Aplicaciones de la electrónica de potencia en el control de velocidad de diferentes tipos de motores

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(1)Aplicaciones de la Electrónica de Potencia en el Control de Velocidad de Diferentes Tipos de Motores.. ANDRÉS CAMILO MORALES PALACIOS. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENÍERIA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA BOGOTÁ, D. C. 2009.

(2) Aplicaciones de la Electrónica de Potencia en el Control de Velocidad de Diferentes Tipos de Motores.. ANDRÉS CAMILO MORALES PALACIOS. Trabajo de Grado presentado como requisito Para optar el título de Ingeniero Eléctrico Directores: Gustavo Andrés Ramos Álvaro Torres Macías. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENÍERIA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA BOGOTÁ, D. C. 2009. 2.

(3) PAGINA DE ACEPTACIÓN. Nota de Aceptación ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________. ____________________________________ Presidente del Jurado. ____________________________________ Jurado. ____________________________________ Jurado. 3.

(4) A Dios por darme la salud y la vida, a mi esposa e hijo por todo el apoyo, comprensión y dedicación que me han prestado para mi formación personal y profesional, para sacar adelante este nuevo logro de mi vida, de igual forma a las entidades como la Fuerza Aérea Colombiana, Tejido Humano y Fundación Matamoros, en su debido momento me dieron la mano con algún apoyo económico, Gracias.. 4.

(5) AGRADECIMIENTOS. Al Ingeniero Gustavo Ramos, el cual fue profesor asesor por parte Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Universidad de Los Andes.. Al Ingeniero Álvaro Torres, el cual fue profesor co-asesor por parte Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Universidad de Los Andes.. Al Ingeniero Wilson Ortiz, el cual fue profesor asistente de laboratorio durante la materia de Electrónica de Potencia del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Universidad de Los Andes, el cual por sus grandes conocimientos, sus capacidades y por su preocupación sirvió de apoyo en el desarrollo de este proyecto.. A mi esposa Marcela Erazo y mi hijo Jacobo quienes entregaron mucho de su apoyo moral y espiritual para darme las fuerzas y la energía necesaria para poder lograr a feliz término este trabajo de grado.. A mis compañeros del último semestre, quienes en los momentos difíciles por la carga de trabajo me dieron la mano, como soporte para poder llevar a feliz término mi carrera.. A todas aquellas personas que de una u otra manera colaboraron en la realización de este proyecto de grado. 5.

(6) TABLA DE CONTENIDO. 1.. Introducción ................................................................................................................................ 8 1.1. Justificación......................................................................................................................... 8. 1.2. Objetivos ............................................................................................................................. 8. 1.2.1. Objetivo General ............................................................................................................... 8 1.2.1. Objetivos Específicos ........................................................................................................ 8 1.3 2.. Reseña Historica.................................................................................................................. 9. Manejo de Motores DC ............................................................................................................... 9. 2.1 Parte Teórica ............................................................................................................................... 9 2.1.1. Introducción .................................................................................................................... 9. 2.1.2. Circuito equivalente de motores DC ............................................................................... 9. 2.1.3. Conversor Electrónico de Potencia ............................................................................... 14. 2.1.4. Variadores de Velocidad ............................................................................................... 16. 2.1.4.1. Motor con excitación Serie....................................................................................... 16. 2.1.4.2. Motor con excitación Independiente ........................................................................ 16. Figura 2-8 Motor con excitación Independiente tomado de [5] ............................................... 17 2.1.4.3. Motor con excitación Shunt ..................................................................................... 17. 2.1.4.4. Motor con excitación Compound (Corta Derivación) ............................................... 17. 2.1.4.5. Motor con Excitación Compound (larga derivación) ................................................ 18. 2.2 Parte Computacional ................................................................................................................. 19 2.2.1. Guía Para Práctica Computacional Variador de Velocidad Motor DC: ........................ 19. 2.2.2. Resultados de la parte computacional ........................................................................... 22. 2.3 Práctica del Laboratorio ............................................................................................................ 26 3.. Manejo de Motores de Inducción .............................................................................................. 39. 3.1 Parte Teórica ............................................................................................................................. 39 3.1.1. Introducción .................................................................................................................. 39. 3.1.2. Principios básicos de la operación de un motor de inducción ....................................... 40. 3.2 Parte computacional ................................................................................................................. 45 3.2.1. Guía Para Práctica Computacional Variador de Velocidad Motor Asíncrono AC:......... 45. 3.2.2. Resultados de la parte computacional ........................................................................... 49 6.

(7) 3.3 Parte Práctica del Laboratorio................................................................................................... 52 4.. Manejo de Motores de Síncronos .............................................................................................. 67. 4.1 Parte Teórica ............................................................................................................................. 67 4.1 Introducción ............................................................................................................................ 67 4.1.2. Forma básica de operación de motores síncronos ........................................................ 68. 4.2 Parte computacional ................................................................................................................. 71 4.2.1. Guía Para Práctica Computacional Variador de Velocidad Motor Síncrono AC:........... 71. 4.2.2. Resultados de la parte computacional ........................................................................... 76. 4.3 Parte Práctica del Laboratorio ................................................................................................... 80 5.. Análisis y Conclusiones ............................................................................................................ 92. 6.. Recomendaciones ...................................................................................................................... 92. 7.. Referencias Bibliográficas ......................................................................................................... 93. 7.

(8) 1. Introducción 1.1 Justificación Este proyecto de grado se justifica con la realización de tres cartillas las cuales deben contener la información teórica, práctica y computacional para la mejor comprensión de la aplicación de la electrónica de potencia y aplicación en el campo profesional en los motores DC, motores de Inducción y motores Sincrónicos; El manejo de laboratorio y práctica computacional se desarrolla con la finalidad de proporcionar las herramientas de análisis y de diseño para el control de la velocidad de los motores, basado en el libro “Power Electronics-Converters, Applications, and Design”[1] y algunas otras referencias mencionadas.. 1.2 Objetivos 1.2.1. Objetivo General Desarrollar una metodología para el estudio del control de motores DC, Asíncronos y Síncronos, por medio de variación de la frecuencia y PWM, para lo cual la aplicación de la electrónica de potencia es muy efectiva.. 1.2.1. Objetivos Específicos Realización de tres cartillas para el manejo Práctico de los estudiantes y docentes, la cual está compuesta por una guía teórica de conceptos, una guía práctica y un manejo computacional de los motores DC, motores de Inducción y motores Sincrónicos. Deben contener: Conceptos básicos Circuitos equivalentes Ajuste de velocidad Formas de corriente y potencia Desarrollo computacional. 8.

(9) Explicar de una manera sencilla el control por frecuencia de la velocidad de los motores DC, motores de Inducción y motores Sincrónicos, con la finalidad de proporcionar las herramientas de análisis y de diseño que pueda ser utilizada para mejor comprensión de las prácticas de laboratorio aplicado a la materia Electrónica de Potencia, y en el campo profesional.. 1.3 Reseña Historica Desde el comienzo del programa de ingeniería Eléctrica, la universidad se ha preocupado por el mejoramiento continuo de su pensum académico, el cual se ha basado en la evolución tecnológica y en la adquisición de nuevos equipos de uso computacional, los cuales han proporcionado facilidades para un mejor manejo de las seis áreas principales de investigación con que se ha planteado el programa, que son: Potencia y Energía, Electrónica, control, comunicaciones, señales y Bioingeniería. Estas áreas se han ido desarrollando progresivamente, en esta tesis se está contribuyendo con el estudio de Potencia y Energía, buscando un optimo control de los diferentes tipos de motores por frecuencia, ya que ayuda a mejorar el rendimiento de las maquinas, lo cual será de gran aplicación en cualquier empresa, fabrica o universidad donde pueda ser aplicada esta metodología.. 2. Manejo de Motores DC 2.1 Parte Teórica 2.1.1 Introducción Tradicionalmente los motores DC han sido utilizados en muchos los equipos industriales y en la operación de un buen porcentaje de las empresas hoy en día, para el control y aplicación de velocidad y posición. Hace pocos años atrás el uso de manejo de servo motores AC se ha incrementado, a pesar que existen aplicaciones DC donde el mantenimiento es extremadamente bajo o no es requerido. Pero continúan siendo más usado el control de motores DC por su bajo costo inicial, fácil operación y excelente rendimiento. 2.1.2 Circuito equivalente de motores DC Para poder entender el circuito equivalente de los motores DC es importante saber cómo está conformado un motor DC.. 9.

(10) El motor de corriente continua está compuesto de dos partes fundamentales que son el Rotor y el Estator o también llamado armadura como se pueden ver en la figura 2-1.. Figura 2-1 partes del Motor DC Tomado de [4] Los cuales se encuentran conformados internamente por los siguientes componentes como se relaciona a continuación: El Rotor constituye la parte móvil del Motor, proporciona el torque necesario para mover la carga y éste a su vez está conformado por: Eje: Barra de acero fresada, la cual es la encargada de impartir la rotación al núcleo, al devanado y al colector. Núcleo: Generalmente fabricado con capas (Laminas de Acero), el cual se monta sobre el eje y su principal función es la de proporcionar una trayectoria magnética entre los polo para que el flujo magnético del devanado circule. Las láminas de acero reducen las corrientes parásitas en el núcleo y de igual manera debe permitir mantener bajas las perdidas por histéresis. Devanado: Consta de Bobinas aisladas entre si Proporciona un camino de conducción conmutado.. y el núcleo de la armadura.. Colector: Está constituido de láminas de material conductor (delgadas), separadas entre sí y del centro del eje por un material aislante, para evitar cortocircuito con dichos elementos. El colector gira el eje del motor y está en contacto con las escobillas. Su principal función es recoger la tensión producida por el devanado inducido, transmitiéndola al circuito por medio de las escobillas.. 10.

(11) El Estator constituye la parte fija del Motor, suministra el flujo magnético que será usado por el bobinado del rotor para realizar su movimiento giratorio y está conformado por: Armazón: Sirve como soporte y proporciona una trayectoria de retorno al flujo magnético del rotor, para completar el circuito magnético. Imán permanente: Compuesto de material ferro-magnético, fijado al armazón del estator. Su función es crear un campo magnético uniforme al devanado del rotor, para generar la interacción de éste con el campo formado por el embobinado. Escobillas: Fabricadas se carbón, y poseen una dureza menor que la del colector, para evitar que éste se desgaste rápidamente. Se encuentran albergadas por los portaescobillas. Ambos, escobillas y porta-escobillas, se encuentran en una de las tapas del estator. Son los encargados de transmitir la tensión y corriente de la fuente de alimentación hacia el colector y, por consiguiente, al bobinado del rotor. Ahora conociendo ya las partes de un motor de corriente continua, podemos entrar en materia para entender cómo funciona el circuito equivalente del motor DC. En los motores DC el flujo de campo continuo se puede establecer en los estatores de dos formas: • •. Por medio de Imanes Permanentes manteniendo constante el flujo de campo , sin necesidad de tener una saturación magnética. (Figura 2-2a). O por una excitación del campo enrollado, donde la corriente de alimentación controla el flujo de campo (Figura 2-2b). Figura 2-2a Modificado de [1]. Figura 2-2b tomado de [1] 11.

(12) La interacción del flujo continuo con otras componentes como son el torque electromagnético, la corriente de armadura y la velocidad de rotación del conductor generan la potencia Eléctrica y la potencia mecánica, las cuales se encuentran iguales en condiciones de estado estable, donde podemos decir que si las unidades de la potencia eléctrica son . .. = . .. y la de la potencia mecánica son . ./. . ./. entonces:. Tomado de [1]. (2-1). En la aplicación práctica una fuente controlable de voltaje de entrada es aplicada a la armadura para establecer la corriente de armadura . Por lo tanto la corriente de armadura está determinada por el voltaje inducido, la resistencia de la armadura y la inductancia de la armadura . = + ∗ + ∗ = ∗. . +. . Tomado de [1]. ∗ ! + "# (%) Tomado de [1]. (2-2) (2-3). En la interacción de con el torque de carga, determinando la velocidad del motor, donde J(inercia equivalente) y B (amortiguamiento). De la combinación de carga del motor y ' es el equivalente al torque de trabajo de la carga.. Figura 2-3 Circuito equivalente de un motor DC Tomado de [1] Rara vez las maquinas DC son usadas como generadores, sin embargo los motores DC actúan como generadores cuando están frenando, cuando su velocidad ha sido reducida, por lo tanto se debe considerar esta condición. Asumiendo que el flujo es mantenido constante y el motor esta inicialmente manejando la carga a una velocidad de ! . Para reducir la velocidad del motor, si es reducida por debajo de como se puede ver en la figura 2-3 entonces la corriente ira en dirección contraria, el torque electromagnético también será en dirección opuesta y la energía cinética asociada a la 12.

(13) carga inercial del motor, es ahora convertida en energía eléctrica por la maquina DC, actuando como generador, esta energía de alguna forma debe ser absorbida por o disipada por una resistencia. Durante la operación de frenado la polarización de no ha cambiado, hasta que la dirección de rotación haya cambiado. Un motor DC, puede ser operado en dos direcciones, hacia un lado y hacia el otro, como podemos ver en la figura 2-4 los cuatro cuadrantes en el plano de torque& velocidad.. Figura 2-4 Operación del motor DC en los cuatro cuadrantes modificado [1]. El movimiento giratorio de los motores DC se basa en el empuje derivado de la repulsión y atracción entre polos magnéticos. Creando campos constantes convenientemente orientados estator y rotor, se origina un par de fuerzas que obliga al rotor a girar buscando una la posición de equilibrio. Por esta interacción las maquinas DC pueden ser tomadas de dos formas: como sistemas eléctricos las cuales envuelven los conceptos como corriente y voltaje, o como sistemas mecánicos que abarca los conceptos de Torque y velocidad. Estas dos formas de uso de los sistemas DC, dan lugar a los modos de operación de los motores de DC como generador, cuando el conductor se mueve en un campo magnético, el voltaje es inducido en el conductor. O como maquina cuando el conductor es energizado con. 13.

(14) corriente, y es puesto en un campo magnético, este conductor experimenta una fuerza mecánica, como se puede ver en la figura 2-5. Figura 22-5 convenciones del motor DC Con frecuencia los motores pequeños estas conformados en el interior del estator con imanes permanentes, lo cual hace que éstos mantengan permanentemente magnetizados, produciendo un flujo constante, de igual manera existe otros tipos de motores que ya son so mas aplicables a la industria y pueden ser controlados de una manera más eficiente, manteniendo el embobinado con un campo de excitación por separado, permitiendo ser trabajados a más caballos de Fuerza y a vel velocidades más grandes.. 2.1.3 Conversor Electrónico de Potencia Es importante entender ntender un poco el concepto de uun n conversor electrónico de potencia, potencia el cual tiene la misión de suplir la tensión un motor DC,, debido a que será de mucha utilidad en la parte práctica y en la parte computacional, para el buen entendimiento de este tipo de motores. El conversor electrónico de potencia debe tener las siguientes capacidades: 1. Permitir ermitir ambas, una salida de voltaje y de corriente en reversa con el fin de conseguir una operación en los cuatro cuadrantes. 2. Ser er capaz de operar en un modo de ccorriente orriente controlada manteniéndola en su máximo valor aceptable durante aceleración rápida y desaceleración. 3. Ell voltaje de salida medio del conversor debe variar linealmente con su entrada de control, para obtener un control de posición preciso, independientemente de la carga del motor. 4. El conversor debe producir una corriente de armadura con un buen factor de forma for y debe minimizar las fluctuaciones en torque y velocidad del motor. 5. La salida del conversor debe responder tan rápido como sea posible a su entrada de control. Un amplificador de potencia satisface todos los requerimientos listados anteriormente. Sin embargo, bargo, debido a su baja eficiencia de energía, esta opción está limitada a un rango de potencia muy bajo. Por lo tanto, la escogencia debe ser hecha entre conversores DC-DC de modo de switcheo o conversores controlados de línea línea-frecuencia.. 14.

(15) Un conversores DC-DC de modo de switcheo de puente completo produce una salida DC controlable de cuatro cuadrantes, y es también conocido como Puente H. El sistema completo es mostrado en la figura 2-6, donde la entrada AC de línea-frecuencia es rectificada en DC por medio de un diodo rectificador y filtrada por medio de un capacitor de filtro. Una disipación de energía es incluida en el circuito para prevenir que el voltaje del filtro capacitor se vuelva de gran magnitud en caso de una frenada del motor DC.. Figura 2-6. Controlador servo de motor DC con operación en los cuatro cuadrantes. Tomado de [1] Como los cuatro switches son conmutables durante cada ciclo, esto garantiza la operación en los cuatro cuadrantes con conducción de corriente Continua. En un esquema como éste de switcheo de voltaje, de un PWM bipolar, o uno de un PWM unipolar pueden ser utilizados. Existen otros conceptos importantes que pueden ser profundizados en el Mohan[1] y en P.C.Sen[4] como son el Factor de forma para la corriente de la armadura del motor el cual nos ayuda a determinar que tantas perdidas existen en la operación del motor y como es la eficiencia del mismo. Los efectos de la forma de onda de corriente en la armadura lo cual explica el ripple superpuesto en el voltaje deseado. A demás de los controladores de servo DC los controladores de velocidad ajustable. Para terminar la parte teórica de los motores DC es importante mencionar que las posibilidades de usar motores de corriente continua se han multiplicado, sobre todo en procesos en los que el control y variación de la velocidad resulta imprescindible para el funcionamiento de las maquinas. En la práctica se usan diversos tipos de motores como entre otros los siguientes: • • • •. Motor de excitación independiente Motor de excitación serie Motor de excitación derivación (shunt) Motor de excitación compuesta(compound) 15.

(16) • • •. Motor Universal Motor de imanes (paso a paso) Motores Especiales. Por último se explicara algunas formas de conexión con sus respectivos diagramas y sus principales características, para pasar a la parte computacional.. 2.1.4 Variadores de Velocidad La importancia de los motores de corriente continua viene dada principalmente por la posibilidad que tienen de variar su velocidad, conservando otras particularidades del motor, como es por ejemplo el par. El variador electrónico de velocidad permite el control y regulación del motor, llevando el eje del motor a los valores deseados a partir de una dinamo taco métrica incorporada al eje del motor. El problema principal de los motores de corriente continua viene dado por su costo, en el momento de hacer la inversión y por otro lado su necesidad de mantenimiento en lo que a escobillas y colector se refiere. Los motores de corriente continua sin escobillas de tipo brushless han solucionado el mayor problema que se daba en los motores de c.c.. 2.1.4.1. Motor con excitación Serie. Características Principales: • Par de arranque muy elevado. • Muy inestable. Tendencia a embalarse. • Imprescindible reóstato de arranque. • Utilizado en tracción eléctrica. Los esquemas representados corresponden a las conexiones para que el motor suministre los dos giros (izquierda y derecha) que tiene el motor.. Figura 2-7 Motor con excitación Serie tomado de [5] 2.1.4.2. Motor con excitación Independiente. Características Principales: • Par de arranque muy elevado. 16.

(17) • • • • •. Características muy similares al motor derivación (shunt) Motor bastante estable. Fácil control de su velocidad, de forma automática. Imprescindible reóstato de arranque. Utilizado en motores de pequeña, media y gran potencia.. Figura 2-8 Motor con excitación Independiente tomado de [5] 2.1.4.3. Motor con excitación Shunt. Características Principales: • Par de arranque menos elevado que el motor serie • Motor muy estable. • Conviene colocar un reóstato de arranque en el bobinado inducido. • Utilizado en máquinas herramienta por su estabilidad.. Figura 2-9 Motor con excitación Shunt tomado de [5] 2.1.4.4. Motor con excitación Compound (Corta Derivación). Características Principales: • Buen par de arranque. Mejor que el motor shunt • Motor muy estable. No se embala • Precisa reóstato de arranque • Utilizado en máquinas herramienta y en tracción.. 17.

(18) Figura 2-10 Motor con excitación Compound (Corta Derivación tomado de [5]. 2.1.4.5. Motor con Excitación Compound (larga derivación). Otra variante de la conexión compound de un motor. En este caso, el devanado derivación CO, está conectado directamente a la red, mientras que en la conexión anterior el devanado derivación está conectado al polo negativo entre el devanado serie y el polo de conmutación. La intensidad que pasa por ,EF repercutirá en la tensión a que esté sometido el devanado CO y por tanto el flujo producido. Figura 2-11 MOTOR CON EXCITACION COMPOUND Tomado de [5]. 18.

(19) 2.2 Parte Computacional 2.2.1 Guía Para Práctica Computacional Variador de Velocidad Motor DC: Nota: Para la realización de la práctica es necesario tener instalado el software PSCAD. Las graficas a continuación en la parte computacional son tomadas del programa PSCAD 1. Monte el circuito mostrado en la figura 2-12. Figura 2-12 Esquemático a. Configure el Motor DC de dos bobinados como se muestra a continuación. De doble clic sobre el icono del motor y configure los parámetros que se muestran a continuación: Voltaje Armadura = 100V, I Armadura = 20A, I Armadura = 2A.. 19.

(20) a. Las Fuentes DC mostradas se deben configurar con los siguientes parámetros.. 20.

(21) Fuente de Voltaje de Excitación = 50V Fuente de Voltaje de Armadura = 130V b. Monte el circuito de control como se muestra a continuación:. c. configure los parámetros de la señal triangular como se muestran a continuación:. d. la variable speed ref, se define entre -1 y 1, el comparador se debe definir como comparador de nivel para obtener el PWM 2. Simule el circuito anterior y grafique las corrientes de armadura y de campo, los voltajes de armadura y de campo, las señales de control para los valores de: - 0 % = -1 - 25% = -0.5 - 50% = 0 - 75% = 0.5 - 100% = 1. 21.

(22) 3. calcule y compare los valores obtenidos del voltaje promedio entregado al motor por medio del PWM. 4. Explique brevemente el principio de funcionamiento del control PWM.. 2.2.2 Resultados de la parte computacional La Figura 2-13 muestra las señales del sistema de control del Puente H formado por los IGBT’s de control. El principio de control se basa en generar un PWM para variar el voltaje promedio que es entregado al motor, variando de esta manera el voltaje de armadura y por consiguiente su velocidad. Se genera una señal triangular con una frecuencia de 1000 Hz y amplitud de 1 Vpp. Igualmente una señal de referencia DC que varía entre 1 y -1, en donde 1 representa el 100%, 0 el 50% y -1 el 0%. Esto permite variar la velocidad del motor en un sentido de giro entre el 0% máxima velocidad, 50% motor detenido y 100% máxima velocidad en sentido opuesto.. Figura 2-13 Señal de control de los IGBT’s La Figura 2-14, muestra el control selector del factor de trabajo deseado, este caso el 25%.. Figura 2-14 Para Factor de trabajo 25% = -0.49. La Figura 2-15 muestra las señales de control para un factor de trabajo del 25%.. 22.

(23) Figura 2-15 Onda triangular manejada por el factor de trabajo al 25% En la Figura 2-16 se pueden observar el voltaje modulado en la armadura del motor y el voltaje promedio de salida variador de velocidad DC cuatro cuadrantes. En este caso el motor se encontrara girando en un sentido de giro a media velocidad.. Figura 2-16 voltaje promedio del motor La Figura 2-17, muestra el control selector del factor de trabajo deseado, este caso el 50%.. Figura 2-17.Para Factor de trabajo 50% = -0.01 23.

(24) La Figura 2-18 muestra las señales de control para un factor de trabajo del 50%.. Figura 2-18 Onda triangular manejada por el factor de trabajo al 50% Como se puede ver cuando el factor de trabajo está al 50% de operación el voltaje promedio de operación es casi cero, por lo tanto el motor permanece quieto, como se puede ver en las figuras 2-18 y 2-19.. Figura 2-19 voltaje promedio del motor. La Figura 2-20, muestra el control selector del factor de trabajo deseado, este caso el 75%.. 24.

(25) Figura 2-20 Para Factor de trabajo 75% = 0.49 La Figura 2-21 muestra las señales de control para un factor de trabajo del 75%.. Figura 2-21 Onda triangular manejada por el factor de trabajo al 75% En la Figura 2-22 se pueden observar el voltaje modulado en la armadura del motor y el voltaje promedio de salida variador de velocidad DC cuatro cuadrantes. En este caso el motor se encontrara girando en el sentido de giro contrario al 25% y a media velocidad. Figura 2-22 voltaje promedio del motor 25.

(26) 2.3 Práctica del Laboratorio. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES INGENIERÍA ELÉCTRICA. ELECTRONICA DE POTENCIA. VARIADOR DE VELOCIDAD PARA UN MOTOR DC Elaborada por: Ing. Andrés Camilo Morales Palacios. 26.

(27) UNIVERSIDAD DE LOS ANDES ELECTRONICA DE POTENCIA. Elaborada por: Ingeniero Andrés Camilo Morales Palacios Basado en las Guías LUCAS NULLE. Laboratorio No 001: VARIADOR DE VELOCIDAD PARA UN MOTOR DC A. Introducción teórica. Fundamentos de los convertidores PWM Los convertidores estáticos de conmutación forzada se utilizan como reguladores de corriente continua y como rectificadores en etapas intermedias de circuitos. Las áreas de aplicación más importantes se encuentran en los accionamientos de corriente continua y trifásica, así en las instalaciones de alimentación de corriente de emergencia. Los convertidores de conmutación forzada constan de válvulas conmutables. Su principal característica es que se pueden conectar o desconectar en cualquier momento. De esta manera, por medio de pulsos de la tensión continua U, se puede regular el valor medio de tensión continua Um2 en función de la carga (véase la imagen).. Figura 1 Curva de Tensión y de Corriente con carga Resistiva- inductiva Tomado de [7] 27.

(28) Para la implementación práctica de los circuitos se combinan en especial los siguientes componentes: • Transistores de efecto de campo (MOSFET) • IGBT ( Insulated Gate Bipolar Transistor) • GTO (Gate Turn Off, tiristores conmutables) • Diodos de potencia. La conversión de corriente continua y de corriente alterna es una aplicación típica de los convertidores de conmutación forzada (véase la imagen).. Figura 2 Tipos Básicos de Convertidores Tomado de [7] Aquí es posible transferir energía entre dos sistemas de corriente continua o disponer de un sistema de corriente alterna o trifásica a partir de un sistema de corriente continua. Son aquí típicos los troceadores (choppers) de corriente continua diseñados como 1 IGBT (véase la imagen Fig.3) o con 4 IGBTs (véase la imagen Fig.4). Estos forman, por ejemplo, la sección de potencia para el montaje de lazos abiertos y cerrados de accionamientos de corriente continua y cumplen con las tareas del convertidor de corriente continua, esto es, la conversión de sistemas de tensión continua fija en sistemas de tensión continua variable. Para variar la tensión continua se aplican distintos procedimientos de control:. 28.

(29) Figura 3 Regulador de Pulsos de 1 Cuadrante (IGBT Simple) Tomado de [7]. Figura 4 Regulador de Pulsos de 4 Cuadrantes (IGBT cuádruple) Tomado de [7]. • Modulación por ancho de pulso (periodo del pulso T constante y ancho del pulso TE variable) • Control de la frecuencia de pulsos (ancho TE constante, frecuencia y periodo T variable) • Control de corriente en dos puntos (se mantiene constante el ancho de oscilación de corriente) El control de la mayoría de los convertidores modernos es el de modulación por ancho de pulso (PWM), ya que permite generar fácilmente distintos patrones de pulsos. La tensión en el circuito de carga se calcula por medio de las siguientes ecuaciones, de acuerdo con la imagen de la figura 1:. 29.

(30) Es característico que en las cargas combinadas las corrientes estén expresadas por funciones exponenciales crecientes o decrecientes. Cuando la señal ha sido suficientemente alisada, o si se tienen altas frecuencias de pulsos, las corrientes se comportan como ondas triangulares (Fig. 2).. El circuito IGBT cuádruple (Fig. 4) permite la inversión de tensión y corriente, así como el flujo de energía en los dos sentidos. De esta manera se posibilita la inversión de la marcha.. Si el convertidor no tiene pérdidas, la potencia entregada por la fuente y consumida por la carga supone una pérdida igual a:. La estructura del circuito del convertidor de conmutación forzada presentado en la Fig. 4 no sólo permite realizar la conversión de corriente continua, sino que también puede ser utilizada como circuito inversor.. 30.

(31) Los siguientes tipos de operación de los circuitos reguladores de corriente continua son de básica importancia y sus propiedades se pueden estudiar a partir del IGBT y los diodos que los componen.. Operación en cuadrante único con un motor como carga. En el primer cuadrante, el regulador permite la excitación del motor, a través de la válvula V1, con tensión y corriente de sentido positivo. El sentido de giro es positivo. En el estado de bloqueo, la marcha libre se realiza a través de D2. No es posible una realimentación de energía.. Figura 5 Troceador de continua de operación en cuadrante único con un motor como carga Tomado de [7]. Operación en dos cuadrantes con un motor como carga La excitación del motor en el primer cuadrante (velocidad de giro positiva) se realiza a través de la combinación de las válvulas V2 y V3 (Fig.6). Cambiando el sentido (válvulas D3, V1 y D2, V4) puede aprovecharse el efecto de acumulación de energía de la bobina para efectuar una realimentación de energía a través de D3 y D2. El sentido de giro permanece positivo (tensión positiva).. 31.

(32) Figura 6 Troceador de continua de operación en dos cuadrantes con un motor como carga Tomado de [7] Operación en cuatro cuadrantes con un motor como carga La excitación del motor en el primer cuadrante (velocidad de giro positiva) se realiza a través de la combinación de las válvulas V2 y V3. Cambiando el sentido (válvulas D3, V1 y D2, V4) puede aprovecharse el efecto de acumulación de energía de la bobina para efectuar una realimentación de energía a través de D3 y D2. El sentido de giro permanece positivo (tensión positiva). La inversión del sentido de giro se efectúa a través de las válvulas V4 y V1 (tercer cuadrante). El cambio de sentido (válvulas V3, D1 y V2, D4) permite la realimentación de energía a través de D1 y D4 con una velocidad de giro negativa. Aquí también juega un papel importante el efecto de acumulación de energía de la bobina.. Figura7 Troceador de continua de operación en cuatro cuadrantes con un motor como carga Tomado de [7] 32.

(33) B. Realización del ensayo Actividades: 1. Monte el circuito según el esquema presente (Fig. 9) y realice el cableado de los equipos. Nota: El modo de operación del troceador con modulación por ancho de pulso (PWM) puede ser analizado y entendido de forma clara y cercana a la práctica mediante el software PWMTRAIN. ¡El experimento se realiza con el sistema funcionando en lazo abierto! Los análisis para el registro de la característica se realizarán, según el diagrama de circuito, como experimento especial, usando la unidad de control analógica. Coloque el selector del modo de operación de la unidad de control en la posición PWM Control H.F. (1800 Hz). Nota: Trabaje con los preajustes siguientes de los rangos de medición: Deberá configurar el amplificador diferencial de medida con los siguientes parámetros: Tabla 1. Selección del amplificador diferencial. Tensión de Salida (A). 400 Voltios. Corriente de Salida (D). 2,5 Amperios. Shunt 1. 8 Ohmios. Shunt 2. 1,5 Ohmios. Nota: También es posible realizar las prácticas sin utilizar el ordenador, seleccionando los modos de funcionamiento PWM CONTROL LF. o PWM CONTROL HF. La representación de tensiones, corrientes, valores medios o eficaces, potencias, etc. no es posible en estos modos de funcionamiento. Para representar las curvas en el osciloscopio deberá ajustar los siguientes parámetros: CH 1: 1V/DIV, CH 2: 0,2V/DIV, Time: 1ms/DIV, Trigger: HF •. Cargue el conversor de cuatro cuadrantes con el motor DC. Con el software PWMTRAIN registre y analice las señales de las válvulas del variador de velocidad, de la corriente y el voltaje en la entrada al hacer variaciones en el Factor de Trabajo % (variación de la velocidad), tal como se muestra en la figura 8.. 33.

(34) Fig.8 Conducción de las válvulas y Corrientes y Voltajes del Motor DC Tomado de [7]. Obtenga las curvas de tensión y corriente con un factor de trabajo del 75% En la tabla de datos, marque para cada etapa, las válvulas activas, el signo de la corriente y de la tensión y determine las fases en las que conducen los diodos volantes (FL).. •. Registre los datos para los siguientes valores de % 5, 25, 50, 75 y 95.. 34.

(35) 2. Monte el circuito según el esquema presente (Fig. 10 y realice el cableado de los equipos. Realice las siguientes mediciones utilizando el software PWM.. ¡El experimento se realiza con el sistema funcionando en lazo abierto! Los análisis para el registro de la característica se realizarán, según el diagrama de circuito, como experimento especial, usando la unidad de control analógica. Coloque el selector del modo de operación de la unidad de control en la posición PWM Control H.F. (1800 Hz). Nota: Trabaje con los pre ajustes siguientes de los rangos de medición: Deberá configurar el amplificador diferencial de medida con los siguientes parámetros:. Tabla 2. Selección del amplificador diferencial. Tensión de Salida (A). 400 Voltios. Corriente de Salida (D). 2,5 Amperios. Shunt 1. 8 Ohmios. Shunt 2. 1,5 Ohmios. Nota: También es posible realizar las prácticas sin utilizar el ordenador, seleccionando los modos de funcionamiento PWM CONTROL LF. o PWM CONTROL HF. La representación de tensiones, corrientes, valores medios o eficaces, potencias, etc. no es posible en estos modos de funcionamiento. Para representar las curvas en el osciloscopio deberá ajustar los siguientes parámetros: CH 1: 1V/DIV, CH 2: 0,2V/DIV, Time: 1ms/DIV, Trigger: HF 35.

(36) •. Cargue el conversor de cuatro cuadrantes con el motor DC. Con el software PWM registre y analice las señales de corriente y voltaje en la entrada al hacer variaciones en Factor de Trabajo % (variación de la velocidad), tal como se muestra en la figura 9.. Fig.9 Corrientes y Voltajes Control Motor DC Tomado de [7]. •. Registre los datos para los siguientes valores de % 5, 25, 50, 75 y 95.. •. Registro de la característica de control:. Se debe iniciar el registro de la característica antes de la primera operación con carga, con el transformador desconectado. El LED verde del interruptor RUN/STOP debe iluminarse. Encienda todos los equipos e inicie el registro automático de la función xy. Una vez que el motor haya arrancado, debe girar con una velocidad completamente negativa si se ha 36.

(37) elegido correctamente el valor inicial de -100%. En este caso, la unidad de control recibe una tensión de control de 0 V. Luego de iniciada la medición, la tensión de control aumenta automáticamente de (0%) a (50%), hasta alcanzar el (100%) ¡Registre la característica de control n = f ( y)! , en la figura 10.. Fig.10 característica de control n = f ( y). CONCLUSIONES: Registre en un párrafo sus principales conclusiones. 37.

(38) Fig. 11 Diagrama de conexiones para análisis de las curvas de corriente y tensión, en operación en cuatro cuadrantes. Tomado de [7]. 38.

(39) 3. Manejo de Motores de Inducción 3.1 Parte Teórica 3.1.1 Introducción Los motores de inducción con rotores de tipo “jaula de ardilla”, son los más utilizados en la industria debido a su bajo costo y fuerte consistencia. Cuando un motor de inducción es operado directamente desde la línea de voltajes (60 Hz de ciclo útil de entrada a voltaje constante), éste opera a velocidad casi constante. Sin embargo, con el uso de conversores electrónicos de potencia, es posible variar la velocidad de un motor de inducción. Los controladores de motores de inducción pueden ser clasificados en dos grandes categorías basadas en sus aplicaciones: 1. Controladores de Velocidad Ajustable: Una aplicación importante de estos controladores se encuentra en el proceso de control: realizan control sobre la velocidad de ventiladores, compresores, bombas, calefactores, entre otros. 2. Servo controladores: Con el fin de realizar controladores sofisticados, los motores de inducción pueden ser utilizados como servo controladores en periféricos de computadores, herramientas de máquinas y robótica. A continuación se hará énfasis en el comportamiento de los motores de inducción y sobre cómo es posible controlar su velocidad cuando las dinámicas del control de la velocidad deben ser muy rápidas y precisas. Este es el caso de muchas aplicaciones de control de procesos donde los controladores de los motores de inducción son empleados. Como un beneficio adicional, el uso de dichos controladores genera un ahorro de energía. Si se considera un ejemplo simple de un motor de inducción, que controla una bomba centrífuga, donde el motor y la bomba operan a una velocidad casi constante. Con el fin de reducir la tasa de flujo, la válvula reguladora es parcialmente cerrada. Esto genera una pérdida de energía a través de dicha válvula. La pérdida de energía podría ser evitada si la válvula fuera eliminada y la bomba fuera controlada para operar a una velocidad que generara la tasa de flujo deseada. De esta manera la entrada de potencia disminuye significativamente cuando la velocidad disminuye para reducir la tasa de flujo. Esta disminución en el requerimiento de potencia puede ser calculada si se reconoce que en una bomba centrífuga, Si las eficiencias de energía del motor y de la bomba pueden ser asumidas como constantes, así como su velocidad y sus cambios de carga, entonces la entrada de potencia requerida por el motor de inducción también variará como el cubo de la velocidad. De este modo, en comparación con una válvula reguladora que controle la tasa de flujo, la bomba controlada a velocidades variables puede generar un ahorro de energía significativo, ya que reduce las tasas de flujo a las requeridas por largos períodos de 39.

(40) tiempo. Adicionalmente, los sistemas de bombas son diseñados regularmente para generar un margen de flujo de 20-30% sobre los valores máximos de su flujo actual. Por lo tanto, una bomba de velocidad ajustable puede generar un sustancial ahorro de energía. Esta conclusión es válida sólo si es posible ajustar la velocidad del motor de una manera energética eficiente, ya que la eficiencia de la energía asociada con los inversores de electrónica de potencia utilizados para controlar las velocidades de los motores de inducción, es alta sobre amplios rangos de velocidades y cargas. Contrariamente a las máquinas síncronas empleadas normalmente como generadores, las máquinas asíncronas han encontrado su principal aplicación como motores, debido a la sencillez de su construcción. El motor asíncrono trifásico es hoy el motor usual de accionamiento en todas las redes de distribución. Un detalle importante relacionado con la variante de motor, es que la transmisión de energía al rotor se puede resolver por inducción, como en un transformador, sin necesidad de entablar contacto físico entre éste y su entorno inmóvil. Esta es la razón por la que a estos motores se les llama también de inducción. El fundamento del movimiento en las máquinas de corriente alterna son los campos magnéticos circulares. Si conectamos un juego de bobinas como a una fuente de corriente alterna trifásica, en el entrehierro se formará un campo magnético giratorio, y si ponemos una pieza imantada como rotor, ésta girará con él. La manera de generar el campo magnético del rotor marca la gran diferencia entre dos tipos: El Síncrono y el Asíncrono.. 3.1.2 Principios básicos de la operación de un motor de inducción En muchas aplicaciones, los controladores de los motores de inducción incorporan un motor de jaula de ardilla trifásico. El estator de un motor de inducción consta de embobinados trifásicos distribuidos en las ranuras del estator. Estos tres embobinados están desplazados por 120 grados en espacio, con respecto a cada una. El rotor de jaula de ardilla consta de un conjunto de láminas aisladas. Éste tiene barras conductoras eléctricamente insertadas a través de sí mismo, cerradas a la periferia en la dirección axial, las cuales son eléctricamente cortadas en cada extremo del rotor por medio de anillos finales, produciendo así una estructura con forma de jaula. Esto ilustra también la naturaleza simple, de bajo costo, y fuerte del rotor.. 40.

(41) El objetivo del análisis siguiente es explicar tan simple como sea posible la interacción entre el motor de inducción y el conversor de electrónica de potencia. Así, los detalles de proporcionalidades entre varias variables del motor son: expresadas como () (donde el subíndice * es asignado a valores numéricos arbitrarios). Adicionalmente, se asume que el motor opera sin ninguna saturación magnética. Si un set balanceado de voltajes sinusoidales trifásicos a una frecuencia + = !/2- son aplicados al estator, se produce un set de corrientes balanceadas, las cuales establecen una distribución de densidad de flujo . en el espacio de aire, con amplitud constante, la cual rota con una velocidad constante, también conocida como velocidad síncrona, de ! radianes por segundo. La velocidad síncrona en un motor de p-polos, al cual se le suministra una frecuencia +, puede ser obtenida como: ! =. /0/(1//) 2/. /. /. = (2-+) = ! 3 1. 1. . 4. (3 − 1) Tomado de [1]. La cual es sincronizada con la frecuencia + de los voltajes y las corrientes aplicados a los embobinados del estator. En términos de revoluciones por minuto (rpm), la velocidad síncrona es: <. 8 = 60 × /0= =. 2/> 1. +. (3 − 2) Tomado de [1]. El flujo del espacio de aire ∅. (debido a la distribución de densidad de flujo . ), rota a una velocidad síncrona relativa a los embobinados estacionarios del estator. Como una consecuencia, una fuerza electromagnética, también conocida como el voltaje de espacio de aire @. , es inducida en cada una de las fases del estator a una frecuencia +. Esto se puede ilustrar más fácilmente por medio del circuito equivalente por fases que se muestra en la figura 3-1.a. donde A es el voltaje por fase (igual al voltaje rms línea-línea B'' dividido entre √3) y D. es el voltaje de espacio de aire. Aquí es la resistencia del embobinado del estator y es la inductancia de fuga en el embobinado del estator. El componente magnetizador E de la corriente del estator E establece el flujo del espacio de aire. Según el análisis de circuitos, se puede ver que: F ∅. = . (3 − 3) Tomado de [1]. Donde F es un número equivalente de vueltas por fase del embobinado del estator y es la inductancia de magnetización mostrada en la figura 3-1.a. De la ley de Faraday se tiene que: 41.

(42) . = F !∅. cos !% (3 − 4) Tomado de [1] El cual tiene un valor rms de @. = (K +∅.. (3 − 5) Tomado de [1]. Donde (K es una constante.. Figura 3-1. Representación por fase: a) Circuito equivalente; b) Diagrama fasorial.. El torque en un motor de inducción es producido por la interacción entre el flujo del espacio de aire y las corrientes del rotor. Si el rotor gira a una velocidad síncrona, no habrá movimiento relativo entre ∅. y el rotor, y por lo tanto no habrán voltajes de rotor inducidos, corrientes de rotor, ni torques. En cualquier otra velocidad ! del rotor en la misma dirección de la rotación del flujo del espacio de aire, el motor se encuentra “deslizamiento” con respecto al flujo del espacio de aire, en una velocidad relativa denominada !# , donde: !# = ! − !. (3 − 6) Tomado de [1]. La velocidad de deslizamiento, normalizada por la velocidad síncrona, es llamada la “deslizamiento” M: NMOPQR8%S M =. T#UV W#X YU T#UV íYVUY. =. <= [<\ <=. (3 − 7) Tomado de [1]. La magnitud de @, de este voltaje de frecuencia de deslizamiento que es inducido en cualquiera de los conductores del rotor, puede ser obtenido de una manera similar a los voltajes inducidos en las fases del estator. El mismo flujo del espacio de aire ∅. une los conductores del rotor, como aquel que une los embobinados del estator. Sin embargo, la distribución de densidad del flujo en el espacio de aire, rota a una velocidad de deslizamiento !# con respecto a los conductores del rotor. Por lo tanto, la fuerza electromagnética inducida @ en los conductores del rotor puede ser obtenida reemplazando 42.

(43) + por la frecuencia de deslizamiento +# . Asumiendo la representación del rotor de jaula de ardilla como un embobinado corto circuitado en las tres fases. Como el embobinado del rotor de jaula de ardilla está corto circuitado por los anillos finales, estos voltajes inducidos a una frecuencia de deslizamiento conllevan a corrientes de rotor ^ a la frecuencia de deslizamiento +# : D = E + *2-+# # E. (3 − 8) Tomado de [1]. Donde y # son la resistencia y la inductancia de fuga del embobinado del rotor equivalente por fase. Las corrientes del rotor de frecuencia de deslizamiento producen una campo que rota a una velocidad de deslizamiento con respecto al rotor y, por lo tanto, a una velocidad síncrona con respecto al estator (debido a que !# + ! = ! ). La interacción de ∅. y el campo producido por las corrientes del rotor, generan un torque electromagnético. Las pérdidas en la resistencia del embobinado del rotor son: ` = 3 ^/. (3 − 9) Tomado de [1]. La potencia que cruza el espacio de aire, llamada la potencia del espacio de aire `. es: . `. = 3 ^/. (3 − 10) Tomado de [1]. =b. La potencia electromecánica ` se calcula como: ` = `. − ` = 3. [=b / ^ =b. c =. def <\. (3 − 11) Modificado de [1]. Por tanto : =. dgh <=. (3 − 12) Tomado de [1]. En el circuito equivalente de la figura 3-1a, son mostradas las pérdidas en la resistencia del rotor y la potencia electromecánica por fase. La corriente total E producida por el estator es la suma de la corriente de magnetización E y la corriente del rotor equivalente E (E es la componente de la corriente del estator que cancela las vueltas amperimétricas producidas por la corriente de rotor actual): E = E + E. (3 − 13) Tomado de [1]. El diagrama fasorial para los voltajes y corrientes del estator se muestra en la figura 3-1b.. 43.

(44) Por último la relación de la pérdida de potencia en el rotor con la potencia de salida electromecánica ` es d. %` = d \ = ef. =b. [=b. (3 − 14) Tomado de [1]. Es posible derivar importantes observaciones de las relaciones obtenidas anteriormente: 1. La velocidad síncrona puede ser variada si la frecuencia + de los voltajes aplicados varía. 2. Excepto para bajos valores de frecuencia. El porcentaje de pérdida de potencia en la resistencia del motor es pequeña, dado que +# es pequeña. Por lo tanto, en estado estable, la frecuencia de deslizamiento +# no debe exceder su tasa nominal (correspondiente a la operación del motor en las condiciones nominales listadas en su placa de especificaciones). 3. Para una +# pequeña, excepto para valores bajos de +, el deslizamiento M es pequeño y la velocidad del motor varía casi linealmente con la frecuencia + de los voltajes aplicados. 4. Para que la capacidad del torque sea igual al torque nominal en cualquier frecuencia, ∅. debe ser mantenido constante e igual a su valor nominal. Esto requiere que B varíe proporcionalmente con +. 5. Como ^ es proporcional a +# , para restringir la corriente del motor ^ de exceder su valor nominal, la frecuencia de deslizamiento en estado estable +# no debe exceder su valor nominal. De acuerdo con las observaciones anteriores, es posible concluir que la velocidad del motor puede ser variada, controlando la frecuencia aplicada +, y el flujo del espacio de aire debe ser mantenido constante en su valor nominal, controlando la magnitud de los voltajes aplicados en proporción a +. Si un motor de inducción es controlado de ésta manera, entonces será capaz de entregar su torque nominal mientras +# , ^ , ^ , y las pérdidas porcentuales en el circuito del rotor, todos permanecen dentro de sus respectivos valores nominales. Después de haber entendido un poco del principio de los motores asíncronos, es mejor ver la aplicación en la parte computacional y la parte práctica del laboratorio para poder lograr mejor su entendimiento, de igual manera se recomienda referirse al material de consulta para profundizar más sobre el tema, referirse al Mohan [1] al libro de Chester [3] donde se encuentran explicados a la minucia los sistemas de control aplicados a este tipo de motores.. 44.

(45) 3.2. Parte computacional 3.2.1 Guía Para Práctica Computacional Velocidad Motor Asíncrono AC:. Variador. de. Nota: Para la realización de la práctica es necesario tener instalado el software PSCAD. Las graficas a continuación en la parte computacional son tomadas del programa PSCAD 1. Monte el circuito mostrado en la figura 001.. Figura 001 Diagrama a. Configure el Motor Asíncrono AC Jaula de Ardilla como se muestra a continuación. De doble clic sobre el icono del motor y configure los parámetros que se muestran a continuación: Voltaje LL rms = 0.230 kV, I rms = 0.88 kA, Frecuencia angular (2*pi*f) = 376.991118 [rad/s].. 45.

(46) e. La Fuente AC mostrada y el transformador se deben configurar con los siguientes parámetros.. 46.

(47) Fuente de Voltaje de AC trifásica = 11 kV / 60Hz Relación de Voltajes del Transformador = 11 kV/ 0.440 kV. f. Monte el circuito de control como se muestra a continuación:. 47.

(48) g. Configure los parámetros de la señal seno y la señal triangular como se muestran a continuación:. 2. Simule el circuito anterior y grafique las corrientes de entrada de la fuente AC y de salida al motor, los voltajes de la fuente AC, DC del rectificador y de las fases A, B y C del inversor, las señales de control y de PWM para cada uno de los IGBT’s. 3. Obtenga el THD de Corriente y de Voltaje en la entrada de la fuente AC. 48.

(49) 4. Explique brevemente el principio de funcionamiento del control PWM.. 3.2.2 Resultados de la parte computacional La Figura A muestra las señales del sistema de control del variador de velocidad formado por los IGBT’s. El principio de control se basa en generar un PWM que oscila entre Vd y -Vd y el cual tiene como armónico fundamental una señal senoidal de 60 Hz. Para esto se genera una señal triangular con una frecuencia de 900 Hz y amplitud de 1 Vpp. La frecuencia de 900 Hz se debe al factor de frecuencia mf=15 y un factor de amplitud ma=0.8. Igualmente se genera una señal de control senoidal a 60 Hz y una amplitud de 1Vpp. Las dos señales se comparan y de esta forma se genera un PWM modulado con una frecuencia armónica fundamental senoidal de 60 Hz.. Figura A. Control de los IGBT’s 49.

(50) La Figura B muestra las señales del rectificador AC/DC de 6 pulsos.. Figura B. Señales Rectificador 6 pulsos La fig. C muestra las señales de control: la señal triangular de 900 Hz y la señal senoidal de 60 Hz.. Figura C. Señal de Control La Figura D, corresponde a la señal de PWM del IGBT PWMAP. la cual es negada y inyectada en el IGBT PWMAN.. Figura D. Señal de Control de PWM de IGBT La Figura E muestra la señal AC de 60 Hz obtenida en la salida del inversor AC/DC.. Figura E. Voltaje Fase A Inversor 50.

(51) En la Figura F se observa el voltaje RMS entregado al motor.. Figura F. Voltaje RMS Motor La Figura G corresponde a la correinte en la fase A del motor. Corriente Motor (kA). Figura G. Corriente Motor (kA) La Figura H muestra los datos de potencias del motor (Real y Reactiva), Torque mecánico y de entrada y la velocidad del motor en p.u.. Figura H. Datos del Motor. 51.

(52) 3.3. Parte Práctica del Laboratorio. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES INGENIERÍA ELÉCTRICA. ELECTRONICA DE POTENCIA. VARIADOR DE VELOCIDAD PARA UN MOTOR AC DE INDUCCION. Elaborada por: Ing. Andrés Camilo Morales Palacios. 52.

(53) UNIVERSIDAD DE LOS ANDES ELECTRONICA DE POTENCIA. Elaborada por: Ing. Andrés Camilo Morales Palacios. Laboratorio No 002: VARIADOR DE VELOCIDAD PARA UN MOTOR AC DE INDUCCION A. Introducción El motor asíncrono trifásico con rotor de jaula de ardilla es una máquina que no necesita casi ningún mantenimiento, ya que no consta de partes que hagan contacto con el eje giratorio y puedan desgastarse por rozamiento El accionamiento se produce por un campo de excitación rotatorio que hace girar al rotor con un determinado deslizamiento, el cual determina activamente la velocidad de giro generada. La velocidad de giro del motor asíncrono, con un grado de eficiencia alto, se puede ajustar a través de un convertidor de frecuencia de forma prácticamente independiente de la carga. Gracias a la tecnología actual, el volumen de circuitos eléctricos del convertidor de frecuencia es apenas mayor que el de un variador de potencia trifásico.. ¡En todos los experimentos con alimentación de la red se presentan elevadas tensiones que conllevan peligro de muerte. Por esta razón, siempre se deben emplear únicamente cables de medición de seguridad y observar que nunca se produzcan cortocircuitos! Compruebe el cableado en los módulos de aplicación antes de conectar la alimentación de la red. Si es posible, utilice un instrumento de control robusto (analógico) en el circuito de corriente.. 53.

(54) B. Objetivos del ensayo El estudiante deberá: • • • •. Cablear correctamente el accionamiento Poner a funcionar el convertidor de frecuencia Estudiar la tensión de salida en diferentes modos operativos Conocer la característica U/f (Voltaje/Frecuencia). C. Tareas: • • • •. Montaje del accionamiento de acuerdo con el diagrama de circuito Configuración del programa de entrenamiento y medición FC-Train Funcionamiento del convertidor de frecuencia en los modos denominados por bloque y sinusoidal Variación de la característica de control para una potencia de salida constante. D. Puesta en servicio: El cableado del motor se encuentra conectado en triángulo. Las curvas características del motor asíncrono de Éstas representan diferentes magnitudes de medida en función de la velocidad de giro del motor. Con esta finalidad, la velocidad de giro del motor se regula por etapas en el módulo de carga. El programa de entrenamiento “SO6001-1R FC-Train” ilustra el mando del motor a través del convertidor de frecuencia en dos modos de operación diferentes (por bloques o sinusoidal) y sirve para el ajuste de la red artificial de frecuencia y amplitud variables para las mediciones ASMA con frecuencias síncronas diferentes. E. Realización del ensayo Monte el circuito según el esquema de la Fig.1. y realice el cableado de los equipos. Conecte la unidad de control universal mediante el puerto RS-232 con el regulador de de corriente continua a través del PC (Software FC-Train). Nota: También es posible realizar las prácticas sin utilizar el ordenador, seleccionando los modos de funcionamiento PWM CONTROL LF. o PWM CONTROL HF Para representar las curvas en el osciloscopio deberá ajustar los siguientes parámetros: CH 1: 1V/DIV, CH 2: 0,2V/DIV, Time: 1ms/DIV, Trigger: HF 1. Parte 1:. 54.

(55) Cablee el accionamiento según se muestra en la imagen de la figura 1, y emplee amperímetro analógico SO5127-1L como instrumento de control.. Fig. 1. Diagrama de conexiones para análisis de las curvas de corriente y tensión del inversor DC/AC trifásico.. Tomado de [7] 55.

(56) El programa "FC-Train" ilustra el principio de trabajo de un convertidor de frecuencia como mando de un motor asíncrono. Un esquema de conexiones situado en la mitad derecha de la pantalla muestra el sistema de interruptores del convertidor. El color de un interruptor indica su estado de conexión: de color: conectado, negro: desconectado. En la mitad izquierda están indicadas las tensiones suministradas U1, U2 y U3 que corresponden a las fases de salida L1, L2 y L3 a lo largo de un periodo, debajo se encuentran las tensiones entre fases resultantes (en conexión triángulo) U12, U23 y U31 En este diagrama de tiempo-tensión puede seleccionarse un momento determinado, y con ayuda del ratón puede insertarse una línea vertical que muestre claramente el estado de conexión en dicho momento. (¡La representación en la mitad izquierda de la pantalla requiere por lo menos una resolución de 800x600!). Las frecuencias de operación para el mando del convertidor de IGBTs, con panel distribuidor, están predeterminadas en el sistema como frecuencias fijas de la secuencia 50 Hz / n (n = 1,2,3...,13). Éstas se pueden ajustar en el indicador "f/Hz" que se encuentra en la parte superior de la ventana. A la derecha del indicador de frecuencia se encuentra el interruptor on/off del convertidor de frecuencia. El motor conectado está dimensionado para un funcionamiento con 50 Hz. Los datos operativos teóricos permiten aprovechar por completo la densidad de flujo del hierro. Si se reduce la frecuencia de operación, se debe reducir en igual medida la tensión de salida del convertidor para alcanzar la misma densidad de flujo en el hierro. Básicamente, de esta regulación resulta una relación lineal entre la tensión de salida y la frecuencia generada. En el caso ideal, con una frecuencia cero se debería tener también una tensión cero. Para compensar las pérdidas en el devanado de la máquina, con 0 Hz (motor parado) queda una tensión residual que en "FC-Train", de manera estándar, corresponde a un 10% del flujo total (esto es, 50 Hz) pero que se puede ajustar con el ratón, como todas las amplitudes de las frecuencias generadas. 1.1. Esquema de pulsos del modo de operación por bloques Inicie el programa de entrenamiento "FC-Train". En el diagrama de tiempo del lado izquierdo se representan las curvas de las tensiones de salida que alimentan al motor asíncrono. La ventana de frecuencia debe estar en "50". Seleccione el menú Ver | Esquema del circuitos (estándar al reiniciar el programa). En el menú Ajustes | Predeterminados escoja el modo de operación por bloques. Un bloque está compuesto de varios pulsos de ancho máximo, equivalentes a un bloque continuo. La parte inferior del diagrama de tiempo muestra las tensiones entre fases de la conexión en triángulo.. 56.

(57) Haga un clic con el ratón sobre un lugar cualquiera del campo y compare el estado de los interruptores en el lado derecho, con las tensiones U1, U2 y U3, en el momento seleccionado. Con los dos botones situados en la parte superior derecha de la ventana se puede mover el cursor vertical en pequeños pasos hacia adelante y hacia atrás. Realice el seguimiento de los cambios en el estado de los interruptores del convertidor.. Fig. 2 Esquema del estado del convertidor de frecuencia en modo por bloques Tomado. •. de [7]. Diga qué duración tienen los bloques y qué duración tienen los pulsos individuales de las tensiones de fase U1, U2 y U3:. Duración de los bloques ____________ Duración de los pulsos ____________. •. Por el contrario, los bloques de las tensiones entre fases tienen una duración de:. Duración de los bloques ____________. En el modo de operación por bloques, por cada periodo se puede observar una secuencia de 6 estados de conmutación en el grupo de interruptores del convertidor, los cuales, en el diagrama de tiempo, están limitados por líneas discontinuas verticales. Escriba en la Tabla 1. la secuencia de estados de conmutación de las tensiones de fase como combinaciones de 0 y 1 0: Uk = 0 •. 57.

(58) 1: Uk = Tensión del circuito intermedio (tensión de alimentación de los interruptores del convertidor). Tabla 1. Secuencia de Estados de Conmutación. •. De las 8 posibles combinaciones triples de ceros y unos, dos no se utilizan. ¿Cuáles son y qué significan para las tensiones entre fases?. Las combinaciones faltantes son ____________, lo cual significa que las tensiones entre fase tienen un valor de ____________.. •. Repita la representación del diagrama de tiempo con 25 Hz y diga qué variación se produce en el patrón de pulsos:. •. ¿Qué significa la variación del patrón de pulsos (ciclo de trabajo) para la tensión de salida?. •. Defina el tipo de modulación usada: _____________________________.. 1.2. Control en el modo de operación sinusoidal. 58.

(59) Con 50 Hz, seleccione en el menú Ajustes | Predeterminados el modo de operación sinusoidal, y compare la variación de los pulsos individuales frente al modo de operación por bloques para la misma frecuencia.. Fig. 3 Diagramas de estado en función del tiempo del convertidor de frecuencia en el modo sinusoidal. Tomado de [7] •. Describa como se forman las ondas de forma sinusoidal.. 1.3. Funcionamiento como convertidor: Característica U/f Ajuste la frecuencia a "25 Hz", y retorne al modo de operación en "bloques". En el menú Ver, active la opción Característica U/f, con lo que la parte derecha de la ventana con los interruptores del convertidor quedará reemplazada por la característica U/f.. 59.

(60) Los cuadrados negros que se encuentran sobre la recta corresponden a las frecuencias que se pueden seleccionar y cuyas amplitudes se pueden cambiar con el ratón, desplazando los cuadrados verticalmente. La frecuencia seleccionada en la ventana correspondiente se indicada por medio de una línea vertical.. Fig 4 Característica lineal U/f. Los cuadrados negros se pueden mover con el ratón. Tomado de. [7] •. Dirija el ratón a la marca de la tensión de salida de 25 Hz sobre la característica U/f. Cuando aparezca la doble flecha al lado del cursor, podrá desplazar el cuadrado negro como desee, manteniendo pulsado el botón izquierdo del ratón, hasta que lo suelte.. El ciclo de trabajo prefijado en 25 Hz es aproximadamente de 55% En 25 Hz, cambie la amplitud a "100%" y observe (suelte el botón del ratón) el diagrama de tiempo en la mitad izquierda de la ventana El ciclo de trabajo cambia a aproximadamente a ____________ . Cambie la tensión de salida a "5%" y observe nuevamente el patrón de pulsos. El ciclo de trabajo cambia a aproximadamente a _____________. Regrese la tensión de salida a su valor inicial. Con el desplazamiento punto a punto se puede conseguir cualquier característica curvada.. 60.

(61) La característica puede ser calculada nuevamente como una función lineal para un valor de aumento modificado (Ajustes | Predeterminados | Característica U/f). 2. Parte 2: Cablee el accionamiento según se muestra en la imagen de la figura 4,. Fig. 5. Diagrama de conexiones para análisis del variador de frecuencia Tomado. de [7].. 61.

(62) Indicaciones generales sobre la manipulación de los equipos • • • • •. •. Compruebe la correcta fijación de los tornillos moleteados en la base del motor y del manguito de acoplamiento (power grip) en el eje del motor. Utilice las cubiertas para el eje y el acoplamiento. El funcionamiento demasiado prolongado de las máquinas en condiciones de carga elevada conduce a un notorio calentamiento de las mismas. El caso extremo, es decir, la detención de la máquina, sólo debe producirse por un breve espacio de tiempo. Todas las máquinas están provistas de interruptores térmicos que se activan si se rebasa la temperatura de servicio tolerable. Estos contactos de conmutación tienen salida en la regleta de bornes y siempre deben conectarse a los correspondientes clavijeros de conexión de la fuente de alimentación o de la unidad de control. Todos los valores de medición se registraron con aparatos de medición habituales (en su mayoría de la clase 1,5) con la tensión de red habitual (230/400V +5% -10% 50Hz) y con máquinas de fabricación en serie. Por eso, empíricamente, los valores de medición registrados oscilarán dentro de un margen de tolerancia de +/-15% con respecto al valor de medición indicado. Obsérvese también la norma VDE0530.. 2.1. Determinación de los datos más importantes del Accionamiento Para la correcta parametrización del convertidor de frecuencia, en primer lugar, se deben conocer los datos más importantes del motor y del convertidor de frecuencia. ¿Para qué tensión de entrada máxima ha sido diseñado el convertidor de frecuencia? ¿Qué valor tiene la tensión máxima de salida del convertidor? • . Anote a continuación los datos nominales del motor asíncrono: Potencia nominal ______________W UN conexión estrella ___________V UN conexión triángulo __________V IN conexión estrella ____________A IN conexión triángulo ___________A Cos φ ________________________ Velocidad de giro ______________rpm Frecuencia ___________________Hz Ue= _________________________V Ua= _________________________V. •. Tomando en cuenta los datos anteriores, explique en qué configuración se debe conectar el motor. Delta Estrella 62.