Arranque progresivo para motores asincrónicos de pequeña potencia

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En este trabajo se presenta el estudio e implementación de un sistema alterna-tivo, simple, confiable y de bajo costo para el arranque progresivo de motores asincrónicos con rotor en cortocircuito. Orientados a pequeños aprovechamien-tos hidroeléctricos, en los cuales se utili-zan generadores a inducción.

El sistema se implementó utilizando semi-conductores de potencia, cuyo gobierno se efectúa mediante circuitos integrados (C.I.) que realizan el control por ángulo de fase. Además se detallan el diseño y análisis de las protecciones necesarias, así como también se calculan los disi-padores térmicos que se requieren pa-ra administpa-rar la potencia especificada. También se describe la construcción de tres prototipos, dos monofásicos y uno trifásico, que fueron ensayados en el la-boratorio. De las implementaciones mo-nofásicas se obtuvieron importantes con-clusiones sobre el funcionamiento de los C.I. de control. Mientras que el prototipo del circuito trifásico fue logrado a partir de conocer estas conclusiones funda-mentales, los resultados obtenidos en el laboratorio son presentados al finali-zar este trabajo.

Introducción

En la provincia de Misiones, generar

Arranque progresivo para

motores asincrónicos de

pequeña potencia

Elaborado por

Estela Rocio Habegger y Silvio Javier Diaz. Orientador: Mgter. Ing. Victor Hugo Kurtz, Facultad de Ingeniería –

U.Na.M, Universidad Nacional de Misiones

energía renovable y a bajo costo puede lograrse empleando micro turbinas. Es-tas representan una solución

alternati-va y ecológicamente aceptable, es por ello que surge la necesidad constante de mejorar el funcionamiento de las partes

ENTREGA 1

B

ω

s

T

P

F

ω

m

Ν

des

Ν

sinc

Ν

m

s

a

es

X

m

Rc

E

Er

Im

P

nucleo

P

PCE

P

BH

P

PCR

P

conv

P

misc

P

FyR

G

c

τ

ind KM KM

I

L Inducción magnética

Velocidad angular de sincronismo Período de señal

Potencia útil en eje del motor Fuerza sobre un conductor Velocidad angular mecánica Velocidad de deslizamiento Velocidad de sincronismo Velocidad mecánica Deslizamiento Relación de transformación Reactancia de magnetización Resistencia de carga Tensión inducida

Tensión inducida en el rotor Corriente de magnetización Pérdida de potencia en núcleo Pérdida de potencia en cobre del estator Pérdida de potencia en entrehierro Pérdida de potencia en cobre de rotor Potencia convertida

Pérdida de potencia en misceláneas Pérdida de potencia por fricción y rozamiento Conductancia de carga Par inducido Contactor estrella Contactor triángulo Corriente de línea

Lista de Símbolos y Abreviaturas

I

f

Q

m

cos

ϕ

I

n

V

DRM

C

s Z Vp

R

s Rpm L

C

1

(C

softstart

)

V

set point

V

2

C

3

T

j

T

a Rjc Rcd Rda NEMA IEC VSD VFD KUSA Corriente de fase Potencia magnetizante Coseno de fi Corriente de diseño Factor de amortiguamiento Tensión inversa máxima Capacidad snubber Impedancia normalizada Tensión de pico Resistencia snubber Revoluciones por minuto Inductancia

Capacidad de soft start Tensión de set point Tensión en terminal 2 Capacidad en el terminal 3 Temperatura de juntura Temperatura ambiente Resistencia juntura carcaza Resistencia carcaza disipador Resistencia disipador ambiente National Electric

Manufacturers Association International Electrotechnical Comision Convertidores de frecuencia Administradores de frecuencia variable Arranque suave para motores con rotor en corto circuito

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que componen el sistema de generación. Las PCH (pequeñas centrales hidroeléc-tricas) en las que se utilizan generadores a inducción existen varios inconvenientes, entre otros se pueden citar los siguientes: -Pérdida de excitación del sistema, de-bido a la inserción de cargas que pro-ducen picos de corriente importantes. -El control de tensión no es sencillo. En este trabajo se presenta la implemen-tación de un sistema de arranque pro-gresivo, que se conecta entre el gene-rador y la carga, para lograr que el sis-tema de generación sea perturbado de forma mínima. La carga considerada es un motor asincrónico tipo jaula de ardilla (o de rotor en cortocircuito) muy difun-dido en la industria. La implementación representa una solución útil y aplicable a distintos campos de la industria don-de se necesite un arranque progresivo, como ser sistemas de bombeo donde se quiere evitar el deterioro de las tube-rías o procesos donde intervienen cin-tas transportadoras, y no es recomen-dable una aceleración brusca.

El objetivo final se consiguió mediante la implementación de un sistema electróni-co capaz de mejorar el funcionamiento de las PCH que trabajan aisladas de las redes comerciales, representa una solu-ción eficaz, confiable y con un costo fi-nal reducido. Además el mantenimiento es simple debido a la carencia de micro-controladores en la implementación, por todo esto resulta un sistema alternativo ideal para pequeñas centrales y distin-tas aplicaciones industriales. En el capítulo uno se expone la teo-ría de motores eléctricos, y se estudian sus principales características: principio de funcionamiento, circuito equivalente, análisis de las curvas, estudio del com-portamiento según la carga mecánica, etc. Luego en el capitulo dos se anali-za el proceso de arranque, se presen-tan y comparan los diferentes métodos de arranque con el fin de comprender los parámetros que intervienen en este régime transitorio.

A continuación en el tercer capítulo se realiza el diseño de la etapa de poten-cia considerando la selección de semi-conductores, protecciones y el cálculo de los disipadores térmicos necesarios para construir los prototipos del arran-que progresivo. En el capítulo cuarto, se describe el diseño de la etapa de con-trol y se detallan los ensayos realizados sobre los prototipos.

Teoría de los motores eléctricos

El motor eléctrico que se estudiara es el asíncrono, este es ampliamente utiliza-do en entornos industriales (máquinas-herramientas, grúas, ascensores, com-presores, ventiladores, etc.) debido a su robustez, escaso mantenimiento, precio y tipo de alimentación (red trifásica dis-ponible a través de la red de suministro de energía eléctrica). Se realizara prime-ramente un repaso general de motores antes de introducirnos en el arranque suave de motores asíncronos.

Máquinas Eléctricas Rotativas

Son dispositivos eléctricos cuyo funcio-namiento depende de la inducción elec-tromagnética, constituido por elementos que pueden efectuar movimientos rela-tivos de rotación y destinado a la trans-formación de energía.

Una máquina eléctrica rotativa es una máquina reversible, como puede obser-varse en el siguiente diagrama:

Clasificación de las máquinas

eléctricas rotativas

A continuación se enumeran las distintas maquinas en función del método emplea-do para generar el campo magnético:

Máquinas síncronas: Alternador

• Intensidad continúa inyectada en las

bobinas del rotor.

• Corriente alterna en las bobinas del estator.

Máquinas de inducción: Motor

• Corrientes alternas en las bobinas del estator y/o del rotor.

• Intensidades en el rotor inducidas por el estator (Motor).

Máquinas de corriente continua: Ambos

• Alimentadas en continua.

Las máquinas eléctricas rotativas de co-rriente alterna pueden ser monofásicas o trifásicas (síncronas y de inducción); a continuación se enfocara el estudio so-bre las maquinas de inducción.

Máquina de Inducción. Aspecto

Constructivo

Una máquina eléctrica rotativa posee una estructura básica compuesta por:

Un Rotor (parte giratoria):

Es una pie-za cilíndrica montada sobre el eje mó-vil, posee las ranuras sobre la superfi-cie externa.

Un Estator (parte fija):

Es una pieza cilíndrica hueca que envuelve al rotor y está separada de éste por el entrehierro, posee las ranuras en la superficie interna. Ambos, tanto el estator como el rotor alo-jan bobinas (circuitos eléctricos).

Exis-ten dos circuitos eléctricos concaExis-tena- concatena-dos por un circuito magnético. En las máquinas asíncronas existe en to-do momento una diferencia de velocidad o deslizamiento al no coincidir la veloci-dad del inductor con la del inducido. Es-tas maquinas se emplean casi exclusiva-Motor

Motor Potencia eléctrica

Potencia eléctrica Potencia mecánica

Potencia mecánica

Generador

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mente como motores ya que como ge-nerador poseen muy bajo rendimiento. Los motores asíncronos o de inducción están basados en el accionamiento de una masa metálica por la acción de un campo giratorio. Están formados por dos arma-duras con campos giratorios coaxiales, una es fija (estator) y la otra móvil (rotor). Hay dos tipos diferente de rotores de in-ducción que pueden utilizarse dentro del estator. Uno es rotor de jaula y el otro rotor devanado.

Rotor de Jaula:

esta constituido de una serie de barras conductoras dispuestas dentro de ranuras construidas en la cara del rotor y que se ponen en cortocircuito en sus extremos mediante anillos. Lleva este nombre porque si se examina por si solo los conductores parecen una de las rue-das de ejercicio donde las ardillas corren.

Su simplicidad y gran robustez son las ventajas más destacadas.

Rotor Devanado:

posee un conjunto de devanados trifásicos en idéntica disposi-ción que los devanados del estator. Las tres fases del rotor se encuentran co-nectadas en estrella y cada extremo de los alambres del rotor esta unido a ani-llos rozantes en el eje del rotor, sobre los anillos rozantes existen escobillas que cortocircuitan los devanados del rotor. Los motores de inducción de rotor deva-nado son menos utilizados, debido a su mayor costo, y a que requieren mayor mantenimiento que los de jaula de ardilla. Los motores de inducción son motores que se caracterizan porque son mecá-nicamente sencillos de construir, lo cual los hace muy robustos y sencillos, ape-nas requieren mantenimiento, son

bara-tos y, en el caso de motores trifásicos, no necesitan arrancadores (arrancan por sí solos al conectarles la red trifásica de alimentación) y no se ven sometidos a vibraciones por efecto de la transforma-ción de energía eléctrica en mecánica, ya que la potencia instantánea absorbi-da por una carga trifásica es constate e igual a la potencia activa. Estas son las principales ventajas que hacen que sea ampliamente utilizado en la industria.

Principio de funcionamiento.

Fun-damentos teóricos

Si se aplica un sistema trifásico de inten-sidades en 3 bobinas desfasadas entre sí 120°, se inducen flujos magnéticos en cada bobina, perpendiculares al pla-no de la bobina respectiva y variables en el tiempo al igual que las intensida-des que los producen, a este fenóme-no se lo defenóme-nomina generación del cam-po magnético giratorio. Estator Arrollamiento estátorico (fijo) Eje Cojinete Arrollamiento rotórico (movil) Entrehierro Ventilador Rotor

Figura 1. Corte transversal del motor de inducción

Figura 3. Rotores y bobinas

Figura 2. Motor con rotor tipo jaula de ardilla

Figura 4. Rotor de un motor con anillos rozantes

Eje

Ranuras del rotor Ranuras

del Estator Cabeza de bobina

Eje

Ranuras del rotor Ranuras del Estator Cabeza de bobina

Devanado

Anillos rozantes

Las corrientes trifásicas equilibradas in-troducidas por cada uno de los devana-dos del motor son:

Estas corrientes generan los siguientes campos magnéticos

Cuya amplitud resultante de Btotal es constante en el tiempo e igual a 1.5*B y gira en el espacio a velocidad SIMBOLO es decir, es un campo giratorio de am-plitud constante y de velocidad de giro alrededor del rotor igual a:

Tiene magnitud constante

Donde SIMBOLO es el valor de la fre-cuencia de las corrientes inductoras del estator y P es el número de pares de po-los de la máquina. A SIMBOLO se le de-nomina velocidad de sincronismo (es la velocidad de giro del campo giratorio). SIMBOLO: Es la distancia entre dos po-los del estator consecutivos del mismo nombre y de la misma fase.

SIMBOLO: Es el tiempo que se tarda en recorrer la distancia entre dos polos del

i

_aa´(t)

= √2*I*cos(

ω

*t)

i

_bb´(t)

= √2*I*cos(

ω

*t - 120°)

i

_cc´(t)

= √2*I*cos(

ω

*t - 240°)

}

B

_aa´(t)

= √2*B*cos(

ω

*t)

B

_bb´(t)

= √2*B*cos(

ω

*t - 120°)

B

_cc´(t)

= √2*B*cos(

ω

*t - 240°)

}

B

_total

= B

_a

+

B

_b

+

B

_c

ω

_s

=

_T

2 • �

1 • P

(rad / seg)

ω

₁ P

=

estator. Viene impuesto por la frecuen-cia de la red de alimentación.

Si se cambia las intensidades de dos de-vanados entre sí cambia el sentido de giro. El devanado rotórico está inmerso en un campo magnético giratorio (B) que in-duce una fem en el devanado del rotor. Esta fem a su vez provoca la circulación de corriente (i) en el devanado del rotor. Aparece entonces un par motor sobre el rotor. Este par tiene una fuerza dada por la siguiente ecuación; donde la mag-nitud, dirección y sentido de la fuerza actúa sobre los conductores del rotor:

F: Fuerza que se produce en los conduc-tores del rotor. Su sentido es el de seguir al campo magnético giratorio del estator i: Corriente que circula por los conduc-tores del rotor

B: Campo magnético giratorio creado por las bobinas del estator

Si aumentamos el número de polos mag-néticos en el rotor, se puede conseguir que las bobinas del estator “vean” un flujo giratorio de velocidad superior a la de giro del rotor.

Donde SIMBOLO es la frecuencia eléc-trica, SIMBOLO es la velocidad de gi-ro y P el númegi-ro de polos (igual númegi-ro de polos entre rotor y estator).

Así para conseguir 50 Hz se requiere una

F= i • (LxB)

ω

_e

=

₂

P

•

ω

m

velocidad de giro de:

• 3000 rpm si tiene dos polos (un par de polos)

• 1500 rpm si tiene cuatro polos (dos pares de polos)

• 1000 rpm si tiene seis polos • 750 rpm si tiene ocho polos • 600 rpm si tiene diez polos

Resumiendo lo expuesto se tiene un es-tator (con devanado trifásico simétrico, a 120º, alimentado con sistema trifásico equilibrado de tensiones desfasadas a 120º) y un rotor (espiras en cortocircui-to). Al aplicar las tensiones se produce un campo giratorio y por la Ley de Fa-raday se induce una fem por el campo giratorio en los conductores del rotor, las espiras en corto circuito quedan so-metidas a una tensión y circula enton-ces una corriente por las espiras del ro-tor y según la ley de Biot y Savart se in-duce una fuerza sobre las espiras del ro-tor (interacción i y B), produciéndose un par sobre el rotor que provoca su giro.

Deslizamiento

En una máquina asíncrona existe en to-do momento una diferencia de velocidad o deslizamiento, es decir, no coinciden la velocidad del inductor con la del inducido. En la barra del rotor se induce un volta-je, este depende de la velocidad del ro-tor en relación con los campos magné-ticos, así aparece el concepto de veloci-dad relativa. Se tienen dos términos uti-lizados para definir el movimiento relati-vo del rotor y los campos magnéticos. Uno es la velocidad de deslizamiento,

Estator

Rotor

Figura 5. Estator y rotor con eje coaxial Figura 6. Generación de los polos a´ b c´ a b´ c N N S S

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que es la diferencia entre la velocidad sincronía y la velocidad del rotor:

Ndes: Velocidad de deslizamiento de la máquina

Nsinc: Velocidad de los campos mag-néticos (velocidad síncrona del motor). Nm: Velocidad mecánica o angular del eje del motor

Donde:

Donde P es el número de polos y f es-tá dada en Hz

El otro término usado para describir el movimiento relativo es el deslizamiento, que es igual a la velocidad relativa ex-presada como una fracción de la unidad o un porcentaje:

Se puede expresar el deslizamiento en términos de velocidad angular SIMBO-LO rad/seg

Todas las velocidades normales del mo-tor caen dentro de los dos siguientes extremos:

Si el rotor gira a velocidad sincronía s = 0. Si el rotor esta estacionario s = 1 La velocidad mecánica del eje del ro-tor en términos de la velocidad sincro-nía y del deslizamiento la podemos ex-presar como.

En las figura 7 y 8 se observan la ten-sión inducida y la corriente rotórica en función de los valores de

deslizamien-N

_des

=N

_sinc

-N

_m

N

_sinc

=

120*f

_P

N

_des

=N

_sinc

-N

_m

N

_sinc

=

120*f

_P

n

_sinc

-n

_m

n

_sinc

s=

• (100)

ω

_sinc

-

ω

_m

ω

_sinc

s=

• (100)

n

_m

= (1- s) •

n

_sinc

ω

_m

= (1- s) •

ω

_sinc

to. Además se marcan los dos valores extremos particulares de deslizamien-to (s=0 y s=1).

En la curva de corriente se tienen dos puntos particulares, en el punto 1 el va-lor de corriente es de aproximadamen-te seis veces el valor nominal, conside-rando que el arranque se produce con el motor sometido a plena carga. Mitras que en el punto 2 el motor se en-cuentra en régimen de marcha y a ple-na carga por lo que el valor de corrien-te es el nominal.

Circuito Equivalente de un

mo-tor asincrónico trifásico

El circuito equivalente de un motor asin-crónico es similar al de un dor, debida a la acción de transforma-ción que ocurre por las corrientes del es-tator (primario) que se inducen en el ro-tor (secundario).

Se analiza un circuito equivalente de transformador por fase, de un motor de inducción (figura 9).

Donde R1 es la resistencia del estator y X1 su respectiva reactancia, mientras que E1 es el voltaje primario del esta-tor acoplado al voltaje del secundario Er mediante el transformador ideal con rela-ción de vueltas aef. El voltaje Er inducido en el rotor produce un flujo de corrien-te en el rotor. Rc representan las pérdi-das en el núcleo y la reactancia Xm de magnetización. Además Rr y jXr es la impedancia del rotor.

Además I1 es la corriente de línea, I2 es la corriente rotórica, Im la de mag-netización y la Ir es el flujo de corrien-te en el rotor. nsinc n S 0 0 1 E (V) n S 0 0,25 0,50 0,75 1 I 6 5 4 3 2 1 0 (1) (2) R1 Rc Rr I1 Im Vp jX1 jXr aef Er I2 E1 jXm

Figura 9. Circuito equivalente con principios de transformador

Figura 7. Tensión inducida vs. velocidad Figura 8. Corriente rotorica vs. deslizamiento