REGULACIÓN ELECTRÓNICA DE LOS MOTORES DE INDUCCIÓN

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1 REGULACIÓN ELECTRÓNICA DE LOS MOTORES DE INDUCCIÓN Ciclo de Grado Superior: Desarrollo de Productos Electrónicos Módulo: Mto. Equipos Electrónicos Curso 2011/2012

2 ÍNDICE Prólogo Introducción Por qué la regulación de velocidad de un motor de inducción Cómo regular la velocidad de un motor de inducción La frecuencia La tensión Inversor monofásico. Conversión CC-CA Qué es la corriente alterna? Circuitos inversores Modelo ideal con interruptores Modelo real con semiconductores Circuito de control Otros componentes Cargas inductivas Inversor trifásico. Conversión CC-CA III Sistema trifásico de tensiones Circuitos inversores trifásicos Modelo ideal con interruptores Modelo real con semiconductores Circuitos de control Sistemas de alimentación de los inversores... Bibliografía M. Equipos Electrónicos Dpto. Electrónica FSV Curso 2011/2012 2

3 PRÓLOGO A continuación se trata de exponer de modo sencillo los principios de funcionamiento de la regulación de velocidad de motores de inducción, en concreto de la máquina asíncrona de rotor en cortocircuito (jaula de ardilla). Se ha evitado el rigor teórico para incidir en conceptos intuitivos que permitan, de un modo asequible, transmitir las ideas básicas de este tipo de dispositivos. Para profundizar más intensamente será necesario remitirse a la amplia bibliografía existente. También se ha intentado evitar al máximo posible la dependencia de conocimientos previos para entender este texto, si bien una pequeña base en la teoría de circuitos, transistores en conmutación y principios de funcionamiento de la máquina de inducción facilitarán enormemente la tarea. Es importante entender claramente los principios de la inversión monofásica para intuir el funcionamiento de los inversores trifásicos, en estos últimos se van a dar sólo ideas muy básicas, pero que son suficientes si se ha asimilado el funcionamiento del inversor monofásico. 1. INTRODUCCIÓN 1.1 Por qué la regulación de velocidad de motores de inducción Desde la aparición de la electrónica de potencia su aplicación a la regulación de velocidad se centró en los motores de corriente continua, los cuales, por naturaleza, son especialmente aptos para esta misión. Sin embargo los motores de corriente alterna aventajan al de continua en una mayor robustez, menor tamaño a igual potencia y en el caso de asíncrono de rotor en cortocircuito la ausencia de colector (que le permite trabajar en atmósferas peligrosas) y un casi nulo mantenimiento, el precio también resulta inferior. Por todo esto, cuando el desarrollo de la electrónica de potencia lo ha permitido, se ha comenzado una carrera para que en la mayoría de las aplicaciones que requieran regulación de velocidad el motor de inducción desplace al de corriente continua. Aquí no se trata de entrar a comparar ambos sistemas ni cual elegir en función de la aplicación, sino simplemente exponer los principios de la regulación de motores de inducción. 1.2 Cómo regular la velocidad de un motor de inducción La frecuencia La velocidad de un motor de inducción es: f n= 60 p n = velocidad de sincronismo (r.p.m.) f = frecuencia de la tensión aplicada p = pares de polos de la máquina. M. Equipos Electrónicos Dpto. Electrónica FSV Curso 2011/2012 3

4 De ahí podemos deducir claramente que modificando f actuamos proporcionalmente sobre n. Un problema de variar f que hemos de tener en cuenta en sistemas reales, aunque no los consideremos apenas en esta introducción, es que para mantener las características de la máquina es necesario mantener un flujo magnético constante, siendo: Φ= V / K f Si Φ=Cte. supone que habrá que variar el valor de la tensión aplicada inversamente con la frecuencia, aunque no con proporcionalidad en la práctica por las características reales de la máquina; pero esto se queda fuera de los objetivos de nuestro estudio La tensión Ya hemos visto que la dependencia de la velocidad es en función de la frecuencia, pero si observamos la característica mecánica del motor de inducción podemos observar la variación del par en función de la velocidad: Para una carga dada el cruce de ambas características mecánicas nos da la velocidad de funcionamiento. Dado que el par es proporcional al cuadrado de a tensión: M = K U 2 Si yo disminuyo o aumento la tensión disminuyo o aumento el par. Las características de la máquina hacen que lo posible sea una disminución de U, de modo que actuando sobre U disminuyo el par y por tanto la velocidad para una carga dada: M. Equipos Electrónicos Dpto. Electrónica FSV Curso 2011/2012 4

5 Observar que para la supuesta U3 no habrá punto común con la carga y esto supone que el motor quede en cortocircuito. Y este es el problema que limita la regulación de velocidad mediante el control de U. Hay que considerar el carácter cuadrático de la relación par-velocidad, por tanto reducir la tensión a la mitad supone dividir por cuatro el par, reducir por cuatro la tensión dividir el par por dieciséis... De ahí que su uso se reduzca a aplicaciones en las que el régimen de funcionamiento con velocidad variable requiere pequeños pares a bajas velocidades (bombas, ventiladores). Esta regulación se realiza fácilmente con tiristores (y triacs en bajas potencias). Pero no se va a tratar en este estudio. Estos equipos se utilizan sobre todo como arrancadores estáticos. M. Equipos Electrónicos Dpto. Electrónica FSV Curso 2011/2012 5

6 2. INVERSOR MONOFÁSICO. CONVERSIÓN CC-AC Hemos dicho que para regular la velocidad vamos a variar la frecuencia. Esto se puede hacer eléctricamente (costoso y voluminoso) o electrónicamente mediante dispositivos de potencia. Para el circuito electrónico tenemos que partir de una corriente continua y convertirla en corriente alterna con capacidad para alimentar la carga. 2.1 Qué es la corriente alterna? No estamos hablando de corriente sinusoidal sino alterna, y el concepto de alterna lleva implícito el cambio periódico del sentido de circulación de corriente. De modo que la tensión alterna que vamos electrónicamente a generar será cuadrada, pero de naturaleza tan alterna como la de la red: También se puede hacer con control decalado, en cuyo caso: M. Equipos Electrónicos Dpto. Electrónica FSV Curso 2011/2012 6

7 2.2 Circuitos inversores Modelo ideal con interruptores. Con la configuración de la figura podemos observar como si hacemos conmutar cíclicamente los pares de interruptores 1-2 y 3-4, la corriente por la carga se alterna con la misma frecuencia de sentido. Entre A y B hemos generado una corriente alterna, de forma cuadrada. El adecuado control de los interruptores nos permitirá el ajuste de la frecuencia deseada. Otra configuración, que requiere tensión simétrica, es la siguiente: M. Equipos Electrónicos Dpto. Electrónica FSV Curso 2011/2012 7

8 De este modo, usando sólo dos interruptores, conseguimos el mismo efecto en la carga Modelo real con semiconductores. Si sustituimos esos interruptores por transistores tendremos el modo de realizarlo prácticamente: Figura 1 Figura 2 En ambos casos el valor eficaz de la alterna de salida es igual a V al ser cuadrada. M. Equipos Electrónicos Dpto. Electrónica FSV Curso 2011/2012 8

9 Tomando la figura 1 como modelo tenemos el siguiente diagrama de funcionamiento de los transistores: 2.3 Circuito de control El control de un inversor monofásico es relativamente sencillo. Uno muy simple podría ser: M. Equipos Electrónicos Dpto. Electrónica FSV Curso 2011/2012 9

10 Sin embargo para tensiones de funcionamiento elevadas deberemos tener en cuenta dos aspectos importantes: No hay transistores PNP para potencias elevadas y es necesario un aislamiento eléctrico entre el circuito de control y el de potencia. Lo cual hará más complejo el diseño de los circuitos de control. En T1 y T3 se observa como es necesaria una referencia a emisor, por lo que el circuito de control y acoplamiento ha de tener potenciales totalmente independientes de la potencia Otros componentes. No sólo se pueden realizar los inversores con transistores, son varias las posibilidades: SCRs. GTOs. MOSFETs. IGBTs MCTs. M. Equipos Electrónicos Dpto. Electrónica FSV Curso 2011/

11 Sin embargo en potencias de pocos Kilovatios (<50) los transistores son una buena solución. Este símbolo representa cualquier dispositivo con capacidad propia de conmutación o, cuando no, con su circuito asociado para la conmutación forzada. 2.4 Cargas inductivas Las cargas que vamos a conectar a estos inversores serán típicamente inductivas: Transformadores elevadores para conversores CC/CA y CC/CC. Motores de corriente alterna para control de velocidad. Motores de corriente continua para control del sentido de giro. Veamos de modo simple e intuitivo el comportamiento con cargas inductivas. Ejemplo: Sabido es que en el momento de cerrar circuito con la bobina esta no permite la circulación de la máxima intensidad sino después de transcurrido un tiempo, que estará en función de la constante de tiempo del circuito (L/R), considerando cuatro constantes como el periodo adecuado: M. Equipos Electrónicos Dpto. Electrónica FSV Curso 2011/

12 Al tránsito de saturación y bloqueo no podemos esperar que el transistor se bloquee instantáneamente, la inductancia será capaz de mantener la circulación por el transistor y retrasar su bloqueo. la inclusión de un diodo en paralelo con la bobina en polarización inversa, permitirá que este absorba la corriente de descarga, facilitando la conmutación y evitando sobretensiones peligrosas para el circuito. En las aplicaciones inductivas del inversor nos podemos encontrar con intensidades del tipo: En el caso del control decalado: M. Equipos Electrónicos Dpto. Electrónica FSV Curso 2011/

13 3. INVERSOR TRIFÁSICO. CONVERSIÓN CC - CA III Las aplicaciones industriales requieren un suministro trifásico para los motores de inducción, ya que las aplicaciones monofásicas son particulares y de poca potencia, y motivadas más por las características de la red doméstica que por las características de la aplicación. 3.1 Sistema trifásico de tensiones L1, L2 y L3 forman un sistema trifásico de tensiones si cada una de ellas está desfasada 120º eléctricos de la anterior, de modo que: El neutro lo podemos entender como la referencia del sistema trifásico. La tensión entre fases (VL1L2, VL2L3, VL3L1) es monofásica y senoidal. Si en vez de tensión senoidal se trata de ondas cuadradas: M. Equipos Electrónicos Dpto. Electrónica FSV Curso 2011/

14 La tensión entre fases resulta con ángulo de decalado. 3.2 Circuitos inversores trifásicos Modelo ideal con interruptores L1 L2 L3 En cada punto medio de la unión de dos interruptores tenemos la posibilidad de generar ondas cuadradas de +/- V según que interruptor esté cerrado, esta configuración permite generar tres ondas cuadradas, que si mediante un circuito de control se desfasan en el tiempo 120º nos proporcionan el sistema trifásico que buscamos. Las aplicaciones a las que va destinada no requieren neutro, de necesitarlo, la alimentación debería ser simétrica. Esta configuración recibe el nombre de puente trifásico Modelo real con semiconductores La representación esquemática más general es: M. Equipos Electrónicos Dpto. Electrónica FSV Curso 2011/

15 El símbolo del tiristor en un rectángulo discontinuo se utiliza para representar al tiristor convencional con su circuito asociado para la conmutación forzada. También puede ser utilizado para representar a cualquier dispositivo semiconductor con capacidad propia de conmutación, tales como GTO, MOSFET de potencia o BJT. La utilización de transistores bipolares es buena para potencias no muy elevadas, si bien cada aplicación particular necesitará de un estudio propio, donde la frecuencia de conmutación también será importante. Con transistores bipolares tendríamos: 3.3 Circuitos de control Para cada línea de transistores (T1-T4, T3-T6 y T5-T2) se va a tratar de una sencilla conmutación del modo: La dificultad estriba en desfasar 120º cada línea, pero para eso será suficiente estudiar detenidamente la onda cuadrada generada: M. Equipos Electrónicos Dpto. Electrónica FSV Curso 2011/

16 Tomando como referencia el control T1-T4 el de T3-T6 y de T5-T2 estarán con el desfase respectivo. Para verlo puedo centrarme en T1 y considerar a T4 como su inversa, fácilmente obtenible si tengo T1, lo mismo ocurre en T3-T6 y T5-T2, de modo que: Partiendo de lo anterior se trata ya sólo de desarrollar los circuitos digitales apropiados. Las configuraciones de potencia esquematizadas en el punto 2.3 son aplicables a este circuito, con las mismas salvedades. M. Equipos Electrónicos Dpto. Electrónica FSV Curso 2011/

17 4. SISTEMAS DE ALIMENTACIÓN DE LOS INVERSORES Dado que el suministro de la red eléctrica es alterna, deberemos partir de ella para obtener la alimentación continua. Puente monofásico con capacidad: Puente trifásico con filtro LC: Las aplicaciones industriales requieren para una correcta regulación de la máquina que junto a la frecuencia se actúe sobre la tensión, para ello se utilizan circuitos de rectificación controlada que son los mismos que se utilizan para la regulación de motores de corriente continua. Puede ser un puente controlado con tiristores o un puente de diodos con un troceador ( también conocido por la denominación inglesa: chopper ). M. Equipos Electrónicos Dpto. Electrónica FSV Curso 2011/

18 Puente trifásico de onda completa totalmente controlado: Troceador: M. Equipos Electrónicos Dpto. Electrónica FSV Curso 2011/

19 BIBLIOGRAFÍA Control electrónico de los motores de corriente alterna. Autores: R. Chaupadre y F. Milsant Editorial: Gustavo Gili Electrónica de potencia. Autor: Raymond Ramshaw Editorial: Marcombo Power Electronic Control of AC Motors. Autores: Murphy / Turnbull Editorial: Pergamon Press M. Equipos Electrónicos Dpto. Electrónica FSV Curso 2011/