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1. Principios de funcionamiento de los
motores de jaula de ardilla.
2. Principios de control en los motores
de inducción.
3. Circuito equivalente de un motor:
transformador.
4. Corrientes en un motor.
SUMARIO – PARTE 1
5. Circuito equivalente de un motor: circuito eléctrico por fase.
6. Relación corriente – velocidad.
7. Relación corriente – velocidad. Arranque directo.
8. Reducción de la tensión de entrada.
3
10. Tipos de arranque tradicionales.
11. Problemas del arranque de un
motor.
12. Conexión arranque directo.
13. Característica corriente – velocidad.
Arranque directo.
SUMARIO – PARTE 2
14. Conexión arranque estrella – triángulo.
15. Característica corriente – velocidad. Arranque estrella – triángulo.
16. Objetivos.
4
17. Arrancadores estáticos de Power
Electronics.
18. Principios de los Arrancadores
Estáticos.
19. Método de arranque: Rampa de
Tensión.
20. Método de arranque: Corriente
constante.
5
21. Comparación distintas formas de
arranque: Datos.
22. Comparación distintas formas de
arranque: Ventajas.
23. Comparación distintas formas de
arranque: Inconvenientes.
SUMARIO – PARTE 4
24. Comparación distintas formas de arranque: Aplicaciones y Costos.
25. Comparación protecciones.
6
27. Análisis comparativo práctico.
28. Análisis con par resistente del 15%.
29. Análisis con par resistente del 25%.
30. Análisis con par resistente del 35%.
31. Resumen del análisis comparativo.
SUMARIO – PARTE 5 Y PARTE 6
32. Tensión en una bobina del motor.
33. Análisis comparativo total.
34. Conclusiones finales.
PARTE 6
8
1. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE LOS MOTORES DE JAULA DE ARDILLA
»
El motor de inducción, asíncrono o de jaula de ardilla,está formado por dos partes:
» El
estátor
.
» El
rotor
(fijado a un eje).
9
2. PRINCIPIOS DE CONTROL EN LOS MOTORES DE INDUCCIÓN
»
El rotor se construye con barras cortocircuitadas pormedio de anillos en los extremos, formando la denominada
jaula de ardilla
.
10
2. PRINCIPIOS DE CONTROL EN LOS MOTORES DE INDUCCIÓN
Conectándolo a una fuente de alimentación trifásica, en el estátor se genera un campo magnético giratorio (flujo). Esto es debido a:
» La disposición física de los devanados del estátor: 3 bobinas separadas 120º físicos.
» La corriente en estos devanados está desfasada 120º eléctricos.
11
2. PRINCIPIOS DE CONTROL EN LOS MOTORES DE INDUCCIÓN
» Las líneas de flujo (flechas) inducen unas corrientes en las barras del rótor.
» Cuando sobre un conductor por el que circula una
corriente, actúa un campo magnético, la resultante es una fuerza que origina el par y por tanto la rotación del rotor.
CAMPO GIRATORIO
12
3. CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN MOTOR: TRANSFORMADOR
»
El circuito equivalente de un motor se puede entendercomo un transformador.
IM: Corriente de Magnetización.
Corriente “imaginaria” que circula por el estator. Responsable del flujo del motor.
IR: Corriente de Rotor.
Corriente “real” que circula por el rotor, generadora de par. Aumenta con la carga del motor.
13
4. CORRIENTES EN UN MOTOR
»
Controlando la tensión aplicada en el estátor(E1) se puede controlar la corriente de magnetización (IM) y por tanto el flujo.
»
Con el aumento de la velocidad del motor, el deslizamiento (S) disminuye, y la frecuencia relativa también. Entonces el cosφR mejora, la inductancia de pérdidas disminuye, e Irdisminuye. S M
L
f
E
I
·
·
·
2
1
2 2 2 2)
·
(
.
S
X
R
S
E
I
r r
14
5. CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN MOTOR: CIRCUITO ELÉCTRICO POR FASE
»
El circuito equivalente de un motor en cada fase tambiénse puede simplificar de la siguiente forma:
Inductancia Magnética
Resistencia de Carga. Si S entonces R
»
El deslizamiento en un motor es función de la velocidad:%
S R Sn
n
n
s
15
6. RELACIÓN CORRIENTE – VELOCIDAD
»
En el momento del arranque el motor se comporta como un transformador con el secundario en cortocircuito. Ir aumenta porque equivale a una corriente de cortocircuito.n r
(
7
-
10
)xI
I
16
17
7. RELACIÓN CORRIENTE – VELOCIDAD. ARRANQUE DIRECTO
»
En ningún caso se alcanza s=0. Si eso sucediese el motor perdería la capacidad de generar par. » La corriente nominal se alcanza antes de llegar a s=0.18
8. REDUCCIÓN DE LA TENSIÓN DE ENTRADA
»
Se puede demostrar que:» Si la tensión de entrada (E1) varía, entonces el par (T) varía con el cuadrado de la misma. » En el arranque, el par es proporcional al cuadrado de la tensión de entrada.
²
E
19
20
22
10. TIPOS DE ARRANQUE TRADICIONALES
»
Existen distintos tipos de arranque para un motor:» Arranque directo.
» Arranque estrella triángulo.
» Arranque con resistencias estatóricas.
23
11. PROBLEMAS EN EL ARRANQUE DE UN MOTOR
»
EXCESO DE PAR APLICADO:Aunque el par resistente inicial sea bajo, durante el arranque directo se producen una serie de oscilaciones bruscas del par a medida que la velocidad aumenta. Es básicamente un arranque incontrolado.» Desventajas:
Shocks mecánicos.
Deslizamiento en las correas.
Stress en las trasmisiones.
24
11. PROBLEMAS EN EL ARRANQUE DE UN MOTOR
»
ENORME SOBRECORRIENTE: La corriente típica, en el momento del arranque, es entre 7 y 10 veces la corriente nominal. Esto es debido a que en el arranque el deslizamiento es máximo y el motor se comporta como un transformador con el secundario en cortocircuito.» Desventajas:
Caídas bruscas de tensión en líneas de poca capacidad.
Sobredimensionado de contactores.
25
12. CONEXIÓN ARRANQUE DIRECTO
26
13. CARACTERÍSTICA CORRIENTE – VELOCIDAD. ARRANQUE DIRECTO
27
14. CONEXIÓN ARRANQUE ESTRELLA – TRIÁNGULO
»
FINALIDAD: Reducir la intensidad de fase de arranque, aunque sea a costa de reducir el par.28
14. CONEXIÓN ARRANQUE ESTRELLA – TRIÁNGULO
»
MOTOR: Es necesario que el motor tenga los bobinados del estátor accesibles y configurados para un cableado doble.29
15. CARACTERÍSTICA CORRIENTE – VELOCIDAD. ARRANQUE ESTRELLA – TRIÁNGULO
30
16. OBJETIVOS
»
ARRANQUE MECÁNICO PERFECTO: Vencer el par inicial paulatinamente. » CONTROLAR EL PAR DEL MOTOR: Para controlar la aceleración del motor. » CONTROL DEL PARO: Decelerar de forma controlada.» MANTENIMIENTO:Ahorro en operaciones de mantenimiento de las instalaciones. » LIMITAR LA CORRIENTE DE ARRANQUE: Para no afectar a la red de suministro.
» SANCIONES: Evitar penalizaciones por puntas de corriente que excedan la potencia contratada. Se puede conseguir ahorro en las facturas.
32
33
18. PRINCIPIOS DE LOS ARRANCADORES ESTÁTICOS
»
El principio de los arrancadores estáticos es el denominado: CONTROL DE FASE.» Controlando el instante de disparo de los tiristores se controla el valor de la tensión eficaz aplicada a la carga.
» Con la conexión en antiparalelo de dos tiristores se puede controlar tensiones alternas y controlar
34
18. PRINCIPIOS DE LOS ARRANCADORES ESTÁTICOS
» Conexión de tiristores en antiparalelo
.35
19. MÉTODO DE ARRANQUE: RAMPA DE TENSIÓN
»
La rampa de tensión es un método de arranque en el que se aumenta progresivamente la tensión aplicada al motor: No existe desconexión de alimentación.
El nivel de tensión inicial es ajustable.
Se puede ajustar el tiempo.
36
20. MÉTODO DE ARRANQUE: CORRIENTE CONSTANTE
»
La corriente se fija a un valor determinado en función de la aplicación, por ejemplo (Ia=3xIn).Al principio la corriente se incrementa hasta alcanzar dicho valor.
En este punto, el algoritmo de control no deja que la corriente disminuya.
Para ello va incrementando la tensión de modo que se pasa de una curva a otra manteniendo la corriente constante durante el arranque.
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20. MÉTODO DE ARRANQUE: CORRIENTE CONSTANTE
»
La corriente se fija a un valor determinado en función de la aplicación, por ejemplo (Ia=3xIn).Al principio la corriente se incrementa hasta alcanzar dicho valor.
En este punto, el algoritmo de control no deja que la corriente disminuya.
Para ello va incrementando la tensión de modo que se pasa de una curva a otra manteniendo la corriente constante durante el arranque.
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43
25. COMPARACIÓN PROTECCIONES
» FALTA DE FASE:
Se controla si una o varias fases de entrada no suministran tensión al arrancador para parar.
»
FALTA DE FASE:No se puede controlar. Problemas de
estabilidad y para generar par. El motor se quema si la protección no está bien diseñada.
ARRANCADOR
ESTRELLA – TRIÁNGULO
» SECUENCIA DE FASES:
Se detecta si la secuencia correcta (R-S-T) para que el motor gire según las agujas del reloj, está o no cambiada.
» SECUENCIA DE FASES:
Si está cambiada, el motor gira en sentido contrario. Peligro para la aplicación. Sucede después de operaciones de mantenimiento por error en contactor.
» DESEQUILIBRIO ENTRE FASES:
Se controla si hay un desequilibrio en el consumo de corriente entre fases mayor al 40%
» DESEQUILIBRIO ENTRE FASES:
No se puede controlar. Si se trabaja con corrientes asimétricas, se producen vibraciones y con el tiempo problemas mecánicos.
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25. COMPARACIÓN PROTECCIONES
» SOBRECARGA MOTOR:
Se ha detectado un consumo de corriente excesivo. Durante el arranque puede ser debido a un problema mecánico. En régimen nominal, puede ser por problemas de ajustes o por variaciones en la carga. Existe un aviso para esta señal que permite ser muy preciso en el ajuste.
»
SOBRECARGA MOTOR:No se detecta un consumo de corriente
excesivo. El ajuste es muy impreciso. A medio largo plazo se acaba dañando.
ARRANCADOR
ESTRELLA – TRIÁNGULO
» SUBCARGA MOTOR:
Se ha detectado un consumo de corriente inferior al ajustado. Está pensado para
proteger la aplicación. (Por ejemplo, bombas sumergidas).
» SUBCARGA MOTOR:
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25. COMPARACIÓN PROTECCIONES
» SOBREINTENSIDAD:
La corriente que ha circulado por el arrancador el 6 veces la intensidad nominal del equipo. El rotor puede estar bloqueado. Existe
información del momento del fallo: arranque, régimen nominal o deceleración. Rápida actuación.
»
SOBREINTENSIDAD:Existe protección contra sobrecorriente, pero no existe información del momento en el que se produce. Reintentos de arranque y
problemas para el motor.
ARRANCADOR
ESTRELLA – TRIÁNGULO
» SOBRETEMPERATURA PTC MOTOR:
Disparo por PTC del motor. Sobretemperatura del motor.
» SOBRETEMPERATURA PTC MOTOR:
Disparo por PTC del motor. Para detectar esto se necesita un hardware adicional, lo que incrementa el costo.
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25. COMPARACIÓN PROTECCIONES
» CORRIENTE DE SHEARPIN:
La corriente del motor ha alcanzado el valor mayor ajustado en régimen nominal. El rotor puede estar bloqueado mecánicamente o puede haber un fallo mecánico. Protege la mecánica delicada.
»
CORRIENTE DE SHEARPIN:No existe.
ARRANCADOR
ESTRELLA – TRIÁNGULO
» ALTA TENSIÓN DE ENTRADA:
Voltaje de red elevado. Verificar las tensiones de línea y los parámetros.
» ALTA TENSIÓN DE ENTRADA:
Si la tensión de red es elevada, puede trabajar, pero si la situación permanece, habrá una
pérdida de aislamiento. » BAJA TENSIÓN DE ENTRADA:
Voltaje de red bajo. Verificar las tensiones de línea y los parámetros. Ofrece un servicio al entrono de protección adicional: protección de armarios de mando.
» BAJA TENSIÓN DE ENTRADA:
Voltaje de red bajo. La corriente se incrementa. Si las protecciones no están bien diseñadas el motor se puede quemar.
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26. VENTAJAS ADICIONALES
» CONTROL DINÁMICO DE PAR:
La serie V5 incorpora un “Control Dinámico de Par”, exclusivo de Power Electronics, que asegura un arranque suave y progresivo en aquellas aplicaciones que presentan un momento de inercia elevado. Con este algoritmo de control conseguiremos una aceleración progresiva y una optimización de la punta de corriente durante el arranque.
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26. VENTAJAS ADICIONALES
» CONTROL DINÁMICO DE PAR:
• El par no está obligado a ajustarse a una forma predeterminada: lineal o cuadrática. • El par va incrementándose en tanto se detecta que el motor no acelera.
• Tan pronto el motor acelera el para se mantiene.
• Si se quiere llegar antes al final, la rampa será más rápida.
• En ningún caso se está entregando más par del que se necesita, con lo que no se está perdiendo energía.
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26. VENTAJAS ADICIONALES
» TARJETA DE CONTROL ÚNICA PARA TODAS LAS POTENCIAS:
• Se reduce el stock de repuestos.
• La resolución de averías es muy simple por la unificación de la electrónica.
• Existen LEDS y DISPLAY de información para el usuario que indica el tipo de avería.
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27. ANÁLISIS COMPARATIVO PRÁCTICO
» Simulación de las cargas de un ascensor.
» Comparación de comportamiento en el arranque.
» Problemas para el motor.
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28. ANÁLISIS CON PAR RESISTENTE DEL 15%
» DATOS:
Par resistente = 15% del Par nominal.
» Medida de señales » ESTRELLA-TRIÁNGULO:
Tiempo de conmutación: 3seg.
Velocidad: Aumenta progresivamente hasta el 60% y en la conmutación cambia
bruscamente.
Corriente: aumento brusco de 1.3 a 4 veces la In.
» ARRANCADOR:
Tiempo limitación corriente : 1seg.
Velocidad: Aumenta progresivamente hasta el 100% sin cambiar bruscamente.
Corriente: Controlada por la limitación de 3 veces la In. Aproximadamente en 2 seg. llega el final del arranque.
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29. ANÁLISIS CON PAR RESISTENTE DEL 25%
» DATOS:
Par resistente = 25% del Par nominal.
» Medida de señales » ESTRELLA-TRIÁNGULO:
Tiempo de conmutación: 3seg.
Velocidad: Aumenta progresivamente hasta el 20% y en la conmutación cambia
bruscamente.
Corriente: aumento brusco de 1.6 a 5 veces la In.
» ARRANCADOR:
Tiempo limitación corriente : 1seg.
Velocidad: Aumenta progresivamente hasta el 100% sin cambiar bruscamente.
Corriente: Controlada por la limitación de 3 veces la In. Aproximadamente en 2,5 seg. llega el final del arranque.
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30. ANÁLISIS CON PAR RESISTENTE DEL 35%
» DATOS:
Par resistente = 35% del Par nominal.
» Medida de señales » ESTRELLA-TRIÁNGULO:
Tiempo de conmutación: 3seg.
Velocidad: Se mantiene casi constante en un 16% y en la conmutación cambia
bruscamente.
Corriente: aumento brusco de 1.5 a casi 5 veces la In.
» ARRANCADOR:
Tiempo limitación corriente : 1seg.
Velocidad: Aumenta progresivamente hasta el 100% sin cambiar bruscamente.
Corriente: Controlada por la limitación de 3 veces la In. Aproximadamente en 3 seg. llega el final del arranque.
55
31. RESUMEN DEL ANÁLISIS COMPARATIVO
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32. TENSIÓN EN UNA BOBINA DEL MOTOR
» OBJETIVOS:
Ver tensiones en el momento del cambio de estrella a triángulo.
» Medida de señales » RESULTADO:
Momento de conmutación: Transitorio de 1700V pico a pico.
40ms después: Transitorio de 1400V pico a pico.
» CONCLUSIÓN:
Primer transitorio debido a rebotes mecánicos del contactor.
Segundo transitorio debido a que la tensión del motor está en contra fase con la de la red.
57
33. ANÁLISIS COMPARATIVO TOTAL
» Con el incremento del par desde el 15% hasta el 35% del par nominal:
» La velocidad pasa del 60%, luego el 20% y el 16% con el par mayor:
A MEDIDA QUE
AUMENTA EL PAR LA ESTRELLA TIENE PROBLEMAS PARA LANZAR EL MOTOR.
TIEMPO DE CONMUTACIÓN FIJO.
» La corriente sufre unos bruscos saltos que van desde 1,3-1,6 hasta 4-5 veces la
nominal:
CAMBIO BRUSCO EN LA VELOCIDAD, CAMBIO BRUSCO DE PAR Y
CASTIGO DE LAS PARTES MECÁNICAS.
58
34. CONCLUSIONES FINALES
» La corriente de pico en el arranque a
igualdad de condiciones es SIEMPRE MEJOR con ARRANCADOR.
»
La corriente de pico en el arranque aigualdad de condiciones es SIEMPRE PEOR con ESTRELLA - TRIÁNGULO.
» Con un par resistente superior al 35% de par nominal, el ARRANCADOR no tiene ningún problema para lanzar el motor.
» Con un par resistente superior al 35% de par nominal, la ESTRELLA-TRIÁNGULO se
comporta COMO un ARRANQUE DIRECTO,
porque durante la estrella el motor no es capaz de acelerar.
» ACELERACIÓN PROGRESIVA con el uso de ARRANCADOR: NO STRESS en las transmisiones.
» ACELERACIÓN BRUSCA del motor con la conmutación de ESTRELLA-TRIÁNGULO:
59
34. CONCLUSIONES FINALES
» Si hay un ELEVADO número de
ARRANQUES, los TIRISTORES no tienen limitada la vida por exceso de maniobras debido a la AUSENCIA DE PARTES
MÓVILES.
»
Si hay un ELEVADO número de ARRANQUES, con la configuración ESTRELLA-TRIÁNGULO tendremos PROBLEMAS.» NO HAY MANTENIMIENTO PREVENTIVO,
porque no hay partes móviles.
» SI ES NECESARIO MANTENIMIENTO PREVENTIVO (COSTO), por la vida media de los elementos mecánicos de las maniobras. » FLEXIBILIDAD PARA AJUSTES DE
CORRIENTE MÁXIMA: evitamos caídas de tensión que afecten al edificio donde están instalados.
» NO SE PUEDE AJUSTAR LA CORRIENTE MÁXIMA: tiempo de conmutación fijo, sin saber a qué velocidad está el motor.
» CONFORT DE PASAJEROS: puesto que no hay cambios bruscos, sino paulatinos.
» REDUCIDO CONFORT:existen cambios bruscos en la conmutación.
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35. LA SERIE V5
» Visualizaciones mediante display en castellano
» Display inteligente
» Protección de subcarga » Amplio rango de tensiones
» Elementos de potencia modulares » Tarjeta de control única
» Normativas internacionales y marcaje CE
» PROTECCIONES:
• Sobrecarga 0.8 a 1.2 In
• Tiempo actuación sobrecarga • Subcarga 0.2 a 0.6 In
• Tiempo actuación subcarga • Modo de corriente shearpin
• Corriente shearpin • Termistor PTC • Fallo de fase
• Desequilibrio de fases >40% • Rotor bloqueado
Presentación
ARRANCADOR V5.
Comparativa con Arranque Estrella –Triángulo
Realización
Pilar Navarro
Organización
Departamento de Marketing
www.power-electronics.com
