Fundamentos del Control de Motores Eléctricos

TEMA 3 FUNDAMENTOS DEL CONTROL DE MOTORES ELECTRICOS 1

Tema 3 FUNDAMENTOS DEL CONTROL DE MOTORES ELECTRICOS 3.1 CARACTERISTICAS DEL SISTEMA DE CONTROL DE MOTORES

Funciones del controlador de un motor

- Arranque del motor

- Parada del motor (frenado)

- Control del sentido de giro del motor inversin del sentido de rotacin

- Control de velocidad del motor regulacin de velocidad

Arranque del motor

- Conectar el motor a la fuente de alimentacin

- Considerar requerimientos de voltaje, frecuencia y ciclo de trabajo

- Tipo de arranque rpido o moderado efecto dinmico de la carga

- Tipo de servicio continuo o intermitente vida til de contactores

Parada del motor

- Gradualmente permitir parada suave tipo de carga

- Parada rpida condiciones normales o de emergencia

- Par de frenado frenado dinmico

Control de velocidad

- Controles de velocidad constante cualquier condicin de carga

- Controles de velocidad variable variar velocidad requerimientos de carga

- Controladores de velocidad ajustable operador condicin del proceso

3.2 TIPOS DE DIAGRAMAS PARA EL CONTROL DE MOTORES ELECTRICOS Diagramas bsicos de control de motores

- De cableado terminales y cables para conexin fsica

- Esquemtico diagrama de control contactores, rels, proteccin, sealizacin

- Componentes de un circuito de control

- Smbolos estndar en circuitos de control

Ejemplo de diagramas de cableado

- Arranque directo de motor 3 de induccin arrancador magntico

TEMA 3 FUNDAMENTOS DEL CONTROL DE

- Arrancador manual estrella tringulo de un motor 3

Diagrama esquemtico

- Elementos de control

- Dispositivos proteccin

- Arranque directo de un motor 3

FUNDAMENTOS DEL CONTROL DE MOTORES ELECTRICOS 2

Arrancador manual estrella tringulo de un motor 3 de induccin

diagrama de control

contactores, rels, pulsadores, lmparas piloto

Dispositivos proteccin interruptor de desconexin, fusibles, rels de sobrecarga

Arranque directo de un motor 3 de induccin

contactores, rels, pulsadores, lmparas piloto

interruptor de desconexin, fusibles, rels de sobrecarga


Tipos de diagramas de control

- De 2 alambres 2 cables para la accin de control contactos remotos

- De 3 alambres 3 cables para la accin de control botones remotos

3.3 METODOS DE ARRANQUE DE MOTORES DE INDUCCION Arranque directo plena tensin

- Elevada corriente de arranque tipo NEMA tabla 2.2

Tabla 3.1 Letra cdigo NEMA de rotor bloqueado Letra cdigo rotor

bloqueado kVA/HP Letra cdigo rotor

bloqueado kVA/HP

A 0.00 3.15 L 9.00 10.00 B 3.15 3.55 M 10.00 11.00 C 3.55 4.00 N 11.20 12.50 D 4.00 4.50 P 12.50 14.00 E 4.50 5.00 R 14.00 16.00 F 5.00 5.60 S 16.00 18.00 G 5.60 6.30 T 18.00 20.00 H 6.30 7.10 U 20.00 22.40 I 7.10 8.00 V 22.40 y ms J 8.00 9.00

- Letra de cdigo (placa) KVA CODE kVA HP/LCF = estimar arrI [A]1000

3

LCarr

nom

F HPI

V

(3.1)


- Corriente nominal motores

Ejemplo 3.1 Estimar la corriente nominal y la corriente arranque 15HP 208V, con letra de cdigo F.

Solucin: Aplicando (3.2) la corriente nominal (estimada) es:

Para motores que funcionan a 220V, el valor anterior es tabla 2.1, para letra F, el factor estimada de arranque debera ser:

1000 5.6 15

3 208arrI

Arranque a tensin reducida- Condicin de arranque

- Restaurar el voltaje despus de cierta velocidad

- Par de arranque se reduce

- Arranque de bomba centrfuga o ventilador

- Arranque de una mquina de corte

- Solo para arranque sin carga

%

Pa

r d

e p

len

a c

arg

a

% velocidad sncrona

Bomba centrfuga

Motor


Corriente nominal motores trifsicos

[A]600nomnom

HPI

V

Estimar la corriente nominal y la corriente arranque de un motor 3208V, con letra de cdigo F.

la corriente nominal (estimada) es:

A600 15 43.3208

nomI

=

Para motores que funcionan a 220V, el valor anterior es HP A3 3 15 45 =tabla 2.1, para letra F, el factor 5.00 5.60LCF = . Asumiendo el mximo, la corriente estimada de arranque debera ser:

[A]1000 5.6 15 233 veces233 5.443.3

arr

nom

I

I= =

tabla

Arranque a tensin reducida Condicin de arranque arranque nominalV V<

Restaurar el voltaje despus de cierta velocidad

Par de arranque se reduce arranque arranque2T V tipo de carga

rranque de bomba centrfuga o ventilador motor clase B

Arranque de una mquina de corte motor clase D

arranque sin carga o cargas con par resistente moderado

% velocidad sncrona

%

Pa

r d

e p

len

a c

arg

a

% velocidad sncrona

Mquina de corte

Motor

(3.2)

de induccin de

HP A3 3 15 45 = . De la el mximo, la corriente

tabla 2.2: clase A

clase motor


Mtodos de arranque con tensin reducida- Arranque estrella-tringulo

- Arranque con resistencias en serie

- Arranque con autotransformador

- Arrancador con fuente electrnica regulada

Arranque Y- cargas par

- Corriente y par de arranque

arranque (Y) arranque (Y)I T

- Diagrama de cableado

- Diagrama de control

17

CR1

17 24

P1

37

27

1

6

5

4

T

S

R

7

7

17


Mtodos de arranque con tensin reducida tringulo

Arranque con resistencias en serie

Arranque con autotransformador

Arrancador con fuente electrnica regulada

par resistente moderado arrV se reduce en

Corriente y par de arranque

arranque ( arranque (arranque (Y) arranque (Y)

) )

3 3

I TI T

= =

Diagrama de cableado arrancador manual

contactores y rels auxiliares enclavamiento elctrico

23

2221

20

14

13 M2

M3

ON CR1

ON CR1M3

M21

19CR1

M1

CR1 20

OL

1918

A1

10

11

129

8

7

OL

OL

OL

M1

M1

M1

M3

M3

20

3

(3.3)

enclavamiento elctrico

15

16

M2

M2


- Transicin abierta transicin Y sin voltaje aplicado

- Transicin cerrada conectar resistencias antes de cerrar la

Arranque con resistencias en serie

- Dos contactores con enclavamiento elctrico

- Contactor A arranque cierra despus de cierta velocidad

Ejemplo 3.2 Motor de induccin de 200 HP, 460 V, 60 Hz, 3 250 rpm tiene un par de rotor bloqueado de 600 N-m y una corriente de rotor bloqueado de 1 400 A. Se conectan 3 resistencias en serie para reducir el voltaje a un 65%. Calcular:

a. La corriente consumida en el momento de arranque. b. El par mecnico desarrollado por el motor. c. Las especificaciones comerciales de las resistencias de arranque, si el factor de

potencia con el rotor bloqueado es 35%. Solucin: a. La corriente de arranque debe ser 65% de la corriente nominal de rotor bloqueado:

A0.65 1 400 910arranqueI = =

b. El par mecnico vara con el cuadrado de la reduccin de voltaje: N-m2(0.65) 600 252arranqueT = =

c. Comercialmente es necesario especificar la potencia disipada, la resistencia en , el voltaje de trabajo. La potencia disipada se puede obtener calculando la potencia activa en lado del motor MP y la potencia activa en el lado de la lnea LP , en el momento de arranque. Para MP obtenemos:

( )( ) 3 ( )M M M arranque M arranque MP S cos V I cos= =

kW33 (0.65 460) 910 0.35 10 165MP

= =

Para obtener LP , calculamos la potencia aparente en el lado de la lnea, como:


kVA33 3 460 910 10 724L L arranqueS V I

= = =

Por otro lado, la potencia reactiva consumida por el motor en el arranque es:

kVAR2 2 2 2(471) (165) 441M M MQ S P= = =

Como las resistencias no consumen potencia reactiva, esta misma potencia se consume desde el lado de la lnea:

kVAR441L MQ Q= =

Combinando LS y LQ , podemos obtener LP como:

kW2 2 2 2(724) (441) 574L L LP S Q= = =

Por lo tanto, las 3 resistencias deben disipar una potencia de: kW3 574 165 409R L MP P P= = =

Luego, cada resistencia deber disipar kW3 / 3 409 / 3 136R RP P= = =

Para determinar el valor de cada resistencia en : 2 2 3(910) 136 10R arranqueP I R R= = = 0.164R =

Luego, las especificaciones comerciales son:

, kW y V0.164 136 460

El resultado se resume en la siguiente figura:

Arranque con autotransformador

- Corriente de lnea ms baja misma reduccin de voltaje

- Transicin de voltaje reducido a pleno voltaje menos suave

- Ms costoso

- Corriente de arranque directo de lnea ( )L

arr D

RB

VI

Z=

M

A910 A910

V460 V299

kW574LP =

0.164

kVAR441LQ = kW165MP = kVAR441MQ =


- Corriente de arranque a tensin reducida ( ) ( )M L

arr M arr D

RB RB

V VI a a I

Z Z= = =

- En trminos de MI e LI ( ) ( ) ( )( )arr L arr M arr DI a I a a I= =

2 2

( ) ( ) ( ) ( )arr L arr D arr AUTO arr DI a I T a T= = (3.4)

Diagrama de control AUTRF de 50%, 65% y 80% enclavamiento mecnico

Ejemplo 3.3 Repetir ejemplo 3.6, asumiendo que se utiliza autotransformador en el tap de 65%. Solucin: Del ejemplo 3.6, la potencia aparente y la corriente consumida por el motor es:

kVA471MS = A910MI =

Considerando que en el autotransformador ideal la potencia de entrada es igual a la potencia de salida, obtenemos:

kVA471L MS S= =

Luego, la corriente en el lado de la lnea es:

A3471 10

5923 220

LI

= =

Este resultado puede verificarse aplicando la 0.65a = del autotransformador ideal: A0.65 910 592LI = =

Los resultados de muestran en la siguiente figura.


3.4 CONTROL DE VELOCIDAD DEL MOTOR DE INDUCCION Cambio sentido de giro

Motor de induccin aplicaciones tpicas

Desarrollo de electrnica

Propsito: lograr cambios de velocidad del rotor

m sn s n s= =

Mtodos comunes:

- Cambio del nmero de polos

- Variacin resistencia el rotor

- Variacin del voltaje de alimentacin

- Variacin de frecuencia

Cambio del nmero de polos

- Mtodo de polos consecuentes

- Mtodo de devanados mltiples

Mtodo de polos consecuentes

- Proporcin 2:1 dos velocidades

- Cambio en alimentacin

- Rotor jaula de ardilla


DE VELOCIDAD DEL MOTOR DE INDUCCION

invertir 2 terminales cambiar secuencia

aplicaciones tpicas velocidad constante

Desarrollo de electrnica variadores de frecuencia

Propsito: lograr cambios de velocidad del rotor condicin de carga

120(1 ) (1 )m s

fn s n s

p= = constantes

Cambio del nmero de polos jaula de ardilla

Variacin resistencia el rotor rotor devanado

Variacin del voltaje de alimentacin jaula de ardilla

Variacin de frecuencia jaula de ardilla

Cambio del nmero de polos

Mtodo de polos consecuentes

Mtodo de devanados mltiples

Mtodo de polos consecuentes ms antiguo 1897

dos velocidades

Cambio en alimentacin bobinas del estator

Rotor jaula de ardilla polos en el rotor por induccin

M

A592 A910

V460 V299

kVA471LS = kVA471MS =

cambiar secuencia invierte CMR

Polos consecuentes


Efecto en el par mecnico

- Velocidad final 50% de velocidad inicial

- Par mximo igual al inicial

- Par mximo doble del inicial

- Par mximo 50% del inicial

Mtodo de devanados mltiples

- Devanados para diferente nmero de polos

- Se energiza uno a la vez


Efecto en el par mecnico cambio de 2 a 4 polos potencia o par constante

50% de velocidad inicial

Par mximo igual al inicial conexin de par constante

Par mximo doble del inicial conexin de potencia constante

Par mximo 50% del inicial conexin ley de los cuadrados

mltiples

Devanados para diferente nmero de polos

Se energiza uno a la vez segn velocidad requerida

potencia o par constante


- Un devanado de 4 polos y otro de 6 polos 1800rpm y 1200rpm

- Costoso aplicaciones muy especiales

Mtodo de variacin de resistencia del rotor

- Motor de rotor devanado

- Aumentando 2R cambia forma de la curva par-velocidad

- Reduce severamente la eficiencia del motor

- Sistema de elevacin y transporte

Mtodo de variacin del voltaje de alimentacin

- Par desarrollado proporcional cuadrado de voltaje alimentacin

- Pequeos cambios de velocidad intervalo finito

- Accionamiento de pequeos motores de ventilacin


Mtodo de variacin de frecuencia

- Cambio en frecuencia del estator cambia sn cambia mn

- sn velocidad base V.B.

- Baja frecuencia baja impedancia alta corriente disminuir voltaje

- Cambio de velocidad por encima o por debajo de V.B.

- Valores tpicos de regulacin 5% a 200% de V.B.

- Regulacin por encima de la velocidad base aparentemente sin problema

Regulacin por debajo de V.B. - Reducir voltaje operacin adecuada

- Proceso de degradacin evitar saturacin del ncleo

- Disminuir frecuencia y voltaje constante aumenta flujo

- Corrientes excesivas de excitacin perdidas y calentamiento

- Reducir voltaje linealmente con reduccin de frecuencia

- Efecto de armnicos calidad de energa suministrada

3.5 CONTROLADORES DE VELOCIDAD DE ESTADO SOLIDO EN MOTORES DE INDUCCION Mtodo preferido para regulacin de velocidad motor de induccin

Variacin simultnea de voltaje y frecuencia: 0 a 120Hz y 0 a 230V

Tcnicas de modulacin de amplitud de pulso PWM

3.6 FRENADO DEL MOTOR DE INDUCCION Mtodos de frenado del motor 3 de induccin:


- Frenado regenerativo funcionar como generador sn n>

- Frenado por inversin de corriente

- Frenado por inyeccin voltaje de C.D.

3.7 CONTROL DE VELOCIDAD EN MOTORES DC Motor shunt DC

- Fundamento ecuacin (2.22) [rpm]a an p

V In

K

= regular p fI

Ejemplo 3.4 Un motor DC en derivacin tiene los siguientes valores nominales: HP, V10 230 , rpm, A1350 37.5 . La corriente de excitacin se ajusta en A0.75fI = , la

resistencia de armadura es 0.35aR = y las prdidas rotacionales se asumen en W519 .

a. Para condicin de plena carga, determine el par desarrollado, la f.c.e.m. y la eficiencia.

b. Para cierta condicin de funcionamiento V230tV = , A20LI = e A0.75fI = . Determine el par desarrollado y la velocidad.

Solucin: a. Utilizando el diagrama de flujo de potencia de la pgina L2.29 y aplicando (2.24)

N-m10 746 519 56.441350 / 30

m FVdd

m m

P PPT

+ += = = =

pi

Del circuito equivalente (Figura L2.27): t a aE V I R=

Luego es necesario conocer la corriente de armadura aI , que se puede obtener del mismo circuito equivalente, como:

A37.5 0.75 36.75a L fI I I= = =

aI R

-

tV aR

fR

fI

E

+

-

+

tI F1

F2

A1

A2


Por lo tanto

V230 36.75 0.35 217.14t a aE V I R= = =

Finalmente, la eficiencia a plena carga es

10 746100 100 100 86.49%

230 37.5sal m

en t L

P P

P V I

= = = =

b. Para la nueva condicin de funcionamiento:

A2 2 20 0.75 19.25a L fI I I= = =

Si la excitacin se mantiene constante, el flujo polar p no cambia y por lo tanto

22 p ad

d p a

K IT

T K I

=

N-m2219.25

56.44 29.5636.75

ad d

a

IT T

I= = =

La nueva f.c.e.m. viene dada por

V2 2 230 19.25 0.35 223.26t a aE V I R= = =

Si la excitacin es constante, la f.c.e.m. es proporcional a la velocidad. Luego

rpm221

223.261350 1388.1

217.14m m

En n

E= = =

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