción poseía un sistema de control realimentado que manejo el ayudante. Además se limitó el máximo de corriente que puede pasar a través del rectificador que alimenta el motor DC por medio de la MMI. Esto para impedir que el control entregara la corriente suficiente al motor DC y este tuviera la fuerza suficiente para llevar al motor de inducción e impedir el giro del rotor. Por cierto los rotores de los motores están acoplados por medio de un sistema semiflexible que permite la transmisión de la potencia mecánica de un motor a otro. Al echar a andar el motor síncrono este rompe con el roce estático de los dos motores y comienza a girar. La potencia entregada por el motor síncrono se trasmite al motor DC a través del eje y este transmite esta potencia a él rectificador que trabaja en modo generador. Por esto la tensión del motor DC es positiva y su corriente negativa.

Figura 9. Voltaje al motor DC, corriente en el motor DC y voltaje de velocidad(taco)


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En la figura anterior se puede observar el cambio de marcha del motor de inducción y como arrastra consigo el rotor de del motor DC, la velocidad pasa de negativa a positiva, el voltaje de un valor positivo a uno negativo y la corriente sigue la misma polaridad de la velocidad, fenómeno que es esperado. Estos valores implican una potencia negativa. En realidad para evitar confusiones: un flujo de energía desde el motor hacia la red eléctrica. Esta potencia que vuelve a la red es ocupada claro por el motor de inducción (o al revés). Este proceso generaría efectivamente potencia eléctrica si envés del motor de inducción tuviéramos una fuente de potencia no eléctrica como por ejemplo agua o aire que hiciera girar el rotor del motor DC y así producir energía eléctrica.

Figura 10. Voltaje al motor DC, corriente en el motor DC y voltaje de velocidad(taco)

En las imágenes anteriores se puede observar el acoplamiento de los motores y el motor DC actuando como generador en estado estacionario en los 2 casos posibles. Primero gira hacia un lado y luego para el otro, la corriente cambia correspondientemente y el voltaje es siempre de signo opuesto a la corriente. Respecto a la potencia y las componentes armónicas:

Tabla 1. Parámetros en modo regenerativo

Parámetro Antes cambio de marcha Después del cambio de

marcha Potencia activa -557[W] -559[W] Potencia reactiva 2014[VAr] 1993[VAr] Potencia aparente 2100[VA] 2080[VA] PF 0.2653 0.269 THD voltaje 4.47 THD corriente 33.42


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Se observan casi nulas diferencias en las potencias del motor girando en una dirección u otra. El margen está dado por las diferencias de los coeficientes de roce que puede tener el motor. El porcentaje de componentes armónicas de la corriente es similar al del rectificador no controlado. La siguiente figura muestra las formas de onda de las corrientes y la transformada de Fourier de esta que ilustra el contenido armónico de esta que no es menor:

Figura 11. Corrientes y su contenido armónico


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CONCLUSIONES

En esta experiencia relacionamos las herramientas desarrolladas en las experiencias anteriores referentes a los rectificadores trifásicos con la dinámica de un motor de corriente continua. Recordamos herramientas fundamentales en el diseño de un lazo de control de corriente y velocidad vistas en control automático. Descubrimos herramientas para la simulación en PSim de motores y nos familiarizamos con el dispositivo de control y actuación: 590 series. En esta experiencia pudimos observar con mucha precisión las formas de onda de las dinámicas de cambio de marcha gracias a que estas se llevaban a cabo en un tiempo suficientemente lento como para que el osciloscopio tomara una fotografía completa del proceso. Vimos cómo afecta el lazo cerrado a las variables de actuación y mejora la respuesta de la variable de interés (la velocidad y la corriente). En las formas de onda pudimos comprobar que el giro del motor está totalmente atado a la corriente y observar cómo trabaja el rectificador en los cuatro cuadrantes. Tuvimos una primera aproximación al motor de inducción y sus conexiones y observamos cómo estaban acoplados los dos motores con un sistema ligeramente elástico. Las mediciones dejaron en evidencia una ligera diferencia entre las potencias recibidas por el rectificador en modo regenerativo debido asumimos a la diferencia de los coeficientes de roce en una dirección y otra. Para poder observar el funcionamiento del rectificador con potencia negativa fue necesario hacer que el motor de inducción “llevara” al motor DC y esto fue solo posible si disminuíamos la capacidad máxima de entregar corriente de la actuación. Porque si no lo hacíamos, el rectificador teniendo como referencia velocidad 0 intentaría conservar este estado aumentado la corriente y generando un torque en oposición al giro del motor de inducción, esta corriente generaría una peligrosa cantidad de calor. Una vez que el motor entro en funcionamiento y fue vencido el roce estático y el control de velocidad se logró observar como la potencia del motor de inducción fluía a través del conversor hacia la red. La auto sintonía del controlador entrega una muy buena herramienta para sistemas que tengan la factibilidad de ser sometidos a la prueba y tengan algo de tolerancia para los parámetros del controlador. Esta herramienta es útil pues le entrega adaptabilidad al controlador a diferentes sistemas sin necesidad de que el usuario maneje con profundidad conceptos de control.

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