ARRANCADOR V5 COMPARATIVA FRENTE AL ARRANQUE ESTRELLA TRIÁNGULO

Transcripción

1 ARRANCADOR V5 COMPARATIVA FRENTE AL ARRANQUE ESTRELLA TRIÁNGULO

2 SUMARIO PARTE 1 1. Principios de funcionamiento de los motores de jaula de ardilla. 2. Principios de control en los motores de inducción. 3. Circuito equivalente de un motor: transformador. 4. Corrientes en un motor. 5. Circuito equivalente de un motor: circuito eléctrico por fase. 6. Relación corriente velocidad. 7. Relación corriente velocidad. Arranque directo. 8. Reducción de la tensión de entrada. 9. Relación Par Velocidad. 2

3 SUMARIO PARTE Tipos de arranque tradicionales. 11. Problemas del arranque de un motor. 12. Conexión arranque directo. 13. Característica corriente velocidad. Arranque directo. 14. Conexión arranque estrella triángulo. 15. Característica corriente velocidad. Arranque estrella triángulo. 16. Objetivos. 3

4 SUMARIO PARTE Arrancadores estáticos de Power Electronics. 18. Principios de los Arrancadores Estáticos. 19. Método de arranque: Rampa de Tensión. 20. Método de arranque: Corriente constante. 4

5 SUMARIO PARTE Comparación distintas formas de arranque: Datos. 22. Comparación distintas formas de arranque: Ventajas. 23. Comparación distintas formas de arranque: Inconvenientes. 24. Comparación distintas formas de arranque: Aplicaciones y Costos. 25. Comparación protecciones. 26. Ventajas adicionales. 5

6 SUMARIO PARTE 5 Y PARTE Análisis comparativo práctico. 28. Análisis con par resistente del 15%. 29. Análisis con par resistente del 25%. 30. Análisis con par resistente del 35%. 31. Resumen del análisis comparativo. 32. Tensión en una bobina del motor. 33. Análisis comparativo total. 34. Conclusiones finales. PARTE La Serie V5 6

7 1 Motores de inducción PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO 7

8 1. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE LOS MOTORES DE JAULA DE ARDILLA» El motor de inducción, asíncrono o de jaula de ardilla, está formado por dos partes:» El estátor.» El rotor (fijado a un eje).» Sección motor» Sección motor 8

9 2. PRINCIPIOS DE CONTROL EN LOS MOTORES DE INDUCCIÓN» El rotor se construye con barras cortocircuitadas por medio de anillos en los extremos, formando la denominada jaula de ardilla.» Construcción motor 9

10 2. PRINCIPIOS DE CONTROL EN LOS MOTORES DE INDUCCIÓN Conectándolo a una fuente de alimentación trifásica, en el estátor se genera un campo magnético giratorio (flujo). Esto es debido a:» La disposición física de los devanados del estátor: 3 bobinas separadas 120º físicos.» La corriente en estos devanados está desfasada 120º eléctricos.» Líneas de flujo 10

11 2. PRINCIPIOS DE CONTROL EN LOS MOTORES DE INDUCCIÓN» Las líneas de flujo (flechas) inducen unas corrientes en las barras del rótor.» Cuando sobre un conductor por el que circula una corriente, actúa un campo magnético, la resultante es una fuerza que origina el par y por tanto la rotación del rotor. CAMPO GIRATORIO» Campo giratorio 11

12 3. CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN MOTOR: TRANSFORMADOR» El circuito equivalente de un motor se puede entender como un transformador. I M : Corriente de Magnetización. Corriente imaginaria que circula por el estator. Responsable del flujo del motor. I R : Corriente de Rotor. Corriente real que circula por el rotor, generadora de par. Aumenta con la carga del motor. 12

13 4. CORRIENTES EN UN MOTOR» Controlando la tensión aplicada en el estátor (E1) se puede controlar la corriente de magnetización (I M ) y por tanto el flujo.» Con el aumento de la velocidad del motor, el deslizamiento (S) disminuye, y la frecuencia relativa también. Entonces el cosφ R mejora, la inductancia de pérdidas disminuye, e Ir disminuye. I M E 1 2 r f L R S r ( X 2 S) I E. S 13

14 5. CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN MOTOR: CIRCUITO ELÉCTRICO POR FASE» El circuito equivalente de un motor en cada fase también se puede simplificar de la siguiente forma: Inductancia Magnética» El deslizamiento en un motor es función de la velocidad: Resistencia de Carga. Si S entonces R s n S n S n R % 14

15 6. RELACIÓN CORRIENTE VELOCIDAD» En el momento del arranque el motor se comporta como un transformador con el secundario en cortocircuito. Ir aumenta porque equivale a una corriente de cortocircuito. I r (7-10 )xin» Con el aumento de la velocidad del rotor cosφ R mejora y por tanto Ir decrece 15

16 7. RELACIÓN CORRIENTE VELOCIDAD. ARRANQUE DIRECTO 16

17 7. RELACIÓN CORRIENTE VELOCIDAD. ARRANQUE DIRECTO» En ningún caso se alcanza s=0. Si eso sucediese el motor perdería la capacidad de generar par.» La corriente nominal se alcanza antes de llegar a s=0. 17

18 8. REDUCCIÓN DE LA TENSIÓN DE ENTRADA» Se puede demostrar que:» Si la tensión de entrada (E1) varía, entonces el par (T) varía con el cuadrado de la misma.» En el arranque, el par es proporcional al cuadrado de la tensión de entrada. T E1² 18

19 9. RELACIÓN PAR VELOCIDAD 19

20 9. RELACIÓN PAR VELOCIDAD 20

21 2 Tipos de Arranques PROBLEMAS Y OBJETIVOS 21

22 10. TIPOS DE ARRANQUE TRADICIONALES» Existen distintos tipos de arranque para un motor:» Arranque directo.» Arranque estrella triángulo.» Arranque con resistencias estatóricas.» Básicamente todos ellos presentan ciertos problemas. 22

23 11. PROBLEMAS EN EL ARRANQUE DE UN MOTOR» EXCESO DE PAR APLICADO: Aunque el par resistente inicial sea bajo, durante el arranque directo se producen una serie de oscilaciones bruscas del par a medida que la velocidad aumenta. Es básicamente un arranque incontrolado.» Desventajas: Shocks mecánicos. Deslizamiento en las correas. Stress en las trasmisiones. Sobrepresiones. 23

24 11. PROBLEMAS EN EL ARRANQUE DE UN MOTOR» ENORME SOBRECORRIENTE: La corriente típica, en el momento del arranque, es entre 7 y 10 veces la corriente nominal. Esto es debido a que en el arranque el deslizamiento es máximo y el motor se comporta como un transformador con el secundario en cortocircuito.» Desventajas: Caídas bruscas de tensión en líneas de poca capacidad. Sobredimensionado de contactores. Cálculo de fusibles adecuados. 24

25 12. CONEXIÓN ARRANQUE DIRECTO» FINALIDAD: El motor funciona desde el momento de conexión a sus valores nominales 25

26 13. CARACTERÍSTICA CORRIENTE VELOCIDAD. ARRANQUE DIRECTO» RESULTADO: Elevada corriente de arranque. Arranque incontrolado. 26

27 14. CONEXIÓN ARRANQUE ESTRELLA TRIÁNGULO» FINALIDAD: Reducir la intensidad de fase de arranque, aunque sea a costa de reducir el par. 27

28 14. CONEXIÓN ARRANQUE ESTRELLA TRIÁNGULO» MOTOR: Es necesario que el motor tenga los bobinados del estátor accesibles y configurados para un cableado doble. 28

29 15. CARACTERÍSTICA CORRIENTE VELOCIDAD. ARRANQUE ESTRELLA TRIÁNGULO» RESULTADO: Sobrecorrientes en la reconexión. Pérdida de alimentación. Arranque incontrolado. 29

30 16. OBJETIVOS» ARRANQUE MECÁNICO PERFECTO: Vencer el par inicial paulatinamente.» CONTROLAR EL PAR DEL MOTOR: Para controlar la aceleración del motor.» CONTROL DEL PARO: Decelerar de forma controlada.» MANTENIMIENTO: Ahorro en operaciones de mantenimiento de las instalaciones.» LIMITAR LA CORRIENTE DE ARRANQUE: Para no afectar a la red de suministro.» SANCIONES: Evitar penalizaciones por puntas de corriente que excedan la potencia contratada. Se puede conseguir ahorro en las facturas. 30

31 3 Arrancadores estáticos de Power Electronics PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO 31

32 17. ARRANCADORES ESTÁTICOS DE POWER ELECTRÓNICS 32

33 18. PRINCIPIOS DE LOS ARRANCADORES ESTÁTICOS» El principio de los arrancadores estáticos es el denominado: CONTROL DE FASE.» Controlando el instante de disparo de los tiristores se controla el valor de la tensión eficaz aplicada a la carga.» Con la conexión en antiparalelo de dos tiristores se puede controlar tensiones alternas y controlar semiciclos positivos y negativos. 33

34 18. PRINCIPIOS DE LOS ARRANCADORES ESTÁTICOS» Conexión de tiristores en antiparalelo.» Tensión eficaz aplicada a la carga. 34

35 19. MÉTODO DE ARRANQUE: RAMPA DE TENSIÓN» La rampa de tensión es un método de arranque en el que se aumenta progresivamente la tensión aplicada al motor: No existe desconexión de alimentación. El nivel de tensión inicial es ajustable. Se puede ajustar el tiempo. También se puede controlar la parada del motor. 35

36 Arrancador V5 20. MÉTODO DE ARRANQUE: CORRIENTE CONSTANTE» La corriente se fija a un valor determinado en función de la aplicación, por ejemplo (Ia=3xIn). Al principio la corriente se incrementa hasta alcanzar dicho valor. En este punto, el algoritmo de control no deja que la corriente disminuya. Para ello va incrementando la tensión de modo que se pasa de una curva a otra manteniendo la corriente constante durante el arranque. 36

37 20. MÉTODO DE ARRANQUE: CORRIENTE CONSTANTE» La corriente se fija a un valor determinado en función de la aplicación, por ejemplo (Ia=3xIn). Al principio la corriente se incrementa hasta alcanzar dicho valor. En este punto, el algoritmo de control no deja que la corriente disminuya. Para ello va incrementando la tensión de modo que se pasa de una curva a otra manteniendo la corriente constante durante el arranque. 37

38 4 Arranque de motores COMPARACIÓN DISTINTAS FORMAS DE ARRANQUE 38

39 21. COMPARACIÓN DISTINTAS FORMAS DE ARRANQUE: DATOS 39

40 22. COMPARACIÓN DISTINTAS FORMAS DE ARRANQUE: VENTAJAS 40

41 23. COMPARACIÓN DISTINTAS FORMAS DE ARRANQUE: DESVENTAJAS 41

42 24. COMPARACIÓN DISTINTAS FORMAS DE ARRANQUE: APLICACIONES Y COSTOS 42

43 25. COMPARACIÓN PROTECCIONES ARRANCADOR» FALTA DE FASE: Se controla si una o varias fases de entrada no suministran tensión al arrancador para parar. ESTRELLA TRIÁNGULO» FALTA DE FASE: No se puede controlar. Problemas de estabilidad y para generar par. El motor se quema si la protección no está bien diseñada.» SECUENCIA DE FASES: Se detecta si la secuencia correcta (R-S-T) para que el motor gire según las agujas del reloj, está o no cambiada.» SECUENCIA DE FASES: Si está cambiada, el motor gira en sentido contrario. Peligro para la aplicación. Sucede después de operaciones de mantenimiento por error en contactor.» DESEQUILIBRIO ENTRE FASES: Se controla si hay un desequilibrio en el consumo de corriente entre fases mayor al 40%» DESEQUILIBRIO ENTRE FASES: No se puede controlar. Si se trabaja con corrientes asimétricas, se producen vibraciones y con el tiempo problemas mecánicos. 43

44 25. COMPARACIÓN PROTECCIONES ARRANCADOR» SOBRECARGA MOTOR: Se ha detectado un consumo de corriente excesivo. Durante el arranque puede ser debido a un problema mecánico. En régimen nominal, puede ser por problemas de ajustes o por variaciones en la carga. Existe un aviso para esta señal que permite ser muy preciso en el ajuste. ESTRELLA TRIÁNGULO» SOBRECARGA MOTOR: No se detecta un consumo de corriente excesivo. El ajuste es muy impreciso. A medio largo plazo se acaba dañando.» SUBCARGA MOTOR: Se ha detectado un consumo de corriente inferior al ajustado. Está pensado para proteger la aplicación. (Por ejemplo, bombas sumergidas).» SUBCARGA MOTOR: No se puede detectar. 44

45 25. COMPARACIÓN PROTECCIONES ARRANCADOR» SOBREINTENSIDAD: La corriente que ha circulado por el arrancador el 6 veces la intensidad nominal del equipo. El rotor puede estar bloqueado. Existe información del momento del fallo: arranque, régimen nominal o deceleración. Rápida actuación. ESTRELLA TRIÁNGULO» SOBREINTENSIDAD: Existe protección contra sobrecorriente, pero no existe información del momento en el que se produce. Reintentos de arranque y problemas para el motor.» SOBRETEMPERATURA PTC MOTOR: Disparo por PTC del motor. Sobretemperatura del motor.» SOBRETEMPERATURA PTC MOTOR: Disparo por PTC del motor. Para detectar esto se necesita un hardware adicional, lo que incrementa el costo. 45

46 25. COMPARACIÓN PROTECCIONES ARRANCADOR» CORRIENTE DE SHEARPIN: La corriente del motor ha alcanzado el valor mayor ajustado en régimen nominal. El rotor puede estar bloqueado mecánicamente o puede haber un fallo mecánico. Protege la mecánica delicada.» ALTA TENSIÓN DE ENTRADA: Voltaje de red elevado. Verificar las tensiones de línea y los parámetros. ESTRELLA TRIÁNGULO» CORRIENTE DE SHEARPIN: No existe.» ALTA TENSIÓN DE ENTRADA: Si la tensión de red es elevada, puede trabajar, pero si la situación permanece, habrá una pérdida de aislamiento.» BAJA TENSIÓN DE ENTRADA: Voltaje de red bajo. Verificar las tensiones de línea y los parámetros. Ofrece un servicio al entrono de protección adicional: protección de armarios de mando.» BAJA TENSIÓN DE ENTRADA: Voltaje de red bajo. La corriente se incrementa. Si las protecciones no están bien diseñadas el motor se puede quemar. 46

47 » CONTROL DINÁMICO DE PAR: La serie V5 incorpora un Control Dinámico de Par, exclusivo de Power Electronics, que asegura un arranque suave y progresivo en aquellas aplicaciones que presentan un momento de inercia elevado. Con este algoritmo de control conseguiremos una aceleración progresiva y una optimización de la punta de corriente durante el arranque. 26. VENTAJAS ADICIONALES 47

48 » CONTROL DINÁMICO DE PAR: El par no está obligado a ajustarse a una forma predeterminada: lineal o cuadrática. El par va incrementándose en tanto se detecta que el motor no acelera. Tan pronto el motor acelera el para se mantiene. Si se quiere llegar antes al final, la rampa será más rápida. En ningún caso se está entregando más par del que se necesita, con lo que no se está perdiendo energía. 26. VENTAJAS ADICIONALES 48

49 » TARJETA DE CONTROL ÚNICA PARA TODAS LAS POTENCIAS: Se reduce el stock de repuestos. La resolución de averías es muy simple por la unificación de la electrónica. Existen LEDS y DISPLAY de información para el usuario que indica el tipo de avería. 26. VENTAJAS ADICIONALES» Tarjeta de control única 49

50 5 Análisis práctico CASO REAL 50

51 27. ANÁLISIS COMPARATIVO PRÁCTICO» Simulación de las cargas de un ascensor.» Comparación de comportamiento en el arranque.» Problemas para el motor.» Conclusiones. 51

52 28. ANÁLISIS CON PAR RESISTENTE DEL 15%» DATOS: Par resistente = 15% del Par nominal.» ESTRELLA-TRIÁNGULO: Tiempo de conmutación: 3seg. Velocidad: Aumenta progresivamente hasta el 60% y en la conmutación cambia bruscamente. Corriente: aumento brusco de 1.3 a 4 veces la In.» ARRANCADOR: Tiempo limitación corriente : 1seg. Velocidad: Aumenta progresivamente hasta el 100% sin cambiar bruscamente. Corriente: Controlada por la limitación de 3 veces la In. Aproximadamente en 2 seg. llega el final del arranque.» Medida de señales 52

53 29. ANÁLISIS CON PAR RESISTENTE DEL 25%» DATOS: Par resistente = 25% del Par nominal.» ESTRELLA-TRIÁNGULO: Tiempo de conmutación: 3seg. Velocidad: Aumenta progresivamente hasta el 20% y en la conmutación cambia bruscamente. Corriente: aumento brusco de 1.6 a 5 veces la In.» ARRANCADOR: Tiempo limitación corriente : 1seg. Velocidad: Aumenta progresivamente hasta el 100% sin cambiar bruscamente. Corriente: Controlada por la limitación de 3 veces la In. Aproximadamente en 2,5 seg. llega el final del arranque.» Medida de señales 53

54 30. ANÁLISIS CON PAR RESISTENTE DEL 35%» DATOS: Par resistente = 35% del Par nominal.» ESTRELLA-TRIÁNGULO: Tiempo de conmutación: 3seg. Velocidad: Se mantiene casi constante en un 16% y en la conmutación cambia bruscamente. Corriente: aumento brusco de 1.5 a casi 5 veces la In.» ARRANCADOR: Tiempo limitación corriente : 1seg. Velocidad: Aumenta progresivamente hasta el 100% sin cambiar bruscamente. Corriente: Controlada por la limitación de 3 veces la In. Aproximadamente en 3 seg. llega el final del arranque.» Medida de señales 54

55 31. RESUMEN DEL ANÁLISIS COMPARATIVO» Medida de señales 55

56 32. TENSIÓN EN UNA BOBINA DEL MOTOR» OBJETIVOS: Ver tensiones en el momento del cambio de estrella a triángulo.» RESULTADO: Momento de conmutación: Transitorio de 1700V pico a pico. 40ms después: Transitorio de 1400V pico a pico.» CONCLUSIÓN: Primer transitorio debido a rebotes mecánicos del contactor. Segundo transitorio debido a que la tensión del motor está en contra fase con la de la red.» Medida de señales 56

57 33. ANÁLISIS COMPARATIVO TOTAL» Con el incremento del par desde el 15% hasta el 35% del par nominal:» La velocidad pasa del 60%, luego el 20% y el 16% con el par mayor: A MEDIDA QUE AUMENTA EL PAR LA ESTRELLA TIENE PROBLEMAS PARA LANZAR EL MOTOR. TIEMPO DE CONMUTACIÓN FIJO.» La corriente sufre unos bruscos saltos que van desde 1,3-1,6 hasta 4-5 veces la nominal: CAMBIO BRUSCO EN LA VELOCIDAD, CAMBIO BRUSCO DE PAR Y CASTIGO DE LAS PARTES MECÁNICAS. 57

58 34. CONCLUSIONES FINALES» La corriente de pico en el arranque a igualdad de condiciones es SIEMPRE MEJOR con ARRANCADOR.» La corriente de pico en el arranque a igualdad de condiciones es SIEMPRE PEOR con ESTRELLA - TRIÁNGULO.» Con un par resistente superior al 35% de par nominal, el ARRANCADOR no tiene ningún problema para lanzar el motor.» Con un par resistente superior al 35% de par nominal, la ESTRELLA-TRIÁNGULO se comporta COMO un ARRANQUE DIRECTO, porque durante la estrella el motor no es capaz de acelerar.» ACELERACIÓN PROGRESIVA con el uso de ARRANCADOR: NO STRESS en las transmisiones.» ACELERACIÓN BRUSCA del motor con la conmutación de ESTRELLA-TRIÁNGULO: PROBLEMAS de fatiga mecánica. 58

59 34. CONCLUSIONES FINALES» Si hay un ELEVADO número de ARRANQUES, los TIRISTORES no tienen limitada la vida por exceso de maniobras debido a la AUSENCIA DE PARTES MÓVILES.» NO HAY MANTENIMIENTO PREVENTIVO, porque no hay partes móviles.» FLEXIBILIDAD PARA AJUSTES DE CORRIENTE MÁXIMA: evitamos caídas de tensión que afecten al edificio donde están instalados.» Si hay un ELEVADO número de ARRANQUES, con la configuración ESTRELLA-TRIÁNGULO tendremos PROBLEMAS.» SI ES NECESARIO MANTENIMIENTO PREVENTIVO (COSTO), por la vida media de los elementos mecánicos de las maniobras.» NO SE PUEDE AJUSTAR LA CORRIENTE MÁXIMA: tiempo de conmutación fijo, sin saber a qué velocidad está el motor.» CONFORT DE PASAJEROS: puesto que no hay cambios bruscos, sino paulatinos.» REDUCIDO CONFORT: existen cambios bruscos en la conmutación. 59

60 6 La Serie V5 ARRANCADORES DIGITALES 60

61 » Visualizaciones mediante display en castellano» Display inteligente» Protección de subcarga» Amplio rango de tensiones» Elementos de potencia modulares» Tarjeta de control única» Normativas internacionales y marcaje CE 35. LA SERIE V5» PROTECCIONES: Sobrecarga 0.8 a 1.2 In Tiempo actuación sobrecarga Subcarga 0.2 a 0.6 In Tiempo actuación subcarga Modo de corriente shearpin Corriente shearpin Termistor PTC Fallo de fase Desequilibrio de fases >40% Rotor bloqueado 61

62 Gracias por su atención Presentación ARRANCADOR V5. Comparativa con Arranque Estrella Triángulo Realización Pilar Navarro Organización Departamento de Marketing Power Electronics España, S.L.