CONTROL ELECTRÓNICO DE MOTORES CA. Tema 4

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3 INDICE 3.1 MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA REGULACIÓN DE LA VELOCIDAD... 4 CONTROL DE LA TENSIÓN Y FRECUENCIA DE LÍNEA CONTROL VECTORIAL VARIADORES DE VELOCIDAD LOS VARIADORES MECÁNICOS LOS VARIADORES ELECTRÓNICOS EJEMPLOS DE CÁLCULO

4 3.1 MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA. Introducción de su funcionamiento, parámetros y curvas características. Punto desarrollado en las transparencias. 3.2 REGULACIÓN DE LA VELOCIDAD. Aunque son de sobra conocidas las ventajas del motor de inducción en cuanto a robustez, sencillez, coste y mantenimiento, su uso generalizado en aplicaciones de regulación de velocidad no ha llegado hasta esta última década. Ello ha sido gracias al: 1) Desarrollo de dispositivos electrónicos de potencia (IGBT) de fácil control, alta frecuencia de conmutación y capacidad media de potencia. 2) Desarrollo de sistemas de control digital (DSP) con gran potencia computacional y recursos propios de microcontroladores de gama alta (convertidores A/D, E/S digitales, temporizadores, watchdog, unidades de captura y comparación) que permiten la implementación en tiempo real de complejos algoritmos de control. 3) Disminución de coste de los dispositivos 1) y de los sistemas 2). Para comprender los principios básicos de la regulación de la velocidad de los motores asíncronos, se recuerda que la velocidad de giro de estas máquinas en r.p.m. viene expresada por: 60 f1 n = n1 (1 s) = (1 s) p Por lo tanto, de acuerdo con la expresión anterior existen tres procedimientos para cambiar la velocidad n a saber: a) Variar el número de polos de la máquina b) Cambiar la frecuencia de alimentación f 1. c) Modificar el deslizamiento s. Los procedimientos prácticos para variar la velocidad de un motor asíncrono se basan fundamentalmente en el control de la frecuencia y del deslizamiento, y 4

5 este a su vez se puede controlar indirectamente ajustando la tensión de alimentación aplicada a la máquina. CONTROL DE LA TENSIÓN Y FRECUENCIA DE LÍNEA. De acuerdo con la ecuación anterior y conforme a lo dicho, un método para variar la velocidad de giro de un motor asíncrono es, cambiar la frecuencia de alimentación f que llega al estator, pues ésta modifica la velocidad de sincronismo del campo magnético giratorio y por ende la velocidad mecánica de giro que es cercana a aquélla en virtud del pequeño valor del deslizamiento en este tipo de máquinas. Sin embargo hay que tener en cuenta que el flujo magnético en el entrehierro es directamente proporcional a la f.e.m. inducida en cada devanado del estator e inversamente a la frecuencia. E 1 = 4,44 k1 f1 N1 φ m por consiguiente una reducción en la frecuencia de alimentación f 1 produce un aumento del flujo magnético φ m. Para evitar la saturación del núcleo magnético debido al aumento del flujo, deberá aumentarse proporcionalmente la f.e.m. E 1. Sin embargo la forma más sencilla de regular esta f.e.m. es controlando la tensión de alimentación V 1, tal y como podemos comprobar en el circuito equivalente de la máquina asíncrona y la ecuación del flujo que lo define. de este modo al variar la frecuencia de alimentación f 1 siempre que se cambie al mismo tiempo la tensión aplicada V 1 se conseguirá una buena regulación de la velocidad del motor. 5

6 La realización práctica de este sistema de control requiere el uso de dos convertidores electrónicos: un rectificador controlado y un inversor. El rectificador controlado transformará la tensión trifásica de la red en una etapa intermedia de c.c., de tal modo que se puede regular la tensión que llega al inversor modificando el ángulo de encendido de los tiristores del rectificador controlado. El inversor produce una tensión trifásica cuya frecuencia depende de la secuencia de impulsos que se aplican a las puertas de sus tiristores, de este modo al motor asíncrono llega una tensión variable en frecuencia y tensión. Las características par-velocidad de este sistema de regulación se muestran en la siguiente figura. Se considera que a la frecuencia nominal o frecuencia base, la tensión aplicada al motor es la tensión nominal. Por debajo de esta frecuencia, el flujo se mantiene constante, variando la frecuencia pero haciendo que sea constante el cociente tensión/frecuencia con lo que se consigue que el par máximo sea el mismo para todas las curvas par-velocidad que resultan para las frecuencias inferiores a la nominal o base. Por encima de la frecuencia nominal, no se puede realizar el mismo tipo de control de conservar inalterable la relación V /f, ya que obligaría a aumentar la tensión por encima de su valor nominal, y es por ello que la tensión se fija en el valor nominal y se aumenta la frecuencia paulatinamente en esta zona, esto provoca una disminución del flujo magnético en el entrehierro, lo que se traduce en una reducción del valor par máximo, en todo el rango de variación superior, como puede observarse en la parte derecha de la siguiente figura. Esta acción corresponde al control por reducción de campo, por lo que es posible funcionar en esta zona en un régimen de potencia constante, tal y como se señala con las curvas de trazado discontinuo que se observan en la siguiente figura. 6

7 Se observan también en esta figura las diferentes velocidades de funcionamiento cuando el motor mueve una carga con par cuadrático. Cuando se requiere un control muy preciso de la velocidad de un accionamiento movido por un motor asíncrono, el circuito anterior no es capaz de cumplir tal objetivo y debe completarse con algún lazo de realimentación que incorpore una medida de la velocidad del motor. 7

8 En este esquema se fija la velocidad de consigna desde el exterior por medio de la tensión de referencia n*; el tacogenerador acoplado al eje del motor produce una f.e.m proporcional a la velocidad real de la máquina n. En la parte inferior izquierda hay un nudo sumador en el que se restan ambas tensiones (velocidades), dando lugar a la tensión de error de velocidad n* - n, que se procesa a través de un controlador proporcional integral PI para reducir el error a cero y mejorar la dinámica del lazo de control; la parte proporcional de este controlador incluye un factor p/60, siendo p el número de pares de polos del motor, para convertir la diferencia de velocidades medida en r.p.m. en una frecuencia equivalente del circuito del rotor f* 2. A continuación existe un regulador de la frecuencia anterior, que es simplemente un limitador, que fija el valor de la frecuencia de consigna del rotor f* 2 para que no sea superior a la que corresponde a la condición de par máximo, limitando de este modo la corriente del inversor a un valor permisible. A continuación existe otro sumador que suma la frecuencia f* 2 con la frecuencia eléctrica de giro del rotor np/60, generando de este modo la frecuencia de consigna en el valor f* 1 = f* 2 + np/60, que debe producir el inversor que alimenta el motor. Por otro lado, esta señal f* 1 se lleva a un generador de funciones para producir la señal de referencia de tensión V 1 * que debe aplicarse a la máquina y que regula los impulsos de disparo del rectificador controlado, haciendo que la máquina funcione con el cociente V 1 */ f* 1 constante. Si la frecuencia f* 1 que llega al generador de funciones es inferior a la frecuencia (velocidad) base, este generador suministra una tensión proporcional de la forma V 1 *=k f* 1 + V 0, donde V 0 representa la tensión necesaria que debe aplicarse al estator, para que el motor trabaje con flujo nominal a velocidad cero, y donde k se elige de tal modo que la máquina trabaje a la tensión nominal o asignada cuando el valor de la frecuencia es la nominal. Cuando f* 1 es superior a la frecuencia base f b se produce una saturación del bloque generador de funciones, lo que limita el valor de V 1 * a su valor máximo, que es igual a la tensión nominal. De este modo, por debajo de la frecuencia base se tiene una regulación simultánea de V 1 * y f* 1, la primera de las cuales se utiliza para cambiar la salida del rectificador controlado y la segunda para modificar la frecuencia del inversor, manteniendo en cada momento el cociente V 1 */ f* 1 constante. Por encima de la frecuencia base, el valor de V 1 * es constante y la regulación de velocidad se hace a través de la frecuencia de salida del inversor y que va fijando la frecuencia f* 1. Si se considera que la máquina está girando en una situación determinada a velocidad n y se aumenta la velocidad de consigna n*, se produce un error de velocidad positivo que satura el regulador de la frecuencia del rotor f 2, dando lugar a una salida máxima de f* 2 ; de este modo el motor se acelera aumentando la corriente de la máquina hasta el valor máximo permitido por el inversor, lo que da lugar al máximo par de aceleración posible hasta que se consigue reducir el error de velocidad cero. El accionamiento que mueve el motor alcanza el régimen permanente para un valor de f* 2 para el cual se cumple el balance de pares motor y resistente. El proceso inverso tiene lugar si se reduce la velocidad de consigna n*. 8

9 Otro sistema de regulación que se utiliza para el control de los motores asíncronos es el uso de cicloconvertidores. En la siguiente figura se muestra de una forma simplificada el esquema correspondiente, en este caso este sistema electrónico produce una tensión trifásica variable en amplitud y frecuencia directamente, sin que se requiera una etapa de c.c. intermedia. El inconveniente de los cicloconvertidores es que el rango de variación de la frecuencia producida varía solamente entre 0 y 1/3 de la frecuencia de alimentación. Este sistema de regulación se emplea principalmente en motores de gran potencia, debido a la complejidad del equipo de control de disparo de los tiristores. Como conclusión podemos decir que el control para la regulación de velocidad en el motor de inducción es complejo si se desea aprovechar al máximo 9

10 las prestaciones del motor en cualquier punto de trabajo; la variación de la frecuencia de la tensión de alimentación permite regular la velocidad del motor, pero también provoca una variación indeseada del flujo y del par en el motor, debido al fuerte acoplamiento de las variables. CONTROL VECTORIAL. 10

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16 3.3. VARIADORES DE VELOCIDAD.. Existen dos posibilidades de regular la velocidad, una con los variadores mecánicos y otra con los electrónicos. LOS VARIADORES MECÁNICOS Son los que aparecieron en primer lugar para poder controlar o regular la velocidad de los coches teledirigidos, sin ellos sólo habría dos posibilidades: o velocidad máxima, o coche parado. Esto se da todavía en algunos coches a escala de juguete, que montan un pequeño motor, unas baterías y un interruptor. Para regular la velocidad se ideó un sistema que consiste en interponer entre la batería y el motor una resistencia variable. Es decir al empezar a acelerar la resistencia (R) que se interpone entre la batería y el motor es la máxima posible, por lo que al ser la I=V/R y considerar la tensión constante (V), la intensidad (I) de la corriente, es decir la cantidad de electricidad que llega al motor, es mínima. A medida que la resistencia se va haciendo menor, mayor intensidad llegará al motor y el vehículo irá más rápido. La velocidad máxima se conseguirá cuando ninguna resistencia se interponga entre las baterías y el motor. Los variadores mecánicos tienen inconvenientes respecto a los variadores electrónicos, como son: Pérdida de energía: Excepto cuando se va a la máxima velocidad, parte de la energía de las baterías se pierde en las resistencias en forma de calor. Es decir siempre gastaremos prácticamente los mismos electrones, vayamos a la mínima o a la máxima velocidad. Poco progresivos: incluso el mejor modelo no se puede comparar al variador electrónico más básico. Lentos en la respuesta, ya que dependen de un servo mecánico. Limitados a motores no muy potentes: ya que la altas intensidades acaben por quemar literalmente el variador. Poca seguridad, ya que cuando se agotan las baterías se detiene el servo de aceleración y el variador puede quedar en una posición diferente a la neutra, quedando la máquina fuera de control. Requieren un mantenimiento continuo. Poco duraderos: el sistema de contactos no es perfecto y el paso de grandes intensidades de corriente hace que se deterioren llegando un 16

17 momento en que la reparación no sea posible y haya que proceder a comprar uno nuevo. Peso y espacio: en los variadores mecánicos hay que incluir además de su peso, el del servo de dirección, resistencias cerámicas etc, por lo que son más pesados que los electrónicos. Además requieren más espacio libre para su instalación. Pero no todo son inconvenientes, ya que tienen una ventaja fundamental: su precio, hasta 10 veces inferior a los electrónicos. LOS VARIADORES ELECTRÓNICOS Tienen la gran ventaja de solucionar la gran mayoría de los problemas de los variadores mecánicos, pero lógicamente su precio es mucho más elevado. Hicieron su aparición a principios de los años 80, con el fin de solucionar los inconvenientes de los variadores mecánicos. Los primeros en aparecer eran grandes, pesados y muy caros, y debido a los transistores bipolares que empleaban, las resistencias eran elevadas, calentándose de manera importante, por lo que tampoco eran utilizables con motores excesivamente potentes. Más tarde, a mediados de los 80, aparecieron los transistores MOS-FET (Metal Oxide Silicone - Field Effect Transistor) es decir transistores con efecto de campo de silicona-óxido metálico y se dio un paso significativo en la obtención de variadores eficientes, siendo la antesala de los avanzados variadores de que disponemos actualmente. Los variadores electrónicos están formados por varios bloques de circuitos electrónicos que presenten varias funciones dependiendo de la tarea final a realizar. Así, podemos destacar las siguientes funciones incluidas en la mayoría de variadores de velocidad que podemos encontrar en le mercado: Arranque y variación de velocidad. Inversión del sentido de marcha. Desaceleración, aceleración, parada. Protecciones del motor y variador. Comando dos hilos o tres hilos. Velocidades preseleccionadas. Memorización de la configuración en el variador. Inyección de corriente continua en la parada. Conmutación de rampa. retoma al vuelo, etc... Varias funciones pueden ser afectadas sobre una misma entrada lógica. 17

18 Podemos encontrar una amplia variedad de variadores de velocidad en le mercado, cada uno de los cuales será adecuado a un tipo de uso, dentro de las múltiples funciones que un solo variador puede realizar (a parte de variar la velocidad de la máquina, tal y como hemos indicado anteriormente pueden realizar otras funciones). Al final del tema hay algunos diagramas de bloque de variadores de velocidad y datos técnicos. 18

19 3.4. EJEMPLOS DE CÁLCULO. En este apartado se expone unos ejemplos de cálculo para seleccionar el motor a emplear en determinadas aplicaciones, son típicos de catálogos comerciales. 19

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