τ τ máx. regimen tracción

UNIVERSIDAD DE CHILE

FACULTAD DE CIENCIAS FISICAS Y MATEMÁTICAS ESCUELA DE INGENIERIA Y CIENCIAS

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA

EL 6011 TRACCION ELECTRICA TRACCION ASINCRONA INTRODUCCION

Ya en 1903 un automotor alemán operó en un trayecto experimental cerca de Berlín, alcanzando 210 km./h con tracción asíncrona.

En 1879 Werner Von Siemens presentó su primera locomotora eléctrica y se comenzó a experimentar con el motor asíncrono trifásico, de construcción sencilla e ideal parafines de tracción, motor de inducción de jaula de ardilla. Pero, definitivamente este sistema no logró imponerse, pese a su adopción pasajera en Suiza e Italia, porque requería una catenaria complicada, por lo menos bifásica y porque incluso con gran despliegue técnico no admitía sino muy poco en cuanto a regulación de velocidad.

En la figura se representa la

curva de tracción

característica de una máquina asíncrona trifásica en régimen motor y generador, con determinada frecuencia y tensión.

Gracias a los medios de la electrónica de potencia y de mando, es posible alimentar a los motores de tracción con corriente de

frecuencia y tensión

variable,

independientemente de la frecuencia y de la tensión en la catenaria, llegándose así a una familia de curvas torque – velocidad (

_τ

τ

τ

τ

cada una de ellas con un punto de operación estable. Estos puntos en su conjunto forman una “curva sintética” de tracción.

Si en alguno de los ejes aumenta el deslizamiento debido a fallas momentáneas de adherencia, el motor de tracción se estabiliza automáticamente, ya que con la

frecuencia predeterminada

conjuntamente para todos los motores de tracción, acelera un poco a lo largo de su característica momentánea típica

de frecuencia, perdiendo

rápidamente par motor debido a la curva característica muy escarpada.

Así la estabilización natural del número de revoluciones y del par motor es inherente al sistema.

Un esquema simplificado de bloques para una locomotora con motores de tracción trifásicos para servicio de corriente alterna monofásica en la catenaria es el siguiente:

n

τ

Motor asíncrono alimentado con tensión y frecuencia variable

Esquema de bloques simplificado de una locomotora eléctrica con motor asíncrono y alimentado con corriente alterna monofásica. Locomotora eléctrica mono / trifásica.

Catenaria Pantógrafo

15 Kv. 16 2/3 Hz, corriente alterna 1φ

Transformador Rectificador Ondulador Motor de _tracción asíncrono

Este esquema se compone de un transformador, de un circuito de entrada para rectificación, de un rectificador, de un circuito intermedio de corriente continua, del o de los onduladores y finalmente de los motores de tracción asíncronos, trifásicos.

Si la alimentación es en corriente continua:

VENTAJAS DE LA TRACCION ASINCRONA

• Desaparecen los inconvenientes relacionados con la conmutación de los motores de corriente continua.

• Toda la gama de revoluciones puede aprovecharse en forma óptima desapareciendo por lo tanto el típico punto o sector de funcionamiento a conmutación óptima de los motores de c.c.

• La construcción sencilla del motor de tracción asíncrono trifásico permite un dimensionamiento de éste sin problemas de calentamiento pues el control electrónico le exige trabajar a las potencias necesarias sin pérdidas en otros sistemas que no sean los de tracción. Por ejemplo un motor asíncronico 3φ de 1.400 kW es mucho más pequeño y ligero que un motor de 900 kW de c.c.

c.a. c.c.

Esquema de bloques simplificado de una locomotora eléctrica con motor asíncrono y alimentada con corriente continua.

Catenaria Pantógrafo

Ondulador Motor de _tracción asíncrono

• Desaparece el colector que limita el número de revoluciones y requiere gran espacio por lo que resulta mayor la longitud activa del motor. El motor asíncrono del tipo sencillo con rotor de jaula de ardilla puede funcionar a regímenes superiores de evoluciones y tensiones, lo cual significa una reducción del volumen y del peso, a pesar de un notable aumento de potencia.

• Aumento de Potencia, disminución de peso, disminución masas del boguie, menos ejes motrices en las locomotoras. Una locomotora de 4 ejes,

4 motores de 1.400 kW, 5.600 kW.

• No hay resistencias de frenado. El frenado por regeneración electrodinámica es más eficaz. Se logra con los dispositivos de todas formas necesarios para el servicio de tracción, es decir sin ningún equipo adicional se logra en trenes (locomotoras) una recuperación de energía que va desde 10 a 25%

• Menor costo de construcción y mantenimiento.

CONTROL ELECTRONICO DE VELOCIDAD DE MOTORES ASINCRONOS

Como se ha dicho, los motores de menor costo de construcción y mantenimiento son los motores de inducción de jaula de ardilla o motores asíncronos.

Sin embargo hasta hace algunos años era prácticamente imposible controlarlos en velocidad en un rango amplio.

Actualmente la electrónica de potencia permite disponer de fuentes de tensión trifásica alterna de magnitud y frecuencia controlable (onduladores o inversores y variadores de velocidad).

Estos dispositivos de la electrónica de potencia posibilitan lograr un adecuado control de velocidad de los motores asíncronos. En todo caso aún existen problemas de operación en cuanto a pérdidas y torques armónicos, por la forma no sinusoidal de la alimentación.

Se verá a continuación:

- Métodos de control de velocidad de motores de inducción de jaula de ardilla.

- Control electrónico. - Estrategias de control. - Efectos en el motor.

METODOS DE CONTROL DE VELOCIDAD

Apuntan a modificar la curva torque-velocidad del motor.

• Modificando la magnitud del voltaje de alimentación del motor, por ejemplo por ejemplo por medio de un autotransformador de razón variable. Se obtiene la familia de

curvas de la figura (τ -n), en que τ es proporcional a V2. Considerando una carga de torque resistente τr, se

observa que el rango en que se controla la velocidad es pequeño.

• Modificando la velocidad síncrona ns.

ns = 120f / p (r.p.m.) = (2π/60 · 120f)/p = 2πf/(p/2) = 4πf / p [rad./seg.] Modificar la velocidad síncrona se puede logra por:

Variando p: A través del bobinado donde al invertir la conexión de la mitad

de las bobinas se duplica el número de polos.

Sólo se logran dos velocidades de operación: ns y ns/2. Motor de 2 velocidades.

τ

τ

Variando f: Se puede lograr con un sistema de control electrónico.

Un inversor u ondulador, dispositivo de electrónica de potencia que convierte la tensión continua en tensión alterna trifásica controlable en magnitud y frecuencia.

Se logran voltajes sinusoidales Va, Vb, Vc desfasados en 120º.

La magnitud de la tensión continua determina la magnitud de la tensión fundamental alterna.

La frecuencia del control de los tiristores del inversor, determina la frecuencia fundamental de la tensión alterna.

ESTRATEGIAS DE CONTROL, COMPORTAMIENTO DEL MOTOR ASINCRONO AL SER ALIMENTADO CON V Y f VARIABLES

Existen distintas estrategias para el control de las variables V y f. Entre ellas se destacan:

Control: Independiente de V y f.

Control: V/f = cte.

Control: V 2/ f = cte.

EFECTOS EN EL MOTOR

Se analizarán los puntos relevantes de la curva Torque-Velocidad y la corriente de partida.

Ecuaciones referidas al circuito equivalente. Torque de partida.

Tp = ( 2p/4π f ) r2’V2 / [(r1+r2’)2+4π2f 2(L1+L2)2], luego: Tp = (k r2’/f) V2 / [R2+4π2f 2L2]

Corriente de partida Ip = V / [R2+4π2f 2L2]0,5

Torque máximo

Tmáx = (k/f) [r12+4π2f 2L2]0,5 V2 / {[r1+(r12+4π2f 2L2)0,5]2+4π2f 2L2} Velocidad a torque máximo

ωTmáx = (4πf/p)[1- r2’/(r12+4π2f2L2)0,5]

Velocidad síncrona

ωs = 4πf/p [rad/seg] ns = 120f/p [r.p.m.]

• Para cada estrategia de control se debe analizar como se ven afectadas estas variables:

• Para frecuencias bajas • Para frecuencias altas

PRIMERA ESTRATEGIA DE CONTROL V = cte. f variable

Debe procurarse que V/f ≤ (V/f) nominal

V = 4,44 f N φmáx V/f = 4,44 N φmáx.

Si V/f aumenta se provoca saturación del fierro con el consiguiente calentamiento.

Variable Frecuencias bajas Frecuencias altas Tp Ip Tmáx ωTmáx ωs Proporc 1/f Cte. Proporc 1/f Proporc f Proporc f Proporc 1/f3 Proporc 1/f Proporc 1/f2 k1 f – k2 Proporc f

SEGUNDA ESTRATEGIA DE CONTROL Control con V/f = cte. Es lo más usado.

Si se reemplaza V = α f en las ecuaciones anteriores y se realiza el análisis, se

tiene:

Variable Frecuencias bajas Frecuencias altas

Tp Ip Tmáx ωTmáx ωs Proporc. f Proporc. f Proporc. f Proporc. f Proporc. f Proporc. 1/f Cte. Cte. K3 f – k4 Proporc. f

TERCERA ESTRATEGIA DE CONTROL Control con V2/f = cte.

Sea V2 = β f

Variable Frecuencias bajas Frecuencias altas

Tp Ip Tmáx ωTmáx ωs Cte. Proporc. f 0,5 Cte. Proporc. f Proporc. f Proporc. 1/f2 Proporc. 1/f05 Proporc. 1/f. Proporc. f Proporc. f

Como ejercicio es interesante desarrollar las ecuaciones y hacer los gráficos. En todos los casos se logra un adecuado rango para el control de la velocidad, con diferentes tendencias del torque de partida y torque máximo al aumentar la frecuencia.

Dependiendo de la estrategia del inversor utilizado, debe emplearse la frecuencia adecuada para el objetivo buscado.

Por ejemplo, con V/f = cte., si se desea alto torque de partida debe usarse f elevada al arranque.

CONSIDERACIONES SOBRE CORRIENTES ARMONICAS

Los voltajes no sinusoidales harán circular corrientes armónicas impares en los enrrollados con excepción de la 3ª y sus múltiplos, ya que estos están conectados en delta o en estrella sin neutro.

Las armónicas de orden h = 1, 7, 13, ..., (6n+1) provocan campos magnéticos rotatorios de secuencia positiva que gira a h veces la velocidad síncrona fundamental.

h = 5, 11, ..., 6n+1 provocan campos magnéticos rotatorios de secuencia negativa que giran a –h veces la velocidad síncrona fundamental.

Las corrientes y flujos armónicos aumentan las pérdidas, particularmente pérdidas Joule y alteran el torque motriz.