Fundamentos del Control de Motores Eléctricos
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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
-
TEMA 3 FUNDAMENTOS DEL CONTROL DE MOTORES ELECTRICOS 3
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)
-
TEMA 3 FUNDAMENTOS DEL CONTROL DE
- 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
FUNDAMENTOS DEL CONTROL DE MOTORES ELECTRICOS 4
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
-
TEMA 3 FUNDAMENTOS DEL CONTROL DE
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
FUNDAMENTOS DEL CONTROL DE MOTORES ELECTRICOS 5
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
-
TEMA 3 FUNDAMENTOS DEL CONTROL DE MOTORES ELECTRICOS 6
- 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:
-
TEMA 3 FUNDAMENTOS DEL CONTROL DE MOTORES ELECTRICOS 7
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 =
-
TEMA 3 FUNDAMENTOS DEL CONTROL DE MOTORES ELECTRICOS 8
- 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.
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TEMA 3 FUNDAMENTOS DEL CONTROL DE
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
FUNDAMENTOS DEL CONTROL DE MOTORES ELECTRICOS 9
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
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TEMA 3 FUNDAMENTOS DEL CONTROL DE
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
FUNDAMENTOS DEL CONTROL DE MOTORES ELECTRICOS 10
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
-
TEMA 3 FUNDAMENTOS DEL CONTROL DE MOTORES ELECTRICOS 11
- 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
-
TEMA 3 FUNDAMENTOS DEL CONTROL DE MOTORES ELECTRICOS 12
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:
-
TEMA 3 FUNDAMENTOS DEL CONTROL DE MOTORES ELECTRICOS 13
- 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
-
TEMA 3 FUNDAMENTOS DEL CONTROL DE MOTORES ELECTRICOS 14
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= = =