UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILEFACULTAD DE INGENIERA DEPARTAMENTO DE INGENIERA ELCTRICADISEO E IMPLEMENTACIN DE SISTEMA DE ACCIONAMIENTO MODERNO EN MOTORES DEL LABORATORIO DE MQUINAS ELCTRICAS DEL DEPARTAMENTO DE INGENIERA ELECTRICA

Trabajo de Titulacin presentado en conformidad a los requisitos para obtener el Ttulo de Ingeniero Electricista

PROFESOR GUIA: SR. OSVALDO OJEDA REYESERICK CARLOS MOLINA CORNEJOANDRES VLADIMIR SANDOVAL ACEITUNO

PRESENTACIN DEL TEMAOBJETIVO GENERAL

Dar a conocer y familiarizar a los alumnos del rea Potencia del DIE con los sistemas modernos de accionamiento y control de motores de CA que se utilizan en la actualidad en los procesos industriales del pas, particularmente el Variador de Frecuencia (VDF). OBJETIVOS ESPECIFICOS

Describir las principales caractersticas del motor de induccin tipo jaula de ardilla, el cual es el de mayor utilizacin en la industria, y su funcin dentro del sistema completo de accionamiento.

Investigar y estudiar los mtodos modernos de accionamiento y control de motores de CA ms usados a nivel industrial, centrando la atencin especialmente en los VDF.

Desarrollar e implementar nuevas experiencias para el laboratorio de Mquinas Elctricas, logrando que el alumno lleve a cabo el estudio, configuracin y puesta en marcha de motores de CA mediante VDF.

SISTEMA DE ACCIONAMIENTO ELCTRICO

Un sistema de accionamiento elctrico es un conjunto interactuante constituido por:

Un motor impulsor.Una mquina de trabajo accionada o carga.Un equipo de comando.Red de suministro de energa.

El estudio de los accionamientos se enfoca al conocimiento, clculo, diseo y aplicacin de:

La carga a ser impulsada y sus requerimientos.

Las caractersticas electromecnicas de los diferentes tipos de motores y su relacin con la carga accionada.

Los elementos y sistemas de control y comando necesarios para que el motor satisfaga los requerimientos de la carga.

EL MOTOR ELCTRICOCLASIFICACIN:Motores ElctricosMotor CCMotor CAMotor SncronoMotor de InduccinMotor Jaula de ArdillaMotor Rotor Bobinado

MOTOR DE INDUCCIN TIPO JAULA DE ARDILLAVentajas

RobustoFiableLibre de mantencinBajas perdidas y eficiencia alta

CLASIFICACIN DE MOTORES (NEMA)

CLASIFICACIN DE MOTORES (NEMA)

MQUINAS INDUSTRIALES ACCIONADAS POR MOTORES ELCTRICOS

CARGA TORQUE CONSTANTEEl torque no depende de la velocidad de rotacin, mientras que la potencia es lineal.

Una carga de torque constante es tpica cuando se manejan volmenes fijos. Por ejemplo:

Compresores de tornilloAndarivelesGras y cinta transportadora

CARGA DE TORQUE CUADRTICO El torque cuadrtico es proporcional a la velocidad, y la potencia lo es al cubo.

El torque cuadrtico es el tipo de carga ms comn. Es habitual en aplicaciones de tipo industrial minero, como:

VentiladoresSopladoresBombas centrifugas

TORQUE DE TIPO INVERSO El torque vara en forma inversamente a la velocidad, es habitual en aplicaciones como:

Tornos Fresadoras bobinadoras

MTODOS DE PARTIDA Y DE CONTROL DE VELOCIDAD DE MOTORES DE INDUCCINDesventajas:

Corriente de partida elevada a plena carga y en partida directa (5 a 7 veces la corriente nominal)

Velocidad de operacin casi constante en rgimen permanente

MTODOS DE PARTIDA MOTOR TRIFASICO DE INDUCCIONPartida directa

Partida estrella-tringulo

Partida con autotransformadores

Partidores suaves

PARTIDA DIRECTA MOTOR TRIFASICO DE INDUCCIONVentajasArrancador simpleEconmicoPar de arranque importante

InconvenientesPuntas de corrientes muy importantesArranque brutal

Aplicaciones habitualesPequeas maquinas aunque arranquen a plena carga

PARTIDA DIRECTA

PARTIDA ESTRELLA-TRIANGULOVentajasArrancador econmicoBuena relacin par/corriente

InconvenientesPar de arranque dbilSin posibilidad de ajusteCorte de alimentacin en el cambio de acoplamiento y fenomenos transiente motor de 6 bornes

Aplicaciones habitualesMaquinas que arrancan en vaci.Ventiladores y bombas centrifugas de poca potencia.

PARTIDA ESTRELLA-TRIANGULO

PARTIDORES SUAVESVentajasRegulable durante la puesta en servicioDimensiones reducidasEstticoAdaptable a cualquier cicloInconvenientesposibilidad de ajusteCorte de alimentacin en el cambio de acoplamiento y fenomenos transiente motor de 6 bornes

Aplicaciones habitualesMaquinas que arrancan en vaci.Ventiladores y bombas centrifugas de poca potencia.

CONTROL DE VELOCIDAD DE MOTORES DE INDUCCIONVariacin del deslizamiento del motor

Cambio del nmero de polos del motor

Variacin de la frecuencia elctrica

CAMBIAR EL NUMERO DE POLOS DEL MOTORCaractersticas:Velocidades escalonadasRelacin de velocidades 1:2

Aplicaciones:TornosFresastaladradoras

VARIACIN DE LA FRECUENCIA DE LA RED DE ALIMENTACIN ELCTRICACaractersticas:

Alto rango de variacin de velocidadVoltaje aplicado vara en proporcin a la frecuenciaRegulacin suave y disminucin de desgastes mecnicosAhorro de energa

Aplicaciones:

Procesos industriales que requieren variar la velocidad del motor

ACCIONAMIENTO DE MOTORES DE INDUCCIN MEDIANTE VARIADORES DE FRECUENCIAHoy en da, la mayora de los procesos requiere mquinas y equipos con velocidad variable debido a:

Creciente desarrollo industrial

Aumento de los precios de la energa

Exigencia de producto de mayor calidad

ESTRUCTURA INTERNA DEL VDFPara comprender en forma prctica y simple el funcionamiento de un VDF se puede analizar su estructura, en la cual se aprecian 3 etapas bien definidas y el circuito de control:

Etapa de entrada

Etapa intermedia

Sistema inversor

Circuito de control

FUNCIONAMIENTO Y TECNOLOGAS DE CONTROLControl por modulacin de ancho de pulso (PWM)

Control de vector de flujo (VECTORIAL)

Control directo de torque (DTC)

CONTROL POR MODULACIN DE ANCHO DE PULSO (PWM)

Caractersticas:

Las variables de control son la tensin y la frecuenciaSimulacin de la onda sinusoidal de CA mediante un modulador (PWM)Flujo proporcionado con un coeficiente de V/F constanteAccionamiento de lazo abiertoLa carga determina el valor del torqueVentajas:

Bajo costoNo requiere un dispositivo de retroalimentacinSimplicidad de uso

Inconvenientes:

Se ignora el estado del motorNo se controla el torqueSe utiliza un modulador lento

CONTROL VECTORIAL DE FLUJOVentajas:

Buena respuesta del parControl preciso de la velocidadTodo el par a velocidad cero

Inconvenientes:

Se requiere retroalimentacinCosto elevadoSe requiere moduladorFuncionamiento complejoCaractersticas:

Las variables de control son la tensin y la frecuenciaSe conoce el estado del rotor (flujo y velocidad) mediante un encoderAccionamiento de lazo cerradoSimulacin de la onda sinusoidal de CA mediante un modulador PWMEl par se controla indirectamente

CONTROL DIRECTO DE TORQUECaractersticas:

Las variables de control son el flujo magnetizante y el torque del motorNo requiere realimentacin mediante encoder o tacmetro

FUNCIONAMIENTO DEL DTC

FUNCIONAMIENTO DEL DTCCONTROL DE PAR

Paso 1: Medicin de la tensin y la corriente.Paso 2: Modelo del motor adaptable.Paso 3: Comparador de par y de flujo.Paso 4: Selector de pulsos ptimos.

FUNCIONAMIENTO DEL DTCCONTROL DE LA VELOCIDAD

Paso 5: Regulador de la referencia del par.Paso 6: Regulador de la referencia.Paso 7: Regulador de la referencia de la velocidad

COMPARACIN ENTRE TCNICAS DE CONTROL Similitud entre el bloque de control del accionamiento de CC y control por DTC.

El DTC no necesita modulador.

Los accionamientos PWM, el control se realiza dentro de un regulador electronico y no dentro del motor.

FUNCIONES BASICAS DE CONTROL DE ACCIONAMIENTO ELECTRICOSSi se tiene en cuenta toda la informacin que se ha presentado hasta el momento, puede afirmarse que el accionamiento de CA es el lder en mtodo de control particularmente los variadores de frecuencias.

El control del motor esta formado por 4 componentes distintos:

La interfase de usuario

El motor

Suministro elctrico

Interfase de proceso

CARACTERSTICAS DEL ACCIONAMIENTO DE CA PARA CONTROLAR MEJOR LOS PREOCESOS Entradas y salidas analgicasFuncin de inversinAceleracin y deceleracin de tiempos de rampasValores V/Hz del par variableRefuerzo del parEliminacin de vibraciones mecnicasLimites de carga para evitar fallos por interferenciasFuncionamiento con cortes de redFuncin de bloqueoCompensacin de deslizamientoArranque con girando

EL VDF MODELO ASC 800-01

MODOS DE CONTROL

DTC: El modo Control directo de torque es adecuado para la mayoria de las aplicaciones.

ESCALAR: el control escalar es adecuado en casos especiales que no puede aplicarse el DTC. Se recomienda el modo de control escalar:

Para convertidores multimotores con numero variables de motores.

Cuando la intensidad nominal del motor es inferior a 1/6 de la intensidad de salida nominal del convertidor.

El convertidor se usa con fines de prueba sin un motor conectados.

ESTRUCTURA DEL VARIADOR DE FRECUENCIAEl variador de frecuencia consta de dos partes principales: el circuito de potencia y el circuito de control.

MARCHA DE IDENTIFICACIONEl rendimiento del control directo de torque se basa en la marcha de identificacion (modelo del motor) la cual se determina durante el arranque del motor.

Este mtodo de identificacin es adecuado para la mayora de las aplicaciones, especialmente si el punto de funcionamiento del motor:

Esta cerca de la velocidad cero

y/o se requiere el funcionamiento en el rango de torque por encima del torque nominal del motor dentro de un amplio rango de velocidad y sin que se requiera realimentacin

PANEL DE CONTROLEl panel de control tiene cuatro modos de funcionamiento:

Modo de Visualizacin de Seales Actuales (tecla ACT)Modo de Parmetro (tecla PAR)Modo de Funcin (tecla FUNC)Modo de Seleccin de Convertidor (tecla DRIVE)

Las teclas de control son las que aparecen en la tabla

CONTROL LOCAL FRENTE A CONTROL EXTERNO

MACROS DE APLICACIN Las macros de aplicacin son series preprogramadas de parmetros. Al arrancar el equipo, el usuario suele seleccionar una de las macros - la que mejor se ajusta a sus necesidades.Hay cinco macros estndar y dos macros de usuario

FUNCIONES DEL PROGRAMA Arranque automtico

Magnetizacin por CC

Retencin por CC

Frenado por flujo

Optimizacin de flujo

Rampas de aceleracin y deceleracin Velocidades constantes

DRIVE WINDOW

EXPERIENCIAS DE LABORATORIO PROPUESTAS PARA EL ESTUDIO DEL VARIADOR DE FRECUENCIA ABB MODELO ACS 800-01-0020

EXPERIENCIAS DE LABORATORIO PROPUESTAS PARA EL ESTUDIO DEL VARIADOR DE FRECUENCIA ABB MODELO ACS 800-01-0020Experiencia N1: Accionamiento de motores de CA mediante Variador de Frecuencia con control PWM (Escalar)

Experiencia N2: Accionamientos de motores de CA mediante Variador de Frecuencia con Control Directo de Torque (DTC)

Experiencia N3: Software DriveWindow para la configuracion y el monitoreo del VDF ABB con control directo de torque (DTC)

Experiencia N4: Accionamiento de motores de CA mediante software DriveWindow para variador de frecuencia con control directo de torque (DTC)

EXPERIENCIA N1Accionamiento de motores de CA mediante Variador de Frecuencia con control PWM (Escalar)

1.- Objetivos.

Lograr que el alumno conozca las caractersticas principales de los sistemas de accionamiento y los elementos que lo constituyen.

Lograr que el alumno identifique los principales componentes del Variador de Frecuencia (VDF) y su principio de funcionamiento.

Lograr que el alumno conozca los requerimientos para la puesta en marcha del VDF y su energizacin.

Lograr que el alumno aprenda a utilizar el panel de control CDP-312 y sus principales funciones incorporadas.

Lograr un arranque del VDF en modo control de frecuencia con PWM (escalar) y la configuracin de funciones bsicas del VDF.

EXPERIENCIA N2Accionamiento de motores de CA mediante Variador de Frecuencia con Control Directo de Torque (DTC)

1.- Objetivos.

Lograr que el alumno conozca las principales funciones de control del VDF.

Lograr un arranque del VDF aplicando marcha ID de identificacin de motor en modo Control Directo de Torque.

Lograr que el alumno configure personalmente todos los parmetros para una puesta en marcha en control DTC, incluyendo lugar de control, seal de partida, parada, direccin de giro, referencia de velocidad, lmites de velocidad, tiempos de aceleracin, etc.

Controlar el VDF mediante caja de control externa aplicando macros de control fbrica y de control secuencial.

Aplicar las funciones propias del control DTC, es decir, arranque automtico, magnetizacin por CC, retencin por CC, funciones de proteccin, etc.

EXPERIENCIA N3Software DriveWindow para la configuracin y el monitoreo del VDF ABB con Control Directo de Torque (DTC)

1.- Objetivos.

Lograr que el alumno conozca las caractersticas principales de DriveWindow.

Lograr la correcta comunicacin entre el VDF y el PC mediante las interfases y el software DriveWindow.

Familiarizarse con la pantalla principal de DriveWindow, esto es, con los mens principales, barras de herramientas y reas de trabajo.

Lograr el aprendizaje en cuanto a cmo configurar los parmetros del VDF a travs de DriveWindow.

Realizar las funciones de comando sobre el VDF mediante DriveWindow.

Aprender a crear y manipular grficos de variables del VDF.

EXPERIENCIA N4Accionamiento de motores de CA mediante software DriveWindow para Variador de Frecuencia con Control Directo de Torque (DTC)1.- Objetivos.

Lograr que el alumno ejecute las principales funciones de control del VDF ACS800 a travs de DriveWindow.

Realizar una puesta en marcha completa del VDF mediante DriveWindow.Estudiar la macha ID de identificacin de motor utilizando las grficas creadas en DriveWindow.

Analizar grficamente el funcionamiento del ACS800 para distintas configuraciones de parmetros.

Aplicar las funciones propias del control DTC, es decir, arranque automtico, magnetizacin por CC, retencin por CC, funciones de proteccin, etc., y estudiar sus grficas.

Estudiar el comportamiento del sistema de accionamiento en rgimen permanente y transitorio para distintas condiciones de carga conectada

A continuacin analizaremos las principales caractersticas de los elementos que componen un sistema de accionamiento electrico.