TABLA DE CONTENIDO INTRODUCCIÓN.......................................................... ........................................................................................ ...................................................2 .....................2 Los Sistemas de Control de Velocidad Vel ocidad de Motores...........................................................3 Motores...........................................................3 I.
Operación y Caracteristicas de los Motores DC............................................... ............................................... 3
II.
Regulación de Velocidad en Motores............................................................ ............................................................... ... 6
III.
Variación de la velocidad en motores DC en derivación ................................. ................................. 7 Control de Campo (aplicado al devanado) ............................... .................................................. ................... 8 Control de armadura ............................................ ........................................................................ ........................................ ............ 9
IV.
Control Mediante Dispositivos de Potencia ................................................... ................................................... 10 1. Control Mediante Tiristores .................................................................. .................................................................. 10
V.
Sistema de Control de Velocidad Monofásico (de Media Onda) ................... 11
VI.
Sistema de Control de Velocidad Monofásico ............................................... ............................................... 14
VII.
Control reversible de Velocidad .............................................................. ..................................................................... ....... 15
VIII. Sistemas de Manejo Trifásico para Motores DC ............................................ ............................................ 17 IX.
Sistema de Control de Velocidad para Motores AC ...................................... ...................................... 18 Los Inversores ..................................................................................... ............................................................................................ ....... 19 Los Ciclo-convertidores ................................................................... ............................................................................. .......... 22 1.Ciclo-convertidor de Seis SCR ...................................................... ...................................................... 23 2.Ciclo-convertidor de Doce SCR .................................................... .................................................... 25 3.Ciclo-convertidores Trifásicos ...................................................... ...................................................... 27
X.
Procesos Industriales y Regulación de Velocidad...................................... ...................................... 29
XI.
Ahorro Energético ............................................................ ......................................................................................... ............................... 31
CONCLUSIÓN ............................................................ .......................................................................................... ...................................................32 .....................32 BIBLIOGRAFÍA............................................................. .......................................................................................... ................................................33 ...................33
INTRODUCCIÓN Hasta hace muy pocos años se tenía la impresión de que la tecnología de los motores y accionamientos eléctricos se mantenía estacionaria y que la configuración de las máquinas básicas, de corriente continua, de inducción y síncronas había alcanzado su punto de máximo desarrollo. Sin embargo, en la actualidad los accionamientos han experimentado un avance espectacular gracias a la utilización de la electrónica tanto como elemento de potencia, como para el control del funcionamiento del conjunto del dispositivo. La aplicación más importante ha correspondido al desarrollo de los accionamientos de velocidad regulable. Las razones para preferir un accionamiento de velocidad variable, frente a un motor de velocidad sensiblemente constante son: El ahorro energético que se consigue El propio control de velocidad o de posición que potencia y mejora ciertas aplicaciones Mejora de los transitorios de funcionamiento (arranque suave, arranque con aceleración controlada, etc.). El primer convertidor utilizado fue el transformador, aparato de alto rendimiento que hizo posible el transporte de la energía eléctrica a distancia y que sigue utilizándose de manera masiva en el transporte y distribución de la energía eléctrica. Pero el transformador tiene dos limitaciones importantes: no trabaja con una tensión continua y no transforma la frecuencia, es decir, salida y entrada de alterna tienen una frecuencia común. El gran avance, para conseguir mayores posibilidades de conversión vino, la utilización de convertidores de energía la cual se ha extendido a todo tipo de actividades. Existen en los convertidores diversidad de configuraciones que se ven continuamente incrementadas con la aparición de nuevas necesidades de aplicación y nuevos dispositivos semiconductores.
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INTRODUCCIÓN Hasta hace muy pocos años se tenía la impresión de que la tecnología de los motores y accionamientos eléctricos se mantenía estacionaria y que la configuración de las máquinas básicas, de corriente continua, de inducción y síncronas había alcanzado su punto de máximo desarrollo. Sin embargo, en la actualidad los accionamientos han experimentado un avance espectacular gracias a la utilización de la electrónica tanto como elemento de potencia, como para el control del funcionamiento del conjunto del dispositivo. La aplicación más importante ha correspondido al desarrollo de los accionamientos de velocidad regulable. Las razones para preferir un accionamiento de velocidad variable, frente a un motor de velocidad sensiblemente constante son: El ahorro energético que se consigue El propio control de velocidad o de posición que potencia y mejora ciertas aplicaciones Mejora de los transitorios de funcionamiento (arranque suave, arranque con aceleración controlada, etc.). El primer convertidor utilizado fue el transformador, aparato de alto rendimiento que hizo posible el transporte de la energía eléctrica a distancia y que sigue utilizándose de manera masiva en el transporte y distribución de la energía eléctrica. Pero el transformador tiene dos limitaciones importantes: no trabaja con una tensión continua y no transforma la frecuencia, es decir, salida y entrada de alterna tienen una frecuencia común. El gran avance, para conseguir mayores posibilidades de conversión vino, la utilización de convertidores de energía la cual se ha extendido a todo tipo de actividades. Existen en los convertidores diversidad de configuraciones que se ven continuamente incrementadas con la aparición de nuevas necesidades de aplicación y nuevos dispositivos semiconductores.
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Los Sistemas de Control de Velocidad de Motores Antes de entrar en el análisis de circuitos particulares puede resultar de utilidad adquirir una visión sobre la constitución de un accionamiento moderno, en el cual se puede apreciar el papel que juega el convertidor en su propio contexto. Un sistema de esta naturaleza se esquematiza en la imagen a continuación, la alimentación puede ser de 50/60 Hz dependiendo de la necesidad.
Retroalimentación Retroalimentación de velocidad
El papel del convertidor es suministrar energía al motor, a partir de la red general, (a voltaje y frecuencia constantes), pero a la tensión y frecuencia requerida por aquel, para conseguir la salida salida mecánica que se desea de forma forma precisa. Excepto en el caso de convertidores muy sencillos, como puede ser un simple diodo rectificador, en un convertidor siempre cabe distinguir dos partes: la primera es la etapa de Potencia, a través de la cual fluye la energía que absorbe el motor y la segunda es la sección de control que regula el flujo de energía anterior. Las señales de control, en forma de tensiones de bajo nivel y que pueden ser analógicas o digitales, indican al convertidor como se desea que responda. Al mismo tiempo otras señales de retroalimentación nos informan de lo que realmente está sucediendo en el motor. Por comparación de estas últimas con los valores deseados se obtienen, primero, las desviaciones y, a partir de ellas, los valores con que debemos actuar sobre la etapa de potencia para que coincidan los valores reales con los deseados. En el esquema anterior se aprecia una sola entrada que corresponde a la velocidad deseada y una señal de retroalimentación que nos da la velocidad real del motor en cada instante. Debemos señalar, no obstante, que en otros casos, existirá más de una señal de retroalimentación.
I.
Operación y Caracteristicas Caracteristi cas de los Motores DC
Consideramos prudente hacer una breve introducción sobre los motores para el mejor aprovechamiento de tema. 3
Los motores DC son importantes en el control industrial porque son más adaptables que los motores AC de campo giratorio a los sistemas de velocidad ajustable. El símbolo esquemático de un motor en derivación de DC se muestra en la siguiente imagen. El devanado de campo del motor se dibuja como una bobina. Físicamente, el devanado de campo esta compuesto de muchas vueltas de alambre delgado enrollado alrededor de los polos de campo. Los polos de campo son núcleos ferromagnéticos de metal, que están conectados al estator de la maquina. La alta resistencia del devanado de campo limita la corriente de campo a un valor bastante pequeño, permitiendo que el devanado de campo se conecte directamente a través de las líneas de suministro DC. Sin embargo, la corriente de campo relativamente pequeña IF es compensada por la gran cantidad de vueltas del devanado de campo, permitiendo al devanado crear un campo magnético intenso. Este devanado de campo no se afecta por las condiciones cambiantes de la armadura. Es decir, a medida que varía la corriente de armadura para responder a condiciones de carga variantes, la corriente del devanado de campo permanece esencialmente constante, y la intensidad del campo magnético resultante permanece constante. La corriente de campo puede encontrarse fácilmente mediante la ley de ohm como: If
Vs Rf
Donde Vs es el voltaje de alimentación al devanado de campo y Rf es la resistencia del devanado. El devanado de la armadura se dibujo como un circulo contactado por dos pequeños cuadros ya que el devanado de armadura esta construido en el rotor cilíndrico de la máquina, y la corriente circula desde y hacia el devanado de armadura mediante escobillas de carbón en contacto con los segmentos de un conmutador. Este se construye con pocas vueltas relativamente, por lo que tiene una resistencia DC pequeña. La resistencia del devanado de armadura de un motor DC de tamaño medio o grande generalmente es menor a 1 ohm.
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Al aplicarse potencia por primera vez al devanado de armadura, solo la resistencia ohmnica DC del devanado esta disponible para limitar la corriente, por lo que el aumento súbito de corriente es bastante grande. Sin embargo, a medida que empieza a acelerarse el motor, comienza a inducir una fuerza contraelectromotriz por la acción de generador común. Esta fuerza contraelectromotriz se opone al voltaje de alimentación y limita la corriente de armadura a un valor razonable. Cuando un motor DC ha alcanzado la velocidad de operación normal, se fuerza contraelectromotriz es aproximadamente del 90% de la magnitud del voltaje de armadura aplicado. La caída de voltaje IR a través de la resistencia del devanado de armadura representa el otro 10% del voltaje aplicado, ignorando cualquier caída de voltaje a través de las escobillas de carbón. El tamaño de la fuerza contraelectromotriz generada por el devanado de armadura depende de: 1. De la intensidad del campo magnético. Cuando más intenso el campo magnético, mayor tiende a ser la fuerza contraelectromotriz. 2. De la velocidad de giro. A mayor velocidad, mayor tiende a ser la fuerza contraelectromotriz. La dependencia de la fuerza contraelectromotriz de la intensidad de campo y la velocidad de giro se expresa por medio de la siguiente ecuación: Ec Kg BS
Donde: Ec es la fuerza contraelectromotriz creada por el devanado giratorio. B es la fuerza del campo magnético creada por el devanado de campo. S es la velocidad de giro en revoluciones por minuto. Como sabemos de la ley de Kirchhoff, la suma de las caídas de voltaje en el devanado de armadura es igual a la fuerza contraelectromotriz sumada a la caída de voltaje IR resistiva. Vs Ec IaRa
Donde: Ra es la resistencia del devanado de armadura Ia es la corriente de armadura
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II.
Regulación de Velocidad en Motores
Un regulador electrónico de velocidad está formado por circuitos que incorporan transistores de potencia como el IGBT (transistor bipolar de puerta aislada) o tiristores, siendo el principio básico de funcionamiento transformar la energía eléctrica de frecuencia industrial en energía eléctrica de frecuencia variable.
Esta variación de frecuencia se consigue mediante dos etapas en serie. Una etapa rectificadora que transforma la corriente alterna en continua, con toda la potencia en el llamado circuito intermedio y otra inversora que transforma la corriente continua en alterna, con una frecuencia y una tensión regulables, que dependerán de los valores de consigna. A esta segunda etapa también se le suele llamar ondulador. Todo el conjunto del convertidor de frecuencia recibe el nombre de inversor.
El modo de trabajo puede se manual o automático, según las necesidades del proceso, dada la enorme flexibilidad que ofrecen los reguladores de velocidad, permitiendo hallar soluciones para obtener puntos de trabajo óptimos en todo tipo de procesos, pudiendo ser manejados por ordenador, PLC, señales digitales o de forma manual. La mayoría de las marcas incluyen dentro del propio convertidor protecciones para
el
motor,
tales
como
protecciones
contra
sobre-intensidad,
sobretemperatura, fallo contra desequilibrios, defectos a tierra, etc, además de ofrecer procesos de arranque y frenados suaves mediante rampas de aceleración y de frenado, lo que redunda en un aumento de la vida del motor y las instalaciones.
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El uso de convertidores de frecuencia añade un enorme potencial para el ahorro de energía disminuyendo la velocidad del motor en muchas aplicaciones. Además aportan los siguientes beneficios:
Mejora el proceso de control y por lo tanto la calidad del producto.
Se puede programar un arranque suave, parada y freno (funciones de arrancador progresivo).
Amplio rango de velocidad, par y potencia. (velocidades continuas y discretas).
III.
Bucles de velocidad.
Puede controlar varios motores.
Factor de potencia unitario.
Respuesta dinámica comparable con los drivers de DC.
Capacidad de by-pass ante fallos del variador.
Protección integrada del motor.
Marcha paso a paso (comando JOG).
Variación de la velocidad en motores DC en derivación
Las dos maneras más comunes de variar la velocidad de giro de un motor de DC en derivación son: 1. Ajustando el voltaje y la corriente aplicando al devanado de campo. A medida que el voltaje de campo aumenta, el motor reduce su velocidad. Este método se sugiere en la siguiente .
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2. Ajustando el voltaje y la corriente aplicado a la armadura. A medida que aumenta el voltaje de armadura, aumenta la velocidad del motor.
Control de Campo (aplicado al devanado) A medida que aumenta el voltaje de campo, reduciendo Rv en la figura IMAGEN B. Como puede ser aumentando la corriente de campo. Esto produce un campo magnético más intenso, que induce una mayor fuerza contraelectromotriz en el devanado de armadura. La mayor fuerza contraelectromotriz tiende a oponerse al voltaje dc aplicado y reduce la corriente de armadura, Ia. Por tanto, una corriente de campo aumentada provoca que el motor disminuya su velocidad hasta que la fuerza contraelectromotriz inducida haya regresado a su valor normal. En la otra dirección, si se reduce la corriente de campo, el campo magnético disminuye. Esto causa una reducción de la fuerza contraelectromotriz creada por el devanado giratorio de la armadura. Aumenta la corriente de armadura, obligando al motor a girar con mayor rapidez, hasta que la fuerza contraelectromotriz de nuevo sea aproximadamente iguala a lo que era antes. La reducción de intensidad del campo magnético es “compensada” por un aumento de la velocidad de la armadura. Este método de control de velocidad tiene ciertas características como lo son: 1. Puede lograrse por medio de un reóstato, ya que la corriente en el devanado de campo es bastante baja debido a la gran Rf. 2. Debido al bajo valor de If, el reóstato Rv no disipa mucha energía. Lo que causa una mayor eficiencia en el método.
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Por otro lado como todo sistema que posee ventajas también posee desventajas estas son: 1. Para aumentar la velocidad, debe reducirse If, y debilitarse el campo magnético, reduciendo por tanto la capacidad de producción de par del motor. 2. La capacidad de creación de par de un motor depende de: a. La corriente en los conductores de armadura b. La intensidad del campo magnético. Si se reduce If el campo magnético se debilita, y la capacidad de producción de par del motor disminuye. Pero es justo en ese momento cuando el motor requiere toda la capacidad de producción de par que pueda conseguir, pues probablemente requiera de mayor par para mover la carga a una velocidad mayor.
Control de armadura A medida que el voltaje y la corriente de armadura aumenta, el motor inicia a girar con mayor rapidez, lo que normalmente requiere de más par. La razón del aumento de velocidad es que el voltaje aumentado de armadura requiere de un incremento de la fuerza contraelectromotriz para limitar el aumento de corriente de armadura a una cantidad razonable. La única manera en la que puede aumentar la fuerza contraelectromotriz es que el devanado de armadura gira con mayor rapidez, ya que la intensidad del campo magnético es fijo. En este caso, los ingredientes están todos presentes para una producción mayor de par, ya que la intensidad del campo magnético se mantiene constante e Ia aumenta. Uno de los principales problemas con este método es que Rv debe manejar la corriente de armadura, que es relativamente grande. Por tanto, el reóstato debe ser físicamente grande y costoso, y gastara una cantidad considerable de energía. De estos dos métodos presentados el más eficiente o útil es el de control de campo.
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IV.
Control Mediante Dispositivos de Potencia
Los dispositivos de potencia resultan muy útiles para el control de velocidad de motores, los usos mas comunes se presentan a continuación.
1. Control Mediante Tiristores Como sabemos un SCR puede desempeñar la mayoría de las tareas de un reóstato en el control de la corriente promedio a una carga. Es mas, un SCR o cualquier tiristor de potencia, no tiene las desventajas de los reóstatos de alta potencia. Los SCR son pequeños, económicos y eficientes energéticamente. Por lo que, es natural aparear el motor DC en derivación y el SCR para proporcionar control de armadura de la velocidad de un motor. La distribución general de un sistema de control de velocidad por SCR que se muestra a continuación.
En este la potencia de AC es rectificada para producir potencia de DC para el devanado de campo. El SCR entonces suministra rectificación y control de media onda al devanado de armadura. Disparado pronto el SCR, el voltaje y la corriente de armadura promedio aumentan y el motor puede operar a mayor velocidad. Disparando el SCR después, el voltaje y corriente promedio de armadura se reducen, y el motor reduce su velocidad. El circuito de control de disparo de compuerta puede ser un circuito en lazo abierto o un circuito en lazo cerrado de corrección automática. Cabe resaltar que el diagrama esquemático mostrado no es el único arreglo aceptable de armadura con SCR. Otras configuraciones que pueden ser aun preferibles al circuito mostrado anterior mente son las siguientes, pues estas proporcionan control de potencia de onda completa, en lugar de control de media onda.
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V.
Sistema de Control de Velocidad Monofásico (de Media Onda)
En la imagen se puede apreciar un circuito de control de velocidad sencillo de media onda para un motor DC.
La velocidad del motor es ajustada por el potenciómetro de ajuste de velocidad de 25K . A medida que se gira hacia arriba, aumenta la velocidad del motor. Esto sucede ya que el voltaje de compuerta relativo a tierra se vuelve una parte mayor del voltaje de la línea de AC, permitiendo por tanto que el voltaje de compuerta a cátodo alcance el voltaje de disparo del SCR más pronto en el ciclo.
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Al mover hacia abajo el potenciómetro de ajuste de velocidad, el voltaje de compuerta a tierra se vuelve una parte menor de la línea de voltaje, por lo que le toma más tiempo a VGK alcanzar el valor necesario para disparar el SCR. La relación entre velocidad y ángulo de retardo de disparo para este sistema se presenta gráficamente.
Como se puede apreciar, la acción de control de velocidad se logra en un rango bastante estrecho de ajuste del ángulo de retardo de disparo, de 70° a 110° aproximadamente. Este sistema posee una característica deseable, pues tiene a estabilizar la velocidad del motor aun frente a cambios de carga. La misma se llama Retroalimentación de fuerza contraelectromotriz. Si consideramos que el potenciómetro de ajuste de velocidad esta ajustado para proporcionar una velocidad de eje de 1500 r/min. Si la carga de par en el motor aumenta ahora, hay una tendencia natural del motor a reducir su velocidad. Hace esto para lograr que la fuerza contraelectromotriz pueda disminuir ligeramente, permitiendo un flujo de corriente aumentado. El aumento de corriente de armadura proporciona el aumento de par necesario para manejar la mayor carga. Esta es la reacción natural de todos los motores. Sin embargo cuando disminuye la fuerza contraelectromotriz, disminuye el voltaj e de cátodo a tierra VK, pues esta depende de la fuerza contraelectromotriz generada por el devanado de armadura. Si VK disminuye, el disparo del SCR ocurre antes, pues VG no tiene que subir tan alto como antes para hacer que VGK sea lo suficientemente grande para disparar el SCR. Por tanto, un aumento de par de
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carga automáticamente produce una reducción del ángulo de retardo de disparo, y un aumento consecuente del voltaje y corriente de armadura. Esta acción mantiene casi constante la velocidad del motor, aun ante una carga de par variante. La grafica de velocidad del motor contra par se presenta a continuación, donde se supone una velocidad inicial sin carga de 1500r/min.
La capacidad de un sistema de control de velocidad para mantener de forma constante la velocidad del motor ante cargas variantes se llama “Regulación de cargas”. En forma de expresión matemática esta dada por: Re g.C arg a
Sev Spc Spc
Donde : Sev es la velocidad de giro en vacío, o sea que el contrapar de la carga tendiente a reducir la velocidad del eje del motor es igual a cero. Spc es la velocidad de giro a plena carga, o sea que el contrapar de la carga tendiente a reducir la velocidad del motor esta a su máximo. Esta expresión representa a que a menor cambio en velocidad de la condición en vació a la condición de plena carga, mejor será el sistema de control.
Un ejemplo del cálculo para la regulación de la carga es el siguiente: Supongamos que la velocidad en vació dada por la grafica ya presenta es 1500r/min y que la velocidad a plena carga es de 1475r/min. Podemos hacer uso de la expresión ya presentada y obtenemos:
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Re g .C arg a
1500r / min 1475r / min 1475r / min
Reg. Carga = 0.017 ó 1.7% Por lo general la gran mayoría de las aplicaciones industriales posee una regulación de carga en el rango de 1.7%.
VI.
Sistema de Control de Velocidad Monofásico
Otros circuito de control de velocidad viene dado por el siguiente diagrama.
La potencia AC de entrada es rectificada en un puente onda completa, cuyo voltaje pulsante DC de salida es aplicado al devanado de campo y al circuito de control de armadura. El capacitor C es cargado por la corriente que fluye a través del devanado, a la placa superior del capacitor. El capacitor se carga cuando alcanza el voltaje de transición conductiva del SUS. En ese instante, el SUS permite que parte de la carga del capacitor se descargue en la compuerta del SCR, disparándolo. El ángulo de retardo de disparo es determinado por la resistencia del potenciómetro de ajuste de velocidad, que establece la razón de carga de C. El diodo D3 suprime la contracorriente de ruptura que es producida por el devanado inductivo de armdura al completarse cada semiciclo. Cuando el SCR se apaga al final del semiciclo, la corriente continúa circulando en la malla de armadura-D3 durante un tiempo corto. Esto disipa la energía almacenada en la inductancia de armadura. El propósito de la combinación R1-D1 es proporcionar una trayectoria de descarga para el capacitor C. Recuerde que un SUS no cae por completo a 0V al dispararse. Por lo que, el capacitor no es capaz de descargar toda su carga a través del circuito 14
compuerta-cátodo del SCR. Una parte de la carga permanece en la placa superior de C, aun después de que el SCR se ha disparado. A medida que las pulsaciones del suministro de DC se acercan a 0V, la carga restante en C es transferida a través de R1 y de D1 al devanado de campo. Por esto, el capacitor inicia en blanco la siguiente pulsación del puente. Por medio de este sistema también se puede proporcionar retroalimentación de fuerza contraelectromotriz, por lo que posee una buena regulación de carga. Si la carga aumenta, la primero que quiere hacer el motor es reducir su velocidad un poco para admitir más corriente de armadura. Al ocurrir esto, la fuerza contraelectromotriz de la armadura disminuye un poco. A medida que disminuye la fuerza contraelectromotriz, aumenta el voltaje disponible para cargar el capacitor C. Esto ocurre porque el voltaje disponible para cargar C es la diferencia entre el voltaje de pulsación del puente y la fuerza contraelectromotriz creada por la armadura. Esto puede entregarse haciendo referencia a las marcas de polaridad de fuerza contraelectromotriz mostrada en la figura anterior. Con más voltaje disponible para cargar C, es natural que C se cargará más pronto al voltaje de disparo, aumentando entonces el voltaje promedio suministrado a la armadura. Esto corrige la tendencia del motor a reducir su velocidad, y lo regresa virtualmente a la misma velocidad de antes.
VII.
Control reversible de Velocidad
Existen aplicaciones industriales que requieren que el giro de un motor reversible. Esto es, el motor debe ser capaz de girar tanto en dirección de las manecillas de reloj como en dirección contraria, además de tener velocidad ajustable. La inversión de la dirección de giro puede lograrse de dos formas, presentadas a continuación: 1. Invirtiendo la dirección de la corriente de armadura, dejando igual la corriente de campo. 2. Invirtiendo la dirección de la corriente de campo, manteniendo igual la corriente de armadura.
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En la imagen se puede apreciar la forma de invertir la corriente de armadura en un sistema de control de onda completa. El método más directo de inversión de la corriente de armadura o de campo es por medio de dos contactores arrancadores de motor independiente. El contactor directo causa el flujo de corriente a través de la armadura en una dirección, mientras que el otro contactor, el contactor de reserva, causa el flujo de corriente en la dirección opuesta. El contactor DIR es energizado presionando el boton “arranque directo”. Mientras el contactor REV esté desactivado en ese momento, el contactor DIR se energizará y se sellará alrededor del botón interruptor NA. El operador puede entonces soltar el boton de “arranque directo”, y el contactor permanecerá energizado hasta que se apriete el botón de PARO. Cuando los contactores DIR están cerrados, la corriente fluye a través de la armadura de abajo hacia arriba, causando el giro en cierta dirección. Cuando los contactores REV están cerrados, la corriente de armadura fluye de arriba hacia abajo, causando por tanto el giro en la dirección contraria a las manecillas del reloj. La velocidad de giro es controlada por el ángulo de retardo de disparo del SCR.
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Puede lograrse un control reversible de onda completa sin el uso de conmutadores con el uso de tiristores, como se muestra en la imagen.
La dirección de giro es determinada por el circuito de disparo que se habilita. Si se habilita el circuito de disparo directo, los dos SCR superiores se dispararán en semiciclos alternos de la línea de AC y pasará corriente a través de la armadura de izquierda a derecha, como se indica.
VIII.
Sistemas de Manejo Trifásico para Motores DC
Para los motores DC mayores de 10 hp, un sistema de manejo trifásico es superior a un sistema de una fase. Pues un sistema trifásico proporciona más pulsaciones de voltaje de armadura promedio. A continuación presentamos uno de los sistemas trifásicos más sesillos, este sistema da solo control de media onda, pero es capaz de mantener el flujo continuo de corriente a través de la armadura. Logra esto ya que cuando cualquiera de las
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fases se vuelven negativas, cuando menos una de las otras fases esta destinada a ser positiva. Si cierta fase esta operando la armadura, en el instante que invierte su polaridad, una de las otras dos fases esta lista para tomar el control. Por lo que resulta posible mantener el flujo continuo de corriente de armadura.
IX.
Sistema de Control de Velocidad para Motores AC
Por sus características inherentes, los motores de AC no son tan adecuados para las aplicaciones de velocidad variable como los motores DC, pues su velocidad no puede controlarse satisfactoriamente mediante la simple variación del voltaje de alimentación. La reducción del voltaje de alimentación para un motor de inducción de 60Hz trifásico ciertamente reducirá su velocidad, pero también empeora drásticamente la capacidad de regulación de velocidad del motor. O sea que, un motor de inducción de AC operando a un voltaje reducido es incapaz de mantener una velocidad de eje razonablemente estable ante pequeños cambios en la demanda de par impuesta por la carga mecánica. El control satisfactorio de velocidad de un motor de inducción de AC solo puede lograrse variando la frecuencia de alimentación mientras se varía simultáneamente el voltaje de alimentación. Si la fuente de potencia es la línea comercial de AC de 60Hz, la variación de frecuencia es una un poco más compleja. Sin embargo, los motores AC poseen ciertas características intrínsecas como lo son: 1. Un motor AC de inducción no tiene conmutador ni conexiones eléctricas de tipo fricción de ninguna clase. Por tanto, es mas fácil y menos costoso su fabricación que la de una maquina DC. Sin escobillas que se desgastan y su costo de mantenimiento es menor. 18
2. Gracias a que no tiene conmutador, un motor AC no produce chispas, lo que representa mayor seguridad. 3. Sin conexiones eléctricas expuestas a la atmósfera, un motor de AC se conserva mejor en la presencia de gases corrosivos. 4. Un motor AC tiende a ser mas pequeño y ligero que un motor DC de potencia. Existen dos métodos prácticos para producir una fuente trifásica de frecuencia variable y alta potencia, para el ajuste de velocidad de un motor industrial de inducción AC: 1. Convertir un suministro DC en AC trifásico, disparando un banco de SCR en cierta secuencia y a cierta razón. Un circuito que hace esto se llama INVERSOR. 2. Convertir un suministro AC de 60Hz, tres fases, en un suministro de AC trifásico de menor frecuencia, nuevamente disparando bancos de SCR en cierta secuencia y a cierta velocidad. Un circuito que hace esto se llama CICLOCONVERTIDOR. Como no resulta de gran interés para nuestro estudio (pues ya han sido estudiados) de los inversores, tan solo presentaremos los diversos diagramas esquemáticos que nos ayudan a regular la velocidad de motores AC basados en los inversores, posteriormente retomaremos otro tema que nos compete con lo es el estudio de los “Cicloconvertidores”.
Los Inversores A continuación presentamos el diagrama de un inversor trifásico manejando un motor conectado en estrella. La conversión de numeración de los SCR ha sido seleccionada de forma tal que la secuencia de disparo sea en orden ascendente o descendente si el motor es reversible. Y sus respectivas polaridades de voltaje para la línea definida como positiva.
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En la siguiente imagen se puede apreciar con claridad las formas de ondas idealizadas obtenidas del inversor trifásico cuando sus SCR se disparan en orden ascendente. Para una carga de motor real, las formas de onda de corrientes serian alisadas, debido a la inductancia de la bobina. Las condiciones durante cada uno de los seis intervalos de tiempo que comprenden un ciclo completo de salida del inversor. Componentes de los campos magnéticos y del campo neto durante cada uno de los seis intervalos de tiempo. Se puede apreciar que el campo magnético hace un giro de 360° por cada ciclo de salida del inversor para un motor de dos polos.
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Finalmente presentamos un inversor trifásico con componentes de conmutación. El disparo de un SCR auxiliar provoca el apagado del SCR principal del mismo número.
Los Ciclo-convertidores Un ciclo-convertidor tiene con entrada la línea de AC trifásica y produce una salida de voltaje de AC no senoidal a una frecuencia mas baja. Un solo cicloconvertidor produce un voltaje de salida de una fase. Para controlar la velocidad del motor AC trifásico, de inducción o sincrónico, se utilizan tres cicloconvertidores individuales manejando los tres devanados individualmente del estator del motor AC trifásico. Por convencion, los SCR estan etiquetados exclusivamente con numeros nones. Se etiquetan de esta manera para que la secuencia de pulsos de compuerta 22
siempre sea en orden ascendente, sin importar la cantidad de SCR que posee el ciclo-convertidor. 1. Ciclo-convertidor de Seis SCR
Tres SCR en particular son causantes de la producción del semiciclo positivo de la forma de onda de salida. Son los SCR 1,3 y 5. Los tres SCR restantes 7, 9 y 11, son causantes de la producción del semiciclo negativo. Es conveniente agrupar mentalmente los SCR de esta manera. A continuación se presentan dos diagramas con el mismo funcionamiento para apreciar mejor la distribución de los SCR.
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El circuito de disparo del ciclo-convertidor entrega pulsos de compuerta a los SCR, básicamente a razón de un pulso de compuerta por cada pulsación de la línea de AC trifásica. La frecuencia de salida es determinada por el número de pulsos de compuerta por semiciclo de la forma de onda de salida. En términos sencillos, si el circuito de disparo entrega solo un pequeño numero de pulsos secuenciales de compuerta a un grupo de termistores antes de cambiar para entregar la misma cantidad a la otra, entonces cada grupo de SCR permanecerá en conducción solo durante un tiempo corto. Esto corresponde a una duración corta para cada semiciclo de la forma de onda de salida, provocando que la frecuencia de salida sea alta. Por otra parte, si el circuito de disparo entrega un número grande de pulsos secuenciales de compuerta a cada grupo de SCR antes de cambiar, entonces cada grupo de SCR permanecerá en conducción durante un tiempo largo, haciendo que la frecuencia de salida sea baja. A continuación se presenta la onda resultante de un sistema al que se le entregan 4 pulsaciones por secuencia de compuerta para cada grupo de SCR. Estos pulsos son entregados en orden ascendente y están sincronizados para producir un ángulo de retardo de disparo constante de 30°, o sea, cada SCR es disparado a encendido 30° después de que su fase de línea AC asociada cruce por cero. El orden de encendido de los SCR es 1, 3, 5, 1 y estos se encienden uno a la vez. Por tanto la forma de onda consiste en segmentos de una amplitud de 120° y centrados en sus picos positivos. La conmutación de los SCR es natural, ya que el disparo a 30° o después permite que el nuevo SCR aplique una polarización inversa al SCR previamente encendido. Cuando el circuito de disparo a concluido con el grupo de SCR para la región positiva, entrega una secuencia correspondiente de pulsos al grupo de SCR para la región negativa, formando por tanto el semiciclo negativo de VLD. Luego regresa al grupo de SCR positivos y se repite el ciclo. Un ciclo de VLD corresponde a tres ciclos de voltaje de la línea AC por lo que la frecuencia de salida es de un tercio de la frecuencia de la línea AC.
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La frecuencia de salida se puede encontrar haciendo uso de la siguiente expresión: Fsal
Fin
(1 / 3 Pulsos)
Donde Fin es la frecuencia de entrada o la frecuencia de la línea. Pulsos son el número de pulsos con el que trabaja el sistema. Para apreciar mejor la formas de onda de salida de un cicloconvertidor de un solo banco, cuando se aumenta el angulo de retardo de disparo con 4 pulsaciones se presenta la siguiente imagen, en la primera el angulo de disparo es 45° y en la segunda el angulo de disparo es de 90° 2. Ciclo-convertidor de Doce SCR
Los SCR adicionales permiten producir seis pulsaciones de voltaje de carga por cada ciclo de la línea de AC, en lugar de solo las tres por ciclo de la línea AC que analizamos en la imagen anterior. El aumento de pulsaciones de 180Hz a 360Hz provoca que el contenido armónico de la forma de onda de carga se concentre a mayores frecuencias mas alejado de la frecuencia 25
fundamental de salida. Por tanto, se vuelve más sencillo filtrar el contenido armónico para obtener una salida senoidal, si se desea. Por conversión los 6 SCR adicionales se etiquetan con número pares. A continuación presentaremos el diagrama para este ciclo-convertidor, en este se puede apreciar que la carga se encuentra conectada entre los bancos de SCR y no esta directamente a la fuente AC trifásica, por lo que no resulta necesario una conexión a tierra o neutro. Y la fuente trifásica puede ser conectada ya sea en delta o en estrella dependiendo de las preferencias. Si la misma se encuentra conectada en estrella los voltajes a los que acceden sucesivamente los SCR son voltajes de línea, no voltajes de fase. O sea el ciclo-convertidor nunca accede al voltaje de A a neutro, para formar una parte del voltaje de carga. En cambio, si accediese a la línea A, deberá tomar el voltaje línea a línea entre A y B, o el voltaje línea a línea A y C.
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Este ciclo-convertidor siempre tiene encendido dos SCR simultáneamente, uno del banco par y otro del bando impar. Se deben disparar los dos SCR adecuado para lograr iniciar el semiciclo de encendido, una vez iniciado el semiciclo, el circuito de disparo dispara individualmente los SCR, como siempre lo ha hecho. Este siempre resulta de la conmutación natural de los SCR previamente encendido.
Considerando un ángulo de disparo de 60° y tomando en cuenta que para lograr el encendido debe habilitarse los SCR 1 y 6 sabemos que la primera pulsación de la forma de onda V LD consiste en el segmento de 60° de E AB (Voltaje entre las líneas A y B). Los SCR 2 y 4 ; 12y 8, están centrados en su pido negativo pero se mantiene la polaridad positiva ya que la carga se conecta inversamente. 3. Ciclo-convertidores Trifásicos
Este es un arreglo de tres ciclo-convertidores monofásicos para que sus formas de onda de salida están desfasadas 120°. Los ciclo-convertidores individuales monofásicos pueden ser unidades de un solo banco que contienen seis SCR, o unidades de doble banco que contienen doce SCR. El enfoque de un solo banco usa un total de 18 SCR. Generalmente están etiquetados con los números impares entre 1 a 35. El enfoque de doble banco
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usa un total de 36 SCR, generalmente etiquetados con todos los enteros de 1 a 36. A continuación se muestra un ciclo-convertidor trifásico que resulta de una combinación de tres ciclo-convertidores de una sola fase. Puede operar una carga trifásica conectada en estrella o en delta desde una fuente trifásica conectada en estrella o en delta. En este diagrama se muestra un solo banco de SCR por fase, 18 SCR en total. Una unidad de doble banco tendría 36SCR.
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Su respectiva gráfica se muestra a continuación.
X.
Procesos Industriales y Regulación de Velocidad
Para estimar el ahorro es necesario conocer el proceso industrial en que se pretende instalar el regulador de velocidad. No todos los procesos ahorran energía, incluso hay procesos en que la energía no aumenta con la velocidad. Con el fin de identificar puntos de ahorro en la industria, vamos a ver a continuación las cargas típicas que nos podemos encontrar. En la mayoría de los procesos, se tendrán combinaciones de varios de estos tipos.
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PAR CONSTANTE
PAR CRECIENTE LINEALMENTE CON LA VELOCIDAD
PAR CRECIENTE CON EL CUADRADO DE LA VELOCIDAD
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POTENCIA CONSTANTE
Como se puede comprobar en las gráficas, los ahorros más importantes los tendremos en las cargas de par cuadrático , donde una pequeña disminución de velocidad produce una gran disminución de potencia absorbida por el motor.
XI.
Ahorro Energético
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CONCLUSIÓN Los elementos de potencia son los elementos más eficientes para el control o regulación de la energía en los circuitos electrónicos, pues estos posee una propiedad que permite determinar cuando inician a funcionar, lo que permite el buen aprovechamiento de la energía. Los ciclo-convertidores son muy útiles para controlar la velocidad de los motores AC. Los motores AC posee angulas ventajas sobre los DC como lo son:
Es menos costoso su fabricación que la de una máquina DC.
Un motor AC no produce chispas, lo que representa mayor seguridad, pues no posee conmutador.
Un motor de AC se conserva mejor en la presencia de gases corrosivos.
Un motor AC tiende a ser más pequeño y ligero que un motor DC de potencia.
El ángulo de disparo de los dispositivos de potencia ayudan a establecer el intervalo de encendido y apagado del dispositivo, a mayor ángulo menor será el voltaje consumido por la carga. Existen diversas formas para controlar la velocidad de los motores, por medio de dispositivos de potencia y por medio de dispositivos que no son de potencia, como el 555. Los motores DC por sus características intrínsecas resultan menos complejos para controlar su velocidad, en cambio los motores AC son mas complejos pues la fluctuación e inestabilidad del sistema complica el control de la velocidad del motor. Para lograr un ahorro energético, resulta indispensable hacer una buena selección del equipo requerido para determinado trabajo, dependiendo de la industria. TODAS LAS QUE SE TE OCURRAN
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