Diseño y puesta en marcha de un arrancador suave

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(1)PROYECTO FIN DE CARRERA Presentado a. LA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA. Para obtener el título de. INGENIERO ELECTRÓNICO por. Julián Alberto García Garzón. DISEÑO Y PUESTA EN MARCHA DE UN ARRANCADOR SUAVE. Sustentado el 7 de Diciembre de 2011 frente al jurado:. Composición del jurado -. Asesor:. Gustavo Ramos López, Profesor Asistente, Universidad de los Andes. -. Jurados :. Mario Alberto Ríos Mesías, Profesor Asociado, Universidad de los Andes.

(2) Diseño y Puesta en Marcha de un Arrancador 2 Suave Contenido 1 2. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... 3 OBJETIVOS ....................................................................................................................... 3 2.1 Objetivo General ...................................................................................................... 3 2.2 Objetivos Específicos .............................................................................................. 3 2.3 Alcance y productos finales ..................................................................................... 4 3 DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO ........................... 4 4 MARCO TEÓRICO ............................................................................................................. 4 5 TRABAJO REALIZADO ..................................................................................................... 13 5.1 Selección de un arrancador suave .......................................................................... 13 5.2 Diseño de un arrancador suave .............................................................................. 14 5.3 Pruebas realizadas con el SMC-Flex ..................................................................... 22 6 DISCUSIÓN ..................................................................................................................... 24 7 CONCLUSIONES ............................................................................................................. 24 8 AGRADECIMIENTOS....................................................................................................... 24 9 REFERENCIAS ................................................................................................................. 25 10 APENDICES ................................................................................................................. 26 10.1 GUÍA DE LABORATORIO .............................................................................. 26 10.2 PROPUESTA INICIAL DEL PROYECTO ...................................................... 33.

(3) Diseño y Puesta en Marcha de un Arrancador 3 Suave 1. INTRODUCCIÓN Un arrancador suave es un dispositivo usado con motores AC para reducir temporalmente la carga y el torque sobre el motor durante el arranque. Esto reduce el impacto mecánico en el motor así como el impacto electrodinámico en los cables de potencia y la red de distribución, prolongando la vida útil del sistema. Los arrancadores suaves pueden estar compuestos de dispositivos eléctricos o mecánicos, o de una combinación de ambos. Los arrancadores suaves eléctricos presentan un sistema de control que reduce el torque mediante la reducción temporal del voltaje o la corriente de entrada, o un dispositivo que temporalmente altere la conexión del motor en el circuito eléctrico. Estos arrancadores pueden usar dispositivos de estado sólido para controlar el flujo de corriente y por consiguiente el voltaje aplicado al motor, obteniendo los mejores resultados si se usa un control de tres fases. Típicamente el voltaje es controlado por tiristores.. 2. OBJETIVOS 2.1 Objetivo General Plantear una metodología de diseño y puesta en marcha de arrancadores suaves a partir de la caracterización de aplicaciones industriales y simulación y pruebas de laboratorio sobre un arrancador suave SMC-Flex.. 2.2 Objetivos Específicos -. Identificar los tipos de arranque de motores más usados en la industria.. -. Diferenciar las aplicaciones industriales de acuerdo con el uso de un arrancador suave o un variador de velocidad.. -. Caracterizar una aplicación industrial en la que se use un arrancador suave.. -. Diseñar y simular la operación de un arrancador suave a partir de la caracterización de una aplicación industrial en la que se use un arrancador suave.. -. Validar el diseño y simulación de la operación de un arrancador suave mediante pruebas de laboratorio sobre el SMC-Flex del tablero AB de la sala de potencia del laboratorio de ingeniería eléctrica y electrónica de la Universidad de los Andes.. -. Elaborar una guía de laboratorio basada en los modos de operación del arrancador suave SMC-Flex del tablero AB de la sala de potencia del laboratorio de ingeniería eléctrica y electrónica de la Universidad de Los Andes..

(4) Diseño y Puesta en Marcha de un Arrancador 4 Suave 2.3 Alcance y productos finales El proyecto consiste en el diseño y puesta en marcha de un arrancador suave SMC-Flex instalado en la sala de potencia del laboratorio de ingeniería eléctrica y electrónica. Se entregará además una guía de laboratorio que comprende la configuración básica del SMC-Flex.. 3. DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO Las aplicaciones industriales se encuentran en constante evolución y esto demanda cambios en la tecnología con la cual se desarrollan de tal forma que se cumpla con los estándares requeridos y las normas técnicas vigentes. Industrias para las cuales el arranque de motores es vital en sus procesos se han visto en la obligación de incorporar equipos con los cuales mejoren su productividad y disminuyan tiempos muertos. La familiarización con la operación de arrancadores suaves se ha convertido en una herramienta fundamental en el área de automatización. Por este motivo es importante proveer a los estudiantes de una herramienta por medio de la cual se logre este fin. Con este proyecto el estudiante tendrá la posibilidad de interactuar con un arrancador suave y sus usos dentro de las principales aplicaciones de potencia que actualmente se encuentran en la industria nacional e internacional.. 4. MARCO TEÓRICO Debido a su simplicidad, robustez y bajos costos de operación, los motores jaula de ardilla son la opción preferida en aplicaciones industriales. Durante el arranque, estos dispositivos desarrollan corrientes de hasta ocho veces su corriente nominal y por consiguiente, un alto torque de arranque asociado. Las altas corrientes de arranque normalmente llevan a caídas de voltaje no deseadas en la red de distribución y un alto torque de arranque representa un impacto considerable en los elementos mecánicos de la aplicación. Debido a esto se hace necesario la aplicación de normas que establezcan valores límite para las corrientes de arranque de motores en relación con sus corrientes nominales de operación [1], [2]..

(5) Diseño y Puesta en Marcha de un Arrancador 5 Suave Cualquier sistema de distribución se puede modelar como sigue:. Figura 1. Circuito equivalente de un sistema de distribución. Tomada de [5]. El voltaje de entrada está representado por una fuente ideal de voltaje Vs en serie con una impedancia Zs. Cuando no hay carga conectada al sistema y la corriente es cero, el voltaje en los terminales es Vs pero tan pronto se conecta una carga la corriente de carga I que fluye a través de la impedancia de la fuente resulta en una caída de voltaje y el voltaje de salida cae de Vs a V en donde. Tomando como referencia el circuito equivalente de un motor de inducción mostrado en la Figura 2, se pueden obtener las siguientes expresiones para el componente de la corriente de carga y el torque por fase:. Figura 2. Circuito equivalente aproximado para un motor de inducción. Tomada de [5].

(6) Diseño y Puesta en Marcha de un Arrancador 6 Suave Si se reemplaza s = 1 y s = sfl en estas ecuaciones se obtienen expresiones para la corriente de arranque, la corriente a plena carga, el torque de arranque y el torque a plena carga. La combinación de estas cuatro expresiones lleva a la siguiente relación:. En el lado derecho de la ecuación se encuentra la razón entre la corriente de arranque y la corriente a plena carga. En general es deseable minimizar esta razón con el fin de prevenir caídas de voltaje durante el arranque del motor [5]. Todos estos motores son usados para el arranque y puesta en marcha de diferentes aplicaciones que implican diferentes condiciones de carga para el motor [3], [4].. Figura 3. Aplicaciones operadas con motores. Varios tipos de arrancadores y métodos de arranque pueden ser usados para reducir las corrientes y el torque de arranque [5]: DIRECTO. ESTRELLA / DELTA. AUTOTRANSFORMADOR. RESISTENCIA O REACTANCIA. ARRANCADOR SUAVE. VARIADOR DE VELOCIDAD (DRIVE). Figura 4. Métodos de arranque de motores.

(7) Diseño y Puesta en Marcha de un Arrancador 7 Suave Si un proceso requiere regulación de velocidad, la frecuencia aplicada al motor debe ser modificada en relación a la carga que está siendo aplicada. Con el uso de realimentación al drive esto puede llevarse a cabo. El arrancador suave solamente aplica la frecuencia de línea de tal forma que la regulación de velocidad no es posible. En aplicaciones donde el tiempo de aceleración debe ser consistente se deben usar drives ya que en un arrancador el tiempo de aceleración es más dependiente de la carga que del tiempo de rampa seleccionado. Si el tiempo de aceleración no es un problema y controlar el torque o la corriente es lo que se requiere, un arrancador suave podría ser utilizado en la aplicación. Si el tiempo de parada y las características de parada no son críticos, un arrancador suave podría implementarse en la aplicación. Cuando el límite de corriente es la razón principal para no arrancar a voltaje máximo, el primer método a ser considerado es un arrancador suave. Para aquellas cargas que requieren un torque más elevado que el que un arrancador suave puede proporcionar con los límites impuestos por el sistema de distribución, un drive podría ser la solución requerida. El drive tiene una razón de torque por corriente mayor que la de un arrancador suave [6]. El arrancador suave controla el voltaje a partir de un valor de arranque seleccionado hasta el 100% incrementando el torque y también la corriente. Esto significa que el arrancador suave permite a motores con carga arrancar suavemente, sin los pasos asociados con los arrancadores electromecánicos [7].. Figura 5. Curvas características de un motor. Tomada de [7].

(8) Diseño y Puesta en Marcha de un Arrancador 8 Suave La curva de torque del motor siempre se encuentra por encima de la del torque de carga hasta que se encuentran; en este punto el torque nominal se alcanza en condiciones de carga nominal. La diferencia entre estas dos curvas se conoce como el torque de aceleración (MB) que genera la energía necesaria para el giro y la aceleración. La razón de estas dos curvas mide el tiempo de arranque del motor. Si el torque del motor es mucho mayor que el de la carga, significa que la energía de aceleración es alta, lo que resulta en un tiempo de arranque corto. Pero si el torque del motor es solamente un poco más alto que el torque de carga requerido, esto resulta en una energía de aceleración baja y el tiempo de arranque aumenta. Esto significa que el arranque suave se alcanza reduciendo el torque de aceleración.. Figura 6. Curvas de torque. Tomada de [7]. Si el voltaje efectivo del motor se reduce a un 50% el torque se reduce un cuarto. Si se comparan las curvas de torque, se puede ver que la diferencia entre la curva de carga y la curva de torque es mucho mayor a voltaje nominal (UNetz) que a voltaje reducido (Ured). El torque del motor y la aceleración pueden ser modificadas cambiando el voltaje del motor.. Figura 7. Control del ángulo de fase del voltaje del motor. Tomada de [7]. Es posible cambiar el voltaje del motor a por medio del control del ángulo de fase. Usando un semiconductor controlable, como un tiristor, es posible entregar solamente.

(9) Diseño y Puesta en Marcha de un Arrancador 9 Suave un cierto porcentaje del voltaje al motor usando control de fase. El punto en el tiempo para el cual el tiristor conduce la media onda seno es llamado el ángulo de disparo α. Si el ángulo α es grande, el voltaje promedio del motor es bajo. Si el ángulo de disparo α se mueve lentamente hacia la izquierda de la onda el voltaje del motor aumenta. Cuando el voltaje en el cátodo del tiristor es más positivo que el del ánodo las junturas J1 y J3 están polarizadas negativamente y el dispositivo no conduce. Cuando el voltaje del ánodo es más positivo que el del cátodo las junturas J1 y J3 están polarizadas positivamente. Ya que J2 se polariza negativamente, el dispositivo aun bloquea el voltaje positivo. Si el voltaje negativo a través de J2 alcanza su punto de quiebre entonces el dispositivo conduce como una juntura sencilla polarizada positivamente.. Figura 8. Estructura básica de un tiristor. Tomada de [10]. El disparo por gate es el método usual para el encendido de un tiristor. Dado que las características de disparo del tiristor son dependientes de la temperatura, la amplitud y duración del pulso aplicado al gate deben ser suficientes para asegurar que el tiristor esté encendido bajo todas las condiciones posibles. La disipación de potencia en el gate puede ser reducida mediante el uso de un tren de pulsos para el disparo del tiristor. Los circuitos de control de fase son usados en aplicaciones de baja potencia tales como control de iluminación o control de velocidad de motores. La potencia entregada a la carga es controlada por el tiempo en el cual los tiristores se encuentran encendidos. Las formas de onda de los circuitos de un controlador de fase para una carga inductiva o una carga activa como lo es un motor, son más complejas que las de una carga puramente resistiva. Estas dependen del factor de potencia de la carga que puede ser variable así como del ángulo de disparo. Para un controlador bidireccional constituido por un par de tiristores en anti-paralelo, el máximo valor de la corriente de carga se da cuando el ángulo de disparo es igual al ángulo de fase. Cuando el ángulo de disparo α es mayor que el ángulo de fase ϕ de la carga entonces la corriente de carga se vuelve discontinua y el tiristor bloqueará parte.

(10) Diseño y Puesta en Marcha de un Arrancador 10 Suave del voltaje de entrada hasta que sea encendido nuevamente. Las altas corrientes en el arranque de motores se pueden evitar iniciando el control de fase con un ángulo de disparo grande. En general, hay dos posibilidades para arrancar un motor usando un arrancador suave. Estas son usando una rampa de voltaje y usando limitación de corriente.. Figura 9. Rampa de voltaje. Tomada de [7]. Usando una rampa de voltaje, el tiempo y el par de arranque están predeterminados. El arrancador suave aumenta linealmente el voltaje nominal del motor de un valor inicial predeterminado hasta el voltaje de la red. El bajo voltaje al inicio del proceso de arranque resulta en un bajo torque del motor y causa un proceso de aceleración suave. El voltaje inicial que debe ser predeterminado está dado por el par de arranque = torque de arranque del motor. Durante un arranque suave por rampa de voltaje, la corriente inicia con un cierto valor, se incrementa hasta su máximo y luego cae hasta la corriente nominal cuando el motor alcanza su velocidad nominal. La corriente máxima no se puede determinar teóricamente ya que depende del motor. Sin embargo, si un determinado valor de corriente no puede ser superado, entonces el arranque puede seleccionarse en términos del límite de corriente.. Figura 10. Curvas de corriente durante el arranque. Tomada de [7].

(11) Diseño y Puesta en Marcha de un Arrancador 11 Suave La corriente aumenta linealmente con una cierta rampa hasta que alcanza el máximo y cae a la corriente nominal cuando el motor ha alcanzado su velocidad nominal. Esto significa que el motor solamente puede soportar una cierta corriente de arranque. Este método se requiere usualmente cuando un motor grande (ventiladores, bombas) es conectado a la red de distribución pública.. Figura 11. Curvas de torque durante el arranque. Tomada de [7]. Las diferencias entre los tipos de arrancadores suaves radican en la estructura del componente de potencia y las características de control. Una fase y onda completa: En el caso de un arrancador suave con control de una fase, un ángulo de fase en L2 es implementado por medio de dos tiristores. Las fases L1 y L3 se conectan directamente al motor. Durante el arranque, aproximadamente seis veces la corriente nominal del motor fluye en las fases L1 y L3; solamente es posible reducir la corriente a tres veces la corriente nominal para la fase que está siendo controlada. Si este método es comparado con un arranque directo, el tiempo de arranque es más largo pero la corriente promedio total del motor no se reduce considerablemente. Esto significa que aproximadamente la misma corriente fluye a través del motor como en un arranque directo, resultando en sobrecalentamiento del motor. Dado que solamente una fase es controlada, la red está en condiciones de carga asimétrica en la fase de arranque. El control a una y a dos fases es comúnmente usado para aplicaciones con potencias de alrededor de 5.5 kW. y solamente son adecuadas para evitar el impacto mecánico en el sistema; la corriente de arranque del motor no se reduce con este método. Tres fases y media onda: En este caso el control se implementa en las tres fases con un tiristor y un diodo como semiconductor. El voltaje se reduce solamente en el ciclo.

(12) Diseño y Puesta en Marcha de un Arrancador 12 Suave de onda mientras el que el tiristor conduce. Durante la segunda mitad del ciclo el diodo conduce y se aplica al motor el voltaje de la red. Durante el ciclo que no es controlado (diodo) los picos de corriente son más altos que durante el ciclo controlado. Los armónicos superiores relacionados con este este resultado implican un sobrecalentamiento del motor. Debido a estas condiciones, este tipo de control solamente puede ser implementado efectivamente en aplicaciones de hasta 45 kW. Tres fases y onda completa: El control de fase es implementado en las tres fases con dos tiristores como semiconductores para cada fase. Esto significa que la fase del voltaje es controlada en la onda completa. Como resultado de los armónicos superiores durante el control de fase, el motor es sin embargo sometido a una carga térmica más alta que durante un arranque directo. Este método puede ser aplicado en aplicaciones de hasta 630 kW.. Figura 12. Control de onda completa. Tomada de [7]. Figura 13. Carga térmica durante el arranque. Tomada de [7].

(13) Diseño y Puesta en Marcha de un Arrancador 13 Suave El diagrama muestra el impacto de diferentes tipos de arrancadores suaves en el calentamiento del motor comparados con un arranque directo. El ítem 1/1 identifica el calentamiento del motor en un arranque directo. El eje X muestra el factor multiplicador del tiempo de arranque y el eje Y el factor multiplicador de calentamiento. Para tiempos de arranque mayores y potencias más altas, solamente se puede usar un arrancador con control de onda completa. Dentro de las ventajas de usar arrancadores suaves se destacan las siguientes -. Aumento en el tiempo de aceleración. Reducción o limitación de la corriente de arranque Adaptación del torque a la carga correspondiente. Eliminación de picos durante el arranque y paro de bombas. Eliminación de movimientos súbitos que impacten el proceso. Reducción en el desgaste de correas, cadenas y engranajes. Reducción del impacto de torques elevados en una máquina. Adaptación a las características de arranque de la aplicación. Simplicidad en el cableado del motor.. Las aplicaciones en las que es posible usar un arrancador suave además de las mencionadas anteriormente son: -. 5. Grúas Mezcladoras Molinos Trituradoras En general, aplicaciones donde se requiere un alto torque de arranque.. TRABAJO REALIZADO 5.1 Selección de un arrancador suave El siguiente diagrama de flujo resume los pasos necesarios para la correcta selección de un arrancador suave:.

(14) Diseño y Puesta en Marcha de un Arrancador 14 Suave. Figura 14. Diagrama de flujo para la selección de un Arrancador Suave. 5.2 Diseño de un arrancador suave El arranque directo es el método más común de arranque disponible en el mercado. El equipo de arranque consiste en un contactor y un relé de sobrecarga térmico o.

(15) Diseño y Puesta en Marcha de un Arrancador 15 Suave electrónico. La desventaja de este método es que entrega al motor la más alta corriente de arranque posible. Los valores normales están alrededor de 6 a 7 veces la corriente nominal del motor pero valores de 9 a 10 veces esta corriente pueden existir. Además de la corriente de arranque existe una corriente pico que puede alcanzar hasta 14 veces la corriente nominal del motor dado que el motor no se encuentra energizado al momento del arranque [3]. El siguiente es el modelo implementado en Simulink para un arranque directo:. Figura 15. Modelo de un arranque directo implementado en Simulink. En este caso se tiene un motor de 0.3kW con un voltaje de alimentación de 208V trifásico, una corriente nominal de 1.44A y un torque estimado de 1Nm. Los siguientes son los resultados de la simulación sobre los parámetros más relevantes del motor:. Figura 16. Velocidad del motor (rad/s).

(16) Diseño y Puesta en Marcha de un Arrancador 16 Suave. Figura 17. Torque de arranque (N*m). Figura 18. Corriente de arranque (A). De acuerdo con estas simulaciones se puede evidenciar los valores altos de torque y de corriente que deben ser aplicados sobre el motor al momento del arranque. En arrancadores de estado sólido se usan SCRs (siliconcontrolledrectifiers) para controlar el voltaje aplicado al motor. El SCR permite el flujo de corriente en una sola dirección. La cantidad de conducción de un SCR es controlada por los pulsos aplicados sobre el gate del SCR. Cuando dos SCRs se conectan back to back, la potencia AC entregada a la carga puede ser controlada cambiando el ángulo de disparo del voltaje de línea cada medio ciclo. Cambiando el ángulo es posible aumentar o disminuir el voltaje y la corriente aplicada al motor. Seis SCRs se usan en el bloque de potencia del arrancador suave para proporcionar control de onda completa sobre el voltaje y la corriente. El voltaje y la corriente sobre el motor se pueden aumentar paulatinamente [8]..

(17) Diseño y Puesta en Marcha de un Arrancador 17 Suave. Figura 19. Diagrama típico de cableado de los SCRs. Tomada de [8]. De acuerdo con lo anterior y con lo descrito en el marco teórico, se implementó el siguiente modelo de un arrancador suave en Simulink: <Rotor speed (wm)>. Scope 2. <Electromagnetic torque Te (N*m)>. Scope 3. g a. Va1 Va. + - v. <Rotor current ir _a (A)>. + i -. k. Scope 4. Ia. Thyristor. Scope 1 <Rotor current ir _b (A)>. Thyristor 1 k. Scope 5. g a <Rotor current ir _c (A)>. Scope 6. g a. Vb. 4.16. k. Torque. Vb1. Thyristor 2. + - v. Thyristor 3 k. Tm. <Rotor voltage Vr _q (V)>. A. C. g. Scope 7. m. B. <Rotor voltage Vr _d (V)>. Scope 8. 3ph IM. a. Scope <Stator current is _a (A)>. g a. Vc. Scope 9. k. Vc1. Thyristor 4. + - v. Thyristor 5 k. <Stator current is _b (A)>. Scope 10. g <Stator current is _c (A)>. a. Scope 11. <Stator voltage vs _q (V)>. Scope 12 30. Vab + - v. <Stator voltage vs _d (V)>. Firing Signal. alpha_deg. Scope 13. AB BC. Vbc. pulses. CA. + - v. 0. Vca. Block. Block. Synchronized 6-Pulse Generator. + - v. Continuous powergui. Figura 20. Modelo de un arrancador suave implementado en Simulink..

(18) Diseño y Puesta en Marcha de un Arrancador 18 Suave El modelo presentado está compuesto por tres bloques principales que serán descritos a continuación. En primera instancia se tiene el bloque de entrada trifásica del arrancador, constituido por tres fuentes AC de 208V desfasadas 120 grados una de la otra.. Figura 21. Voltaje de entrada del arrancador suave. Cada una de las fases está a su vez conectada a una pareja de tiristores encargados de suministrar el voltaje y la corriente al motor necesarios para el arranque, lo que constituye el módulo de potencia del arrancador suave..

(19) Diseño y Puesta en Marcha de un Arrancador 19 Suave. Figura 22. Módulo de potencia del arrancador suave.. El bloque generador de 6 pulsos sincronizados puede ser usado para disparar seis tiristores. La salida del bloque es un vector de seis pulsos individualmente sincronizados con un voltaje trifásico de conmutación. Los pulsos son generados αgrados después de los cruces por cero incrementales de los voltajes de conmutación. El bloque puede ser configurado para trabajar en modo de doble pulso. En este modo dos pulsos son enviados a cada tiristor: un primer pulso cuando el ángulo α ha sido alcanzado y un segundo pulso 60 grados después, cuando el siguiente tiristor se dispara.. Figura 23. Control del módulo de potencia del arrancador suave..

(20) Diseño y Puesta en Marcha de un Arrancador 20 Suave El orden de los pulsos a las salidas del bloque corresponde al orden natural de conmutación de un puente trifásico de tiristores. Los pulsos se envían a los tiristores en el siguiente orden:. Figura 24. Envío de pulsos a los tiristores del módulo de potencia del arrancador suave.. Para que la corriente fluya hacia el motor, los tiristores de al menos dos fases deben estar conduciendo. Las señales aplicadas al gate cada tiristor deben tener la misma secuencia y desplazamientos de fase que las fuentes de voltaje [9]. La secuencia resultante de las señales aplicadas a los gates se muestra en la siguiente figura:. Figura 25. Secuencia de disparo de los tiristores. Tomada de [9]. Finalmente se tiene el bloque del motor que simula la dinámica de una máquina asíncrona, también conocida como máquina de inducción..

(21) Diseño y Puesta en Marcha de un Arrancador 21 Suave. Figura 26. Máquina de inducción conectada al arrancador suave.. Los siguientes fueron los resultados de la simulación de los parámetros del motor con el arrancador suave:. Figura 27. Torque de arranque (Nm). Figura 28. Corriente de arranque (A). En comparación con los resultados obtenidos en la simulación de un arrancador directo, se evidencia una reducción en el torque de arranque de aproximadamente 83,33% y en la corriente de arranque del 50%..

(22) Diseño y Puesta en Marcha de un Arrancador 22 Suave 5.3 Pruebas realizadas con el SMC-Flex Con el fin de comprobar el funcionamiento del arrancador suave SMC-Flex acoplado a un motor de inducción, se llevó a cabo el montaje correspondiente usando el motor y el arrancador mostrados a continuación, de acuerdo con los diagramas de conexión sugeridos en [11]:. Figura 29. Motor Ref. SE-2672-3K2. Figura 30. Arrancador suave SMC-Flex Ref. 150-F5NBD. El arrancador suave SMC-Flex utilizado se puede programar para cuatro tipos de arranque [11]: -. Linear Speed SoftStart CurrentLimit Full Voltage. El siguiente cuadro muestra los parámetros configurados para cada uno de estos tipos de arranque:.

(23) Diseño y Puesta en Marcha de un Arrancador 23 Suave. Linear Speed SoftStart CurrentLimit Full Voltage 30s Ramp Time 10s 10s Initial Torque 50% RLT 350% FLC Cur. LimitLevel 350% FLC 2s Kickstart Time 1s 2s 20% LRT KickstartLevel 10% LRT 10% LRT Soft Stop Soft Stop Stop Soft Stop Soft Stop 30s Stop Time 10s 20s 30s 10 10 OverloadClass 10 10 1,15 1,15 Service Factor 1,00 1,00 2A 2A Motor FLC 2A 2A Tabla 1. Parámetros configurados para las pruebas sobre el SMC-Flex. Posterior a la configuración de los parámetros para cada uno de los modos de arranque, se procedió a la medición de la corriente al momento del arranque, cuando el motor alcanzó su velocidad nominal y al momento de la parada, obteniendo los siguientes resultados: Start At Speed Stopped 0A Linear Speed 1,4A 0,7A 0A SoftStart 1,9A 0,8A 0A CurrentLimit 0,3-1A 0,8A 0A Full Voltage 1,4A 0,8A Tabla 2. Valores de corriente para cada uno de los modos de arranque del SMC-Flex. Estos resultados evidencian la reducción en la corriente de arranque del motor de inducción utilizado, en comparación con los valores que se obtienen en un arranque directo, que pueden llegar a ser hasta de 8 veces la corriente nominal del motor, de acuerdo con lo presentado en el marco teórico..

(24) Diseño y Puesta en Marcha de un Arrancador 24 Suave 6. DISCUSIÓN Durante la primera etapa del proyecto de tuvieron inconvenientes de operación con el SMC-Flex dado que el módulo de control no estaba cableado apropiadamente ni se contaba con un módulo de comunicación para el arrancador. Sin embargo, estos impases fueron superados y se llevó a cabo el cableado del módulo de control del dispositivo satisfactoriamente así como la instalación de un módulo de comunicaciones proveniente de otro equipo del centro de control de motores donde está instalado. Posteriormente se implementó el modelo del arrancador suave en Simulink con el fin de contar con los resultados de estas simulaciones para la realización de las pruebas de laboratorio y poder cotejar los resultados. Finalmente, se procedió con las pruebas de laboratorio, las cuales fueron exitosas y evidencian el correcto funcionamiento del SMC-Flex así como del motor al cual fue conectado. Esto permitió la realización la guía de laboratorio anexa a este documento.. 7. CONCLUSIONES -. -. 8. Se logró llevar a cabo la configuración del arrancador suave SMC-Flex instalado en el centro de control de motores de la sala de potencia del laboratorio de ingeniería eléctrica y electrónica. Se presentó una metodología de selección y diseño para un arrancador suave. El costo del proyecto radicó en el cableado utilizado para la puesta en marcha del arrancador suave SMC-Flex. Se creó una guía de laboratorio con el fin de que los estudiantes se familiaricen con el procedimiento de configuración y puesta en marcha de un arrancador suave SMC-Flex.. AGRADECIMIENTOS A Gustavo Andrés Ramos López, profesor del departamento de ingeniería eléctrica y electrónica de la Universidad de los Andes, asesor de este proyecto, por su paciencia y colaboración durante su desarrollo. A Rockwell Automation por el soporte técnico prestado en la configuración del arrancador SMC-Flex. A mis padres y a mi futura esposa por el apoyo incondicional y constante durante la realización de este proyecto..

(25) Diseño y Puesta en Marcha de un Arrancador 25 Suave A todas las demás personas que de una u otra forma hicieron parte de la realización de este proyecto.. 9. REFERENCIAS [1] “Máquinas eléctricas rotatorias. Características nominales y características de funcionamiento” – Norma Técnica Colombiana NTC 2805, Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación (ICONTEC), Bogotá, 2005 [2] “Máquinas eléctricas rotatorias. Características de arranque de los motores trifásicos de inducción tipo jaula de ardilla de una sola velocidad” – Norma Técnica Colombiana NTC-IEC 34-12, Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación (ICONTEC), Bogotá, 2010 [3] M. Kjellberg, S. Kling, “Softstarter handbook”, ABB Automation Technology Products AB, Control, Vasteras, 2003 [4] Tipos de carga en motores, cemerlang.com/motor_load_types.htm. Recuperada. de. http://www.kania-. [5] A. Hughes, “Electric Motors and Drives”, Third Edition, Elsevier Ltd., Oxford, 2006 [6] W. Lukitsch, G. Woltersdorf, J. Theissen, J. Streicher,“AC Drives and Soft Starter Application Guide”, Allen-Bradley Company, Neta World, 2008 [7] “Basics for practical operation motor starting”, Rockwell Automation AG, Milwaukee, WI, 1997 [8] “Bulletin 150 SMC-Flex Application Guide”, Rockwell Automation, Milwaukee, WI, 2004 [9] S. Tunyasyirut, B. Wangsilabatra, T. Suksri, “Phase Control Thyristor Based Softstarter for a Grid Connected Induction Generator for Wind Turbine System”, International Conference on Control, Automation and Systems 2010, Gyeonggi-do, 2010 [10] “Power Semiconductor Applications”, Philips Semiconductors, Hazel Grove, 1994 [11] “Bulletin 150 SMC-Flex User Manual”, Rockwell Automation, Milwaukee, WI, 2010.

(26) Diseño y Puesta en Marcha de un Arrancador 26 Suave 10 APENDICES 10.1 GUÍA DE LABORATORIO Configuración y Puesta en Marcha de un Arrancador Suave SMC-Flex. La realización de esta práctica de laboratorio permitirá a los estudiantes familiarizarse con la operación de un arrancador suave en términos de los modos de arranque seleccionables en el mismo así como de las variables eléctricas y mecánicas que se deben configurar en el equipo de acuerdo con la aplicación. Introducción Un arrancador suave es un dispositivo usado con motores AC para reducir temporalmente la carga y el torque sobre el motor durante el arranque. Esto reduce el impacto mecánico en el motor así como el impacto electrodinámico en los cables de potencia y la red de distribución, prolongando la vida útil del sistema. Los arrancadores suaves pueden estar compuestos de dispositivos eléctricos o mecánicos, o de una combinación de ambos. Los arrancadores suaves eléctricos presentan un sistema de control que reduce el torque mediante la reducción temporal del voltaje o la corriente de entrada, o un dispositivo que temporalmente altere la conexión del motor en el circuito eléctrico. Estos arrancadores pueden usar dispositivos de estado sólido para controlar el flujo de corriente y por consiguiente el voltaje aplicado al motor, obteniendo los mejores resultados si se usa un control de tres fases. Típicamente el voltaje es controlado por tiristores. Objetivos -. Entender la operación de un arrancador suave. Configurar los parámetros básicos de un arrancador suave SMC-Flex. Analizar los parámetros eléctricos más relevantes en cada uno de los modos de operación de un arrancador suave SMC-Flex.. Pre-Informe -. Cuáles son los métodos más usados en el arranque de motores? Mencione las características principales de cada uno. Mencione 5 aplicaciones industriales en las que se use un arrancador suave. Cuáles son las principales diferencias entre un arrancador suave y un variador de velocidad? Qué modos de operación se pueden programar en un arrancador suave SMC-Flex? Describa brevemente las características de cada uno..

(27) Diseño y Puesta en Marcha de un Arrancador 27 Suave -. Cuáles son los parámetros de programación más relevantes en un arrancador suave SMC-Flex? Defina cada uno.. Desarrollo de la Práctica 1. Identifique el arrancador suave SMC-Flex en el centro de control de motores. 2. Verifique que su estación de trabajo se encuentra conectada al chasis ControlLogix del centro de control de motores con un cable de red al módulo 1756-ENBT. Fije la dirección IP de su estación de trabajo a 192.168.1.10 ingresando a las propiedades de la conexión de red correspondiente. 3. Energice el centro de control de motores y verifique que el display del SMC-Flex esté encendido. 4. Ejecute RSLinx y siga la ruta Communications Configure Drivers ingresando por la barra de menú. Configure un driver Ethernet/IP seleccionando el correspondiente a la dirección IP asignada a la estación de trabajo en el punto anterior. Explore los niveles del árbol que aparece en la parte izquierda de la pantalla partiendo del driver configurado e identifique los elementos que se encuentran en la red, entre ellos el SMC-Flex.. Figura 1. Validación de comunicaciones en RSLinx. 5. Ejecute RSNetWorxforDeviceNet y siga la ruta Network  Online seleccionando el scanner DeviceNet 1756-DNB..

(28) Diseño y Puesta en Marcha de un Arrancador 28 Suave. Figura 2. Validación de comunicaciones en RSNetWorxforDeviceNet. 6. De click derecho sobre el ícono del SMC-Flex e ingrese a las propiedades del dispositivo. Seleccione la pestaña Parameters y recorra el listado de parámetros del arrancador suave.. Figura 3. Parámetros del SMC-Flex. 7. De click derecho sobre el ícono del módulo 1756-DNB e ingrese a las propiedades del dispositivo. Verifique que el SMC-Flex se encuentra en la lista del 1756-DNB ingresando a la pestaña Scanlist. En las pestañas Input y Output identifique las.

(29) Diseño y Puesta en Marcha de un Arrancador 29 Suave estructuras de datos correspondientes a las entradas y salidas del arrancador suave.. Figura 4. Entradas y Salidas del SMC-Flex. 8. Problema de aplicación: Una banda transportadora tiene un motor con el cual se maneja el sistema de transporte. Los arranques a lo largo de la banda han causado daños en el sistema y además han producido el desperdicio de material. Ocasionalmente la banda transportadora se detiene con la capacidad de carga al.

(30) Diseño y Puesta en Marcha de un Arrancador 30 Suave máximo. Un arranque a lo largo de la línea se requiere para proporcionar el torque suficiente que pueda acelerar la carga. Solución: Se instaló un SMC-Flex en el modo de velocidad lineal para proporcionar una aceleración suave al motor, reducir su torque de arranque y mitigar el impacto mecánico sobre la banda transportadora y la carga. Adicionalmente, el SMC-Flex puede ser configurado en el modo de arranque a pleno voltaje, permitiéndole a la banda transportadora acelerar cuando se encuentra a su máxima capacidad. De acuerdo con el escenario planteado, siga el siguiente procedimiento: Configuración del SMC Flex en modo Linear Speed 1. Ingrese a los parámetros del SMC-Flex por medio del teclado que se encuentra debajo del display del equipo, de acuerdo con el siguiente mapa:. 2. En el grupo Set Up, modifique valores de los siguientes parámetros: SMC Option Starting Mode Ramp Time Current Limit Level Kickstart Time. : : : : :. Standard Linear Speed 20s 300% 2s.

(31) Diseño y Puesta en Marcha de un Arrancador 31 Suave Kickstart Level Option 2 Stop Mode Stop Time. : : : :. 45% Disable Linear Speed 30s. 3. Ejecute RSLogix 5000, abra el proyecto SMC_Flex_Uniandes.ACD y de el comando de arranque al arrancador, cambiando el bit a 1 en el comando Start. 4. Registre las mediciones de corriente, voltaje, torque, velocidad, etc. hechas por el SMC-Flex antes, durante y después del arranque e inclúyalas en el informe. 5. En el proyecto SMC_Flex_Uniandes.ACD active el comando de parada del arrancador. Cómo se comporta el valor de corriente que se muestra en el display del equipo? Configuración del SMC Flex en modo Full VoltageStart 1. Ingrese a los parámetros del SMC-Flex por medio del teclado que se encuentra debajo del display del equipo, de acuerdo con el siguiente mapa:. 2. En el grupo Set Up, modifique valores de los siguientes parámetros: SMC Option. :. Standard.

(32) Diseño y Puesta en Marcha de un Arrancador 32 Suave Starting Mode Stop Mode Stop Time. : : :. Full Voltage Disable 0s. 3. Ejecute RSLogix 5000, abra el proyecto SMC_Flex_Uniandes.ACD y de el comando de arranque al arrancador, cambiando el bit a 1 en el comando Start. 4. Registre las mediciones de corriente, voltaje, torque, velocidad, etc. hechas por el SMC-Flex antes, durante y después del arranque e inclúyalas en el informe. 5. En el proyecto SMC_Flex_Uniandes.ACD active el comando de parada del arrancador. Cómo se comporta el valor de corriente que se muestra en el display del equipo? Informe -. -. -. Cuáles son las principales diferencias entre el modo de arranque Linear Speed y el modo de arranque Full VoltageStart que se trabajaron en la práctica? Analice los resultados obtenidos a partir de las mediciones propuestas. De las aplicaciones investigadas en el Pre-Informe escoja una y proponga una solución al problema a partir de la selección del modo de arranque más apropiado para dicha aplicación. Implemente en Simulink un modelo de arrancador suave de acuerdo con lo investigado en el Pre-Informe y los resultados obtenidos en la práctica.. Referencias [1] “Bulletin 150 SMC-Flex Application Guide”, Rockwell Automation, Milwaukee, WI, 2004 [2] “Bulletin 150 SMC-Flex User Manual”, Rockwell Automation, Milwaukee, WI, 2006 [3] “Bulletin 150 SMC-Flex and SMC-3 Selection Guide”, Rockwell Automation, Milwaukee, WI, 2008.

(33) Diseño y Puesta en Marcha de un Arrancador 33 Suave 10.2 PROPUESTA INICIAL DEL PROYECTO TÍTULO DE LA TESIS O PROYECTO DE GRADO DISEÑO Y PUESTA EN MARCHA DE UN ARRANCADOR SUAVE. OBJETIVOS Y ALCANCE Objetivo General - Plantear una metodología de diseño y puesta en marcha de arrancadores suaves a partir de la caracterización de aplicaciones industriales y simulación y pruebas de laboratorio sobre un arrancador suave SMC-Flex. Objetivos Específicos - Identificar los tipos de arranque de motores más usados en la industria. - Diferenciar las aplicaciones industriales de acuerdo con el uso de un arrancador suave o un variador de velocidad. - Caracterizar una aplicación industrial en la que se use un arrancador suave. - Diseñar y simular la operación de un arrancador suave a partir de la caracterización de una aplicación industrial en la que se use un arrancador suave. - Validar el diseño y simulación de la operación de un arrancador suave mediante pruebas de laboratorio sobre el SMC-Flex del tablero AB de la sala de potencia del laboratorio de ingeniería eléctrica y electrónica de la Universidad de los Andes. - Elaborar una guía de laboratorio basada en los modos de operación del arrancador suave SMC-Flex del tablero AB de la sala de potencia del laboratorio de ingeniería eléctrica y electrónica de la Universidad de Los Andes. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA Debido a su simplicidad, robustez y reducción de costos de operación, los motores de jaula de ardilla son los más usados en la industria. Durante su arranque desarrollan corrientes de aproximadamente ocho veces su corriente nominal y por consiguiente un torque de arranque elevado. Las altas corrientes en el arranque usualmente llevan a caídas no deseadas de voltaje en la red de distribución y el torque de arranque elevado impacta considerablemente los elementos mecánicos [1]. Por consiguiente, las compañías de electricidad determinan límites en los valores de corriente en los arranques de motores en relación con sus corrientes nominales de operación. Los valores permitidos varían de red a red de distribución y dependen en su capacidad de carga. En relación con la parte mecánica, se requieren métodos que reduzcan el torque de arranque en estos dispositivos [2]..

(34) Diseño y Puesta en Marcha de un Arrancador 34 Suave Bajo esta perspectiva se hace necesaria la implementación de dispositivos que, dentro de los estándares internacionales, permitan el arranque de motores garantizando valores bajos tanto de corriente como de torque de arranque [3]. Con este proyecto se pretende diseñar y poner en marcha un arrancador suave a partir de la caracterización de aplicaciones industriales y proporcionar a los estudiantes una herramienta práctica en el arranque suave de motores mediante la experiencia con un arrancador SMC-Flex. CARACTERIZACIÓN DE LA SOLUCIÓN (Metodología o métodos a utilizar) La información necesaria para la elaboración de la guía de laboratorio basada en los modos de operación del arrancador suave SMC-Flex se recolectará a partir de la siguiente metodología: - Consulta bibliográfica sobre los tipos de arranque más usados en la industria. - Consulta bibliográfica sobre el uso de arrancadores suaves y variadores de velocidad en aplicaciones industriales. - Consulta bibliográfica sobre los parámetros eléctricos de una aplicación en la que se use un arrancador suave. - Diseño y simulación en MATLAB de los modos de operación de un arrancador suave a partir de modelos conocidos e implementados anteriormente en el software. - Realización de pruebas funcionales y toma de datos sobre los modos de operación del SMC-Flex del tablero AB de la sala de potencia del laboratorio de ingeniería eléctrica y electrónica de la Universidad de los Andes. - Elaboración de una guía de laboratorio basada en los modos de operación del arrancador suave SMC-Flex del tablero AB de la sala de potencia del laboratorio de ingeniería eléctrica y electrónica de la Universidad de Los Andes. ACTIVIDADES A REALIZAR Y CRONOGRAMA DE EJECUCIÓN - Semanas 1 y 2: Consulta bibliográfica sobre los tipos de arranque más usados en la industria. - Semanas 3 y 4: Consulta bibliográfica sobre el uso de arrancadores suaves y variadores de velocidad en aplicaciones industriales. - Semanas 5 y 6: Consulta bibliográfica sobre los parámetros eléctricos de una aplicación en la que se use un arrancador suave. - Semanas 7 y 8: Diseño y simulación en MATLAB de los modos de operación de un arrancador suave a partir de modelos conocidos e implementados anteriormente en el software. - Semanas 9 a 11: Realización de pruebas funcionales y toma de datos sobre los modos de operación del SMC-Flex del tablero AB de la sala de potencia del laboratorio de ingeniería eléctrica y electrónica de la Universidad de los Andes..

(35) Diseño y Puesta en Marcha de un Arrancador 35 Suave - Semanas 12 a 16: Elaboración de una guía de laboratorio basada en los modos de operación del arrancador suave SMC-Flex del tablero AB de la sala de potencia del laboratorio de ingeniería eléctrica y electrónica de la Universidad de Los Andes. RECURSOS Y FUENTES DE DATOS (Laboratorios, materiales, hardware, software, etc.) - Bibliografía especializada en el arranque de motores en aplicaciones industriales. - MATLAB. - Tablero AB de la sala de potencia del laboratorio de ingeniería eléctrica y electrónica de la Universidad de Los Andes.. BIBLIOGRAFÍA [1] Electric machinery and power systems fundamentals, Chapman, Stephen J., 2002. [2] Electric machines: theory, operation, applications, adjustment, and control, Hubert, Charles I., 1991 [3] Elementos de diseño de máquinas eléctricas, Still, Alfred, 1968 [4] PSPICE and MATLAB for electronics: and integrated approach, Attia, John Okyere, 2010 [5] Introduction to Simulink: with engineering applications, Karris, Steven T., 2006 [6] Matlab/Simulink models for typical soft starting means for a DC motor, Taleb, Maamar, 2011.

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