TEMA 5: VARIACIÓN N DE LA VELOCIDAD DE LOS MOTORES ELÉCTRICOS

Transcripción

1 TEA 5: VARIACIÓN N DE LA VELOCIDAD DE LOS OTORES ELÉCTRICOS ACCIONAIENTOS A VELOCIDAD VARIABLE Red Covertidor de potecia otor Carga Equipo de cotrol Cosiga El covertidor estático trasforma la eergía eléctrica para que tega las características deseadas (tesió, corriete, frecuecia). El equipo de cotrol geera las señales de cotrol del covertidor a partir de las cosigas de cotrol del proceso y de las medidas de diversas magitudes (tesió, velocidad, par, ) sumiistradas por los captadores de la etrada y de la salida del covertidor y del árbol del motor.

2 LOS CUATRO CUADRANTES E u accioamieto eléctrico a velocidad variable ua característica importate es el úmero de cuadrates del plao par-velocidad e los que el motor puede fucioar. 4 El cojuto covertidor-motor puede ser de cuadrate (cuadrate ), de cuadrates (cuadrates y, a veces y 4) o de 4 cuadrates.. 3 : La máquia fucioa como motor que gira e setido directo. : La máquia fucioa como geerador (freado por recuperació de eergía) y gira e setido directo. 3: La máquia fucioa como motor que gira e setido iverso. 4: La máquia fucioa como geerador (freado por recuperació eergía) y gira e setido iverso. 3 VARIACIÓN N DE VELOCIDAD DE LOS OTORES ASÍNCRONOS TRIFÁSICOS Velocidad de giro del motor de iducció 60 f = s( s) = ( s) p ÉTODOS DE VARIACIÓN DE LA VELOCIDAD étodos basados e la variació del deslizamieto del rotor (s) por modificació de la curva par-velocidad del motor pero mateiedo la misma velocidad de sicroismo: - Variació de la tesió de alimetació - Variació de la resistecia rotórica (motores de aillos rozates) étodos basados e el cambio del úmero de polos del estátor (p), e motores co rotor de jaula de varias velocidades: - otores co comutació del úmero de polos - otores co bobiados idepedietes étodos basados e la variació de la frecuecia de alimetació (f) 4

3 VARIACIÓN N DE LA VELOCIDAD POR REDUCCIÓN N DE LA TENSIÓN Al dismiuir la tesió de alimetació el motor gira a meor velocidad. El rago de variació de la velocidad es bajo. Este sistema solo puede utilizarse co máquias que preseta pares resistetes débiles. U regulador de tesió (a base de tiristores) sumiistra corriete altera, a partir de ua red altera moofásica o trifásica, co la misma frecuecia fija que la red pero cotrolado el valor eficaz de la tesió. Geeralmete se utiliza como arracador progresivo para motores de jaula. r Este procedimieto tiede a desaparecer y su uso se reduce prácticamete para la variació de la velocidad de pequeños vetiladores. 5 VARIACIÓN N DE LA RESISTENCIA ROTÓRICA RICA EN OTORES DE ANILLOS ROZANTES La coexió de resistecias trifásicas e serie co el rotor modifica la velocidad del motor. Al aumetar la resistecia del rotor el motor gira a meor velocidad. El rago de variació de la velocidad es bajo. Durate la marcha a velocidad reducida se produce elevadas pérdidas e las resistecias coectadas. Para ua resistecia adicioal determiada, la velocidad del motor puede variar cosiderablemete co el par de la carga. r Las resistecias suele dispoer de varias posicioes o etapas para obteer ua regulació discotiua y permitir u arraque progresivo del motor. 6 3

4 OTORES CON CONUTACIÓN DEL NÚERO N DE POLOS Estos motores costa de u devaado especial que permite, segú el modo de coexió, obteer dos valores diferetes de polos, pero uo doble del otro ( y 4 polos, 4 y 8 polos, 6 y polos, etc.) Solo puede obteerse dos velocidades (AV y BV), ua doble de la otra. otor de par costate BV p AV p r otor de potecia costate BV p AV p r 7 OTORES CON BOBINADOS ESTATÓRICOS INDEPENDIENTES Estos motores costa de dos devaados estatóricos eléctricamete idepedietes co distito úmero de polos, a los que correspode, por lo tato, dos velocidades de sicroismo diferetes. Las dos velocidades se obtiee coectado a la red uo u otro devaado. La relació etre las velocidades puede ser cualquiera pues depede del úmero de polos de cada devaado. Tambié puede obteerse motores de tres o cuatro velocidades si uo o los dos bobiados permite, además, la comutació del úmero de polos. Sólo es posible ua variació discreta de la velocidad. 8 4

5 VARIACIÓN N DE VELOCIDAD EDIANTE CONVERTIDOR DE FRECUENCIA f <f <f 3 <f 4 f <f <f 3 <f 4 f f f 3 f 4 f f f 3 f 4 Curvas par-velocidad de u motor asícroo alimetado co frecuecia variable y regulado co flujo costate Curvas par-velocidad de u motor asícroo alimetado co tesió y frecuecia proporcioales 9 EL CONVERTIDOR DE FRECUENCIA Alimeta el motor co tesió altera de frecuecia variable a partir de ua red altera moofásica o trifásica de frecuecia fija. El ajuste de la achura de los impulsos y de su repetició permite regular la tesió y la frecuecia de alimetació del motor. El cotrol de la modulació de acho de impulso se lleva a cabo mediate microprocesadores Rectificador Filtro Odulador La iductacia del motor realiza cierto alisado de la corriete, preseta u coteido de armóicos. Tesió y corriete del motor 0 5

6 PRINCIPALES FUNCIONES DE LOS VARIADORES DE VELOCIDAD Variació de velocidad Aceleració y arraque cotrolados Deceleració y parada cotroladas Iversió del setido de marcha Protecció itegrada protecció térmicat sobretesioes y caídas de tesió desequilibrios de fases fucioamieto moofásico cortocircuitos etre fases y etre fase y tierra UTILIZACIÓN N DEL CONVERTIDOR DEL FRECUENCIA Las curvas defie, segú el fabricate del variador, el par permaete y el par trasitorio dispoibles e u motor autovetilado o e u motor motovetilado. Par útil permaete, motor autovetilado Par útil permaete, motor motovetilado 3 Sobrepar trasitorio 4 Par e sobrevelocidad a potecia costate 6

7 FRENADO ELÉCTRICO DE LOS OTORES ASÍNCRONOS E alguas aplicacioes es ecesario aplicar u par de freado al motor que permita deteerlo rápidamete (elevadores, grúas, citas trasportadoras, tracció eléctrica, etc.). El freado puede realizarse mediate u sistema mecáico (electrofreos, freos de accioamieto eumático o hidráulico ) o aprovechado las propiedades de la máquia asícroa para geerar u par que se opoe al movimieto y que permite lograr el freado o parada del motor (freado eléctrico) Freado eléctrico de los motores asícroos trifásicos: Freado a cotracorriete o cotramarcha Freado diámico o por iyecció de corriete cotiua Freado por recuperació de eergía, regeerativo o por fucioamieto hipersícroo 3 FRENADO A CONTRACORRIENTE Se realiza comutado dos fases para ivertir el setido de giro del campo magético. La corriete durate el freado es muy alta. La solicitació del rotor es muy elevada. La red deberá descoectarse automáticamete, e lo posible, al alcazarse la velocidad cero. E los motores co rotor de aillos rozates, la coexió de resistecias e el circuito del rotor modifica la curva del par y co ello el tiempo de freado. L L L3 r L L L3 r r fre 4 7

8 FRENADO CON CORRIENTE CONTINUA El freado co corriete cotiua de motores co rotor de jaula o de aillos rozates se realiza descoectado el estátor de la red y alimetádolo co corriete cotiua de baja tesió. El campo magético geerado permaece fijo e el espacio y origia u par de freado. Coexioes ormales para freado por corriete cotiua: 5 FRENADO POR RECUPERACIÓN N DE ENERGÍA El freado por recuperació de eergía (regeerativo o hipersícroo) se puede realizar e los motores de dos velocidades cuado gira a la velocidad alta. Para realizar el freado se modifica las coexioes del bobiado para pasar de p pares de polos (AV) a p pares de polos (BV). El freado se cosigue al covertirse el motor e geerador. No es posible el freado hasta velocidad ula. La eergía geerada se devuelve a la red o se disipa e resistecias. fre r 6 8

9 TIEPO DE FRENADO r = par motor r =par resistete (opuesto al movimieto) Tiempo de freado t freado ω r = Jtotal = dω 0 r J total dω dt Tiempo de freado cosiderado valores medios del par t freado = Jtotal ω - r Tiempo de freado si existe u procedimieto adicioal de freado (par fa ) t fre = ω J ( + total 0 r fa dω ) 7 VARIACIÓN N DE VELOCIDAD DEL OTOR DE EXCITACIÓN N INDEPENDIENTE (I) I i U i = E + I i R i U ex E E = k φ R i U i Iductor Iducido = k φ I i Ui Ri = I k φ k φ Ui Ri = k φ kk φ i Variació de la velocidad ediate variació del flujo iductor φ (se utiliza para > omial ) ediate variació de la tesió aplicada a los bores del iducido U i (se utiliza para < omial ) La mayor parte de los motores de corriete cotiua alimetados por variadores de velocidad lo hace co excitació idepediete, es decir, que el variador icluye dos fuetes: ua de baja potecia para alimetar el iductor y otra de elevada potecia para alimetar el iducido. 8 9

10 VARIACIÓN N DE VELOCIDAD DEL OTOR DE EXCITACIÓN N INDEPENDIENTE (II) FUNCIONAIENTO A PAR CONSTANTE Se varía la velocidad modificado la tesió U i. El flujo φ se matiee costate (corriete de excitació omial). Se puede desarrollar el par omial a cualquier velocidad, co valor omial I de la corriete e el iducido. 4 Ui=-U Ui=0 I, Ui=U E, Como la tesió U i y la corriete I i se puede ivertir, el motor puede fucioar e los cuatro cuadrates. 3 Los cuadrates utilizables vedrá determiados por las reversibilidades del covertidor que alimeta el motor: Cuadrate : covertidor o reversible i e corriete i e tesió. Cuadrates y : covertidor reversible e corriete. Cuadrate y 4: covertidor reversible e tesió. Cuadrates,, 3 y 4: covertidor reversible e corriete y e tesió. 9 VARIACIÓN N DE VELOCIDAD DEL OTOR DE EXCITACIÓN N INDEPENDIENTE (III) FUNCIONAIENTO A PAR CONSTANTE EN EL CUADRANTE ARRANQUE RÁPIDO HASTA LA VELOCIDAD DESEADA :. Se aplica iicialmete ua tesió U a tal que para =0 proporcioa I máx (superior a I ) y máx.. Se aumeta U a medida que aumeta mateiedo I=I máx. 3. Al aproximaros a, el variador cotrola el aumeto de U para que se alcace el puto co ua aceleració despreciable. I I máx máx Trayectoria del puto de fucioamieto durate el arraque U a U 3 U U 3 3 r Para cambiar de velocidad basta co hacer variar la tesió U. (Para pasar a o a 3 hay que variar la tesió a U o a U 3 ) 0 0

11 VARIACIÓN N DE VELOCIDAD DEL OTOR DE EXCITACIÓN N INDEPENDIENTE (IV) FUNCIONAIENTO A PAR CONSTANTE EN LOS CUADRANTES Y U=0 U=-U a I U U r FRENADO Y PARADA RÁPIDA:. Se reduce rápidamete la tesió de U a U, haciedo pasar la corriete de I a I máx.. Se reduce más letamete la tesió a medida que dismiuye mateiedo I igual a I máx. - máx -I máx Trayectoria del puto de fucioamieto durate el freado y parada rápida El par de freado es igual a r + máx. La máquia fucioa como geerador (freado por recuperació) y evía o sumiistra eergía a la red (U I máx ). Si el covertidor es reversible e tesió se puede frear a par máximo hasta la parada (U=-U a ), pero, por lo geeral, es u paso iútil ya que la eergía ciética del grupo motor-carga a esa velocidad es muy pequeña. VARIACIÓN N DE VELOCIDAD DEL OTOR DE EXCITACIÓN N INDEPENDIENTE (V) FUNCIONAIENTO A PAR CONSTANTE EN LOS CUADRANTES Y I U U r OTOR ARRASTRADO POR LA CARGA: Si el par de la carga se ivierte de maera que tiede a embalar y arrastrar el grupo motor-carga, el motor fucioa como geerador y actúa como freo. Sucede, por ejemplo, e tracció eléctrica cuado se baja ua pediete y la carga arrastra el motor. Si o se modifica la tesió U, el puto de fucioamieto pasa de a (velocidad ) y se produce el freado por recuperació de eergía. r Si la velocidad es excesiva se puede llevar hasta, reduciedo de U a U, o icluso dismiuirla aú más (puto ).

12 VARIACIÓN N DE VELOCIDAD DEL OTOR DE EXCITACIÓN N INDEPENDIENTE (VI) FUNCIONAIENTO A PAR CONSTANTE EN LOS CUADRANTES Y 4 ELEVACIÓN Y DESCENSO DE UNA CARGA: Asceso de la carga: (trayectorias A y A) Desceso de la carga: (trayectorias D y D) 4 U D D I U a O P A A U r Elevació de la carga:. Se aumeta la tesió U hasta el valor U a ecesario para el despegue (puto P).. Se aumeta U hasta U (co aceleració creciete primero y decreciete después), para alcazar la velocidad de asceso deseada (trayectoria A ). 3. Al acercarse al fial del trayecto se dismiuye U progresivamete para alcazarlo a velocidad ula (trayectoria A ). 4. La tesió U a permite imovilizar la carga levatada. Desceso de la carga:. Se reduce la tesió y se ivierte pasado de Ua a U (trayectoria D ).. Al acercarse al fial se frea el desceso pasado de U a U a (trayectoria D ) 3 VARIACIÓN N DE VELOCIDAD DEL OTOR DE EXCITACIÓN N INDEPENDIENTE (VII) FUNCIONAIENTO A PAR CONSTANTE EN LOS CUADRANTES,, 3 Y 4 OTOR QUE TRABAJA EN LOS DOS SENTIDOS E INVERSIÓN RÁPIDA CON FRENADO POR RECUPERACIÓN:. Co el motor arracado y trabajado e el puto a tesió positiva U se reduce muy rápidamete la tesió de U a U (trayectoria A), después a corriete costate (-I máx ) se frea el motor y se arraca e setido iverso (trayectoria A ).. Del mismo modo, después de ua fase de trabajo e el puto, se ivierte muy rápidamete la tesió de U a U (trayectoria B). Después a corriete costate I máx se frea el motor y se arraca e setido cotrario ( B ). 4 U 3 B U I U - I máx máx -I máx U Este modo de fucioamieto se preseta por ejemplo e las lamiadoras reversibles 4 A - máx

13 VARIACIÓN N DE VELOCIDAD DEL OTOR DE EXCITACIÓN N INDEPENDIENTE (VIII) FUNCIONAIENTO A POTENCIA CONSTANTE máx máx I=I máx I=I I=-I U ; φ I=-I máx I=I máx - Velocidad máxima admisible por problemas de comutació I=-I máx Cuado U alcaza su valor máximo U, para aumetar más la velocidad se dismiuye el flujo iductor φ. Esto reduce el par que el motor puede desarrollar para ua corriete I dada e el iducido ( = k φ I). A tesió y corriete costates, U e I, la potecia trasformada es costate, de ahí que este modo de fucioamieto se deomie a potecia costate (P=EI=U I-I R i =cte).. Al dismiuir el flujo se reduce la pediete de las características. Debido a la comutació, es preciso reducir aú más la corriete trasitoria máxima admisible para velocidades elevadas (líea discotiua e la figura). 5 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Boal,, J.: Accioamietos eléctricos a velocidad variable. Tec&Doc,, 999. aual electrotécico. cico. Telesquemario.. Edició de Scheider Electric,, 999. Fraile ora, J. áquias Eléctricas. cgraw-hill, 003. Saz Feito, J. áquias Eléctricas. Pretice Hall, 00. erio Azcárraga rraga, J..:.: Covertidores de frecuecia para motores de corriete altera. cgraw-hill, 997. Documetació técica t y catálogos electrotécicos cicos comerciales. 6 3