VARIADORES DE VELOCIDAD DE MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y ARRANCADORES DE ESTADO SÓLIDO”

TECSUP - PFR Electrotecnia Industrial

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UNIDAD X

“VARIADORES DE VELOCIDAD DE MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y ARRANCADORES DE ESTADO SÓLIDO”

Variadores de Velocidad de Motor AC 1. INTRODUCCIÓN

El desarrollo de la Electrónica de Potencia en la permanente búsqueda de nuevos y mejores dispositivos así como el incremento en la velocidad de cálculo de los modernos microcontroladores ha permitido fabricar equipos eficientes para la generación de ondas de corriente alterna con frecuencia y tensión controladas (variadores de velocidad para motor AC) que, suministradas al motor hacen de éste una máquina tan versátil para el control del torque y velocidad, como lo es el motor DC; logrando que, en la actualidad se haya reducido el uso de los motores DC, sobre todo por su mayor precio y necesidad de mantenimiento causados por las escobillas y conmutador respecto de los motores de inducción asíncronos.

2. OBJETIVOS

El objetivo de esta unidad es la de analizar las características generales que gobiernan el funcionamiento de un variador de velocidad de motor AC, también denominado “variador de frecuencia” o “AC-Driver”, así como identificar los principales parámetros que nos servirán para la puesta en marcha de dichos equipos.

3. CONTENIDO

3.1. FUNDAMENTOS

Las características del motor de inducción AC se estudiaron en la Unidad I, en la cual se llegó a la conclusión que debido a la construcción del motor, es imposible controlar independientemente las corrientes que producen el torque y flujo magnético (ver ecuación 1-7). Por lo tanto, las prestaciones de control del motor de inducción AC eran muy pobres comparados con el logrado por el motor DC. Gracias al desarrollo de nuevos tipos de dispositivos de control de potencia, tal como el Transistor Bipolar de Compuerta Aislada (IGBT) y las cada vez más potentes herramientas de cálculo usadas con los microcontroladores, en la actualidad tenemos variadores de velocidad que logran prestaciones de control iguales al de los motores DC.

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A continuación veremos algunos de los métodos que inicialmente se trataron de usar para conseguir mejores prestaciones del motor AC. Observaran que los resultados son muy pobres razón por las cuales no tienen mucha aplicación. Luego tendremos una breve explicación de los modernos conceptos que se aplican para conseguir ciertas prestaciones de acuerdo con el tipo de proceso a controlar. 3.1.1. CONTROL POR VARIACIÓN DE VOLTAJE

La figura 1 muestra como resultado la característica torque vs velocidad de un motor de inducción cuando la tensión aplicada a su armadura es variable, manteniendo la frecuencia constante.

Figura 1

De esta figura queda claro que cuando la tensión de alimentación disminuye, el torque también disminuye, lo cual no es aceptable si se desea controlar velocidad del motor.

De la ecuación (1-7) se observa que tanto MI como 2I , son

directamente proporcionales a la tensión de alimentación. Como en este tipo de control el torque varía aproximadamente con el

cuadrado de la tensión de armadura, para nomVV . Entonces para

nomVV puede ocurrir saturación del núcleo magnético.

En general el control de tensión de la alimentación no es recomendado para aplicaciones prácticas.


251

3.1.2. CONTROL POR VARIACIÓN DE FRECUENCIA

La figura 2 muestra la característica torque vs. velocidad de un motor de inducción para varias frecuencias de alimentación y tensión constante. El aumento en la frecuencia de alimentación, asumiendo tensión

constante, hace que la corriente de magnetización MI disminuya

en proporción inversa, haciendo disminuir el torque generado. Por otro lado, una disminución de la frecuencia no hace aumentar

mucho el torque, luego que MI aumenta demasiado y entra en la

región de saturación.

Figura 2

El control de frecuencia de alimentación sólo tiene aplicación práctica, cuando se desea operar con el campo atenuado y encima de la velocidad base (nominal).

3.1.3. CONTROL VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL ROTOR.

La figura 3 muestra la característica torque vs. velocidad de un motor de inducción, para varias resistencias de rotor.


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Velocidad (%)

Torque Máximo

Torque

Nominal

(%)

r2n

r'2

r''2

r2c

Figura 3

Observe en esta figura que el valor máximo del torque se mantiene

en el rango de cn rrr 222 ( nr2 : resistencia nominal y cr2 :

resistencia crítica). En realidad 2r podría ser menor que nr2 , sin

embargo en este caso puede ocurrir sobre corriente excesiva para el arranque de la máquina. Por las características mostradas en la figura 3 se puede notar que este tipo de control puede tener aplicaciones prácticas. El problema

es que para tener acceso al rotor y poder variar la resistencia 2r , es

necesario que el mismo sea del tipo bobinado y existan anillos deslizantes lo cual lo hace de mayor tamaño, costoso y de mantenimiento excesivo.

3.1.4. CONTROL DE VELOCIDAD TIPO V/F CONSTANTE. De los tres métodos de control vistos, solamente el último es viable cuando se desea torque máximo en todo el rango de variación de velocidad. Sin embargo para motores con rotor del tipo jaula de ardilla este control no puede ser aplicado. Comparando la expresión del torque dado en la ecuación (1-7) con

la del motor DC (ecuación 1-3) notamos que MI corresponde a la

corriente FI (campo), mientras que 2I corresponde a la corriente

de armadura aI . Por otro lado, se tiene que:

M

MM

L

VI

(3-1)


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o en el caso de los valores nominales:

Mnom

nomM

nomML

VI

(3-2)

donde se tiene que:

MnomM

nom

nomMLI

V

(3-3)

es una relación, cuyo valor debe ser igual al flujo magnético máximo en la máquina, multiplicado por una constante. Para tener el control del torque constante la tensión y la frecuencia deben ser variables, justo lo necesario para que flujo magnético sea controlado y mantenido a su valor máximo. Esto puede ser conseguido si la tensión y frecuencia varían de tal forma que:

teconsLIVV

MnomM

nom

nomMM tan

(3-4)

Haciendo este tipo de control, las características torque vs. velocidad de un motor de inducción queda como se muestra en la figura 3-4. Con esto, por lo menos para el régimen permanente, el motor de inducción pasa a tener características de operación similar al de un motor DC.

Figura 4


254

3.2. ETAPA DE POTENCIA

3.2.1. TIPOS DE VARIADORES DE VELOCIDAD DE MOTOR AC

Para propósitos generales, los controladores de variadores AC de frecuencia ajustable son fabricados en tres tipos: Voltaje de Entrada Variable (VVI), Entrada de Fuente de Corriente (CSI) y Modulación por Ancho de Pulso (PWM). Cada uno tiene ventajas características específicas. Voltaje de Entrada Variable (VVI) Aunque este diseño fue común en la década de los 70s y comienzos de los 80s, es hoy en día limitado para aplicaciones especiales tal como variadores que desarrollan alta velocidad (400 a 3 000 Hz). El diseño VVI, recibe voltaje AC de la planta, lo rectifica y controla, desarrollando un voltaje DC variable hacia el amplificador de potencia (etapa inversora). El amplificador de potencia invierte el voltaje DC variable a frecuencia variable y voltaje variable AC. Esto puede ser realizado por transistores de potencia o SCRs. La salida de voltaje desde una unidad VVI es frecuentemente llamada “onda de seis pulsos”. El VVI fue uno de los primeros variadores AC de estado sólido que tuvo aceptación general. Ver figura 5.

Inversor Fuente de Corriente (CSI). Se usa en variadores con potencias mayores a 50HP. Las unidades CSI se encuentran bien situadas para el manejo de bombas y ventiladores como una alternativa de ahorro de energía para el control de flujo. Capaces de trabajar con eficiencias cercanas a los variadores DC, el diseño CSI ofrece economía sobre las unidades VVI y PWM para aplicaciones en bombas, ventiladores y similares. El CSI ofrece capacidad de regeneración. Con una sobre carga, el controlador alimenta energía de retorno al sistema AC. Ver figura 5. Modulación por Ancho de Pulso (PWM) Muchas unidades PWM (frecuentemente llamadas “variadores V/Hz”) ofrecen operación a cero velocidad. Algunos proporcionan rango de frecuencias cercanos a 200:1. Este amplio rango es posible pues el controlador convierte voltaje de entrada AC a un voltaje DC fijo por medio del rectificador de potencia. Luego de este amplificador, el voltaje DC es modulado por medio de un inversor para producir pulsos de diversos anchos, para variar


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el voltaje efectivo. A pesar que el voltaje es modulado, la forma de onda de la corriente es cercana a una onda senoidal, mucho mejor que cualquier otro sistema. Las unidades PWM usan transistores de potencia IGBT’s.

Figura 5

Observando las formas de onda de corriente de la figura 5, deducimos que el variador tipo PWM es el que proporciona mejor calidad de corriente al motor AC, logrando que trabaje con mejor eficiencia y produciendo un control de torque más fino. Son por lo tanto los más usados en la actualidad. La onda de voltaje producida por el variador tipo PWM se denomina “Seno PWM” y es producto del trabajo a gran velocidad (llegando hasta 20 kHz) de los transistores IGBT, los cuales son comandados por medio de un sofisticado circuito de control micro computarizado.

3.2.2. EL TRANSISTOR IGBT

Los transistores bipolares de compuerta aislada comúnmente llamados IGBT’s son el resultado de muchas investigaciones desarrolladas por los fabricantes de componentes electrónicos, con el objetivo de conseguir un dispositivo de gran velocidad de conmutación, mínimo consumo de corriente de control y gran capacidad de soporte a voltajes y corrientes elevados. El símbolo del IGBT según norma alemana se muestra en la figura 6.


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Figura 6

Observe que los terminales Colector-Emisor normalmente vienen con un diodo “Damper” instalado en dicha posición para protección contra cargas inductivas. Para activar un IGBT (turn on), se debe aplicar voltaje de un valor determinado a sus terminales de control Gate-Emisor. El consumo de corriente de dicho terminal de control es prácticamente cero; por lo tanto se dice que el IGBT no consume corriente. Esto evita los retardos de tiempo asociados con dispositivos que consumen corriente de control tal como los transistores bipolares BJT. Un transistor IGBT responde rápidamente a los cambios de señal (menores a 1 us), reduciendo los niveles audibles en el motor AC mientras se esta controlando el torque y la velocidad. Y, su gran frecuencia de conmutación (frecuencia portadora) provee un control de corriente de gran respuesta dinámica. También, las pérdidas en un IGBT son muy pequeñas como resultado de disponerse en encapsulados compactos dentro del variador. Las medidas correctas del transistor IGBT mediante un multímetro digital en escala de diodos (Transistor IGBT con diodo Damper) se muestra en la figura 7. El valor “OL” de la tabla (3-1) representa máxima escala.

Figura 7

Gate

Emisor

Colector

GND

rojo

negro

Diodo

Damper


257

Cable Rojo Multímetro

Cable Negro Multímetro

Valor Medido (V)

C E OL

E C Ejm: 0,6

C G OL

G C OL

G E OL

E G OL

Tabla 1

3.2.3. EL INVERSOR PUENTE TRIFÁSICO La figura 8 nos muestra el circuito que puede cumplir con los requisitos solicitados por la ecuación (3-4). Por lo tanto el motor AC puede ser controlado a velocidades diferentes a su valor nominal y aún conservar las características nominales de su torque. La única forma de poder conseguir una onda de voltaje que cumpla con el requisito de cambiar proporcionalmente su voltaje y frecuencia al mismo tiempo, es por medio de un circuito Inversor. En la figura 8 se muestran las partes que conforman la etapa de potencia de todo tipo de variador de velocidad de motor AC en la actualidad.

VA

C

Resistencia

DB

Transistor

de Potencia

Banco de

Capacitores

Rectificador

R

S

T

Filtro +DC

-DC U WV

Inversor trifásico en puente

DB

Salida al Motor

Figura 8

La alimentación de entrada es VAC monofásico o trifásico dependiendo de la potencia del motor AC a controlar. Dicho voltaje AC es rectificado por medio de un puente de diodos. Luego tenemos la etapa de filtrado compuesta de filtro de corriente (bobina) y filtro de voltaje (capacitor), con el objetivo de disponer


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de una barra de voltaje DC lo más continua posible (bornes +DC/-DC). Dicha barra DC es la entrada al circuito inversor, el cual por medio del trabajo conmutado de los IGBT la convierte en un voltaje de salida (bornes U, V, W) denominada “Seno-PWM”, que cumple con el requisito de mantener la relación V/f a proporción constante.

3.2.4. VOLTAJE SENO-PWM La figura 9 muestra en forma detallada la onda “Seno-PWM” de salida del inversor trifásico en puente. La amplitud (Vd) de dicha onda es igual a la barra de voltaje DC (bornes +DC/-DC de entrada al circuito inversor). El motor recibe dicha onda de voltaje por los bornes de salida U,V,W y la filtra obteniendo corrientes (IU, IV. IW) casi senoidales. El promedio de voltaje eficaz “V” depende del ancho de los pulsos y la frecuencia efectiva “f” vista por el motor es 1/T. La velocidad de conmutación de los transistores IGBT es 1/t denominada “frecuencia portadora”. El resultado es que el motor recibe la relación “V/f” proporcional a sus valores nominales, consiguiendo que desarrolle su trabajo aún a velocidades menores que lo normal y sin pérdida de torque.

Figura 9

3.3. ETAPA DE CONTROL Si examinamos con detenimiento el modelo matemático del motor de inducción mostrado en la figura 20 de la unidad I, se puede notar que los circuitos de flujo y torque no están separados. En los terminales del motor AC se tienen tres cables que transportan el vector suma de las corrientes que producen flujo y torque. Esta es la razón


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por la cual el control vectorial de un motor AC es más dificultoso que el correspondiente a un motor DC. El reto para el control del variador de Velocidad de motor AC es distinguir ambas corrientes sin el beneficio de circuitos separados. La figura 10 nos muestra el problema. La corriente del estator I1 es el vector suma de las corrientes que producen flujo y torque. El ángulo entre IM e I2 cambia constantemente bajo diversas condiciones. La corriente del estator debe entonces ser variada con el fin de producir la corriente de torque requerida, mientras la corriente de magnetización debe ser mantenida.

IM

I2

carga 1

carga 2

d

r1

v

I1

r2

/s

I2

IM

I1

I1

Te= k

2 I

MI2Cos (d)

I1 = Corriente total en estator

IM

= Corriente que produce flujo

I2 = Corriente que produce torque

Figura 10

Desde que se tienen diversas variables envueltas en el cálculo de las corrientes, habrá entonces muchos modos de diseñar el control del variador. Estos incluyen esquemas directos e indirectos. Los esquemas directos miden eléctricamente el ángulo del flujo del rotor. El control indirecto de campo-orientado usa realimentación de velocidad o posición del motor y consideraciones de deslizamiento para suministrar comandos instantáneos de torque y flujo. El circuito PWM de potencia es comúnmente usado con tres tipos básicos de reguladores. Son estos reguladores los que determinan las capacidades del variador, incluyendo la respuesta, regulación de velocidad debido a cambios transitorios de carga y capacidad del torque a baja velocidad.

3.3.1. REGULADOR V/F.-

La configuración mas común y de menor costo, es usado en aplicaciones con o sin realimentación de velocidad. Este diseño ofrece generalmente los ajustes básicos de un variador, incluyendo ajuste de velocidad, límite de torque, V/Hz, peldaño de voltaje a bajas velocidades, mínima y máxima velocidad, tasas de


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aceleración y deceleración y otros ajustes similares, que reúnen los requerimientos para la mayoría de aplicaciones. El control V/f en su forma más simple lleva un comando de referencia de velocidad desde una fuente externa y varía el voltaje y frecuencia aplicado al motor. Debido a que mantiene una relación constante de V/f, el variador puede controlar la velocidad del motor conectado. No es capaz de regular el torque. En la figura 11 se muestra el diagrama de bloques del regulador V/f. Típicamente, un bloque limitador de corriente supervisa la corriente del motor y altera el comando de frecuencia cuando el motor excede el valor de corriente predeterminada. El variador sólo trabaja con la corriente total del motor y no puede distinguir los límites de capacidad de IM de I2. El pico de torque máximo es de 150%. El bloque “compensación de deslizamiento” altera la referencia de frecuencia cuando la carga cambia para mantener la velocidad actual del motor cerca de la velocidad deseada. Mientras este tipo de control es suficiente para muchas aplicaciones, no lo es tanto cuando se tienen aplicaciones que requieren gran rapidez de respuestas dinámicas, tal como cuando el motor debe trabajar a muy bajas velocidades o aplicaciones que requieren control directo del torque del motor en vez de frecuencia del motor.

Límite de

CorrienteV/f

VRef Control de

Voltaje

VRef

Señales

a GateMotor

Cálculo

Slip

Realimentación de Corriente

Frecuencia eléctrica

Compensación de deslizamiento

fref

+

+

Inversor

Figura 11


261

3.3.2. REGULADOR VECTOR BÁSICO Introducido a mediados de los 80s, este regulador fue un avance significativo sobre el diseño V/Hz. Cada unidad usa un método de aproximación para controlar el ángulo del flujo del rotor-estator para optimizar la operación del motor. Algunos variadores vector tenían la expectativa de tener regulación de velocidad en lazo abierto equivalente a un variador de velocidad DC con realimentación. Muchas unidades no se acercaron a estas expectativas. A pesar de esto el Vector Básico ofrece mejores rendimientos.

3.3.3. REGULADOR SENSORLESS VECTOR

Más recientemente, a mediados de los 90s, fueron introducidos muchos reguladores Vector mejorados. Estos tenían los recientes avances en microprocesadores y DSPs que enriquecieron significativamente las operaciones del variador, incluyendo la capacidad de regulación de respuesta y posición. Una razón para que las capacidades del Vector funcionaran mucho mejor es la habilidad de “ver” la EMF (fuerza contra-electromotriz) producida por el motor, entonces la circuitería ajusta el arranque de cada tren de pulsos PWM y la duración específica de cada pulso. Los variadores Vector se usan en prensas de impresión de alta velocidad, imprentas, bobinadoras y otros sistemas de maquinarias de trabajo coordinado. Los variadores Vector también se usan en sistemas de servo posicionamiento, como en las maquinas ovilladoras. Algunos pueden acelerar desde reposo a velocidad máxima en tiempos de 1 a 200 ms. Con todos estos tipos de variadores, una señal de realimentación de velocidad o posición mejora el trabajo del variador. En la figura 12 se muestra el tipo de regulador indicado, en donde se ha optado por tomar la señal de velocidad del motor mediante una dínamo-tacométrica en vez de estimarla con un observador. En cambio el torque generado y la intensidad magnetizante se obtienen del correspondiente observador.


262

Figura 12

3.4. CRITERIOS PARA PUESTA EN MARCHA

3.4.1. COMPROBACIÓN ESTADO ETAPA DE POTENCIA Los variadores de velocidad de motor AC tienen en general la bornera de potencia tal como se indica en la figura 13. El primer borne (GND) contado a partir de la izquierda es la “tierra” de la línea de entrada. Los bornes etiquetados como L1 (R), L2 (S) y L3 (T) son los que reciben a la fuente de alimentación VAC de la instalación. El borne +DB, es opcional y sirve para colocar una resistencia externa (proporcionada por el fabricante) que permita el modo de frenado dinámico (Dynamic Brake: DB) del motor. Los bornes U, V, W son la salida trifásica del variador, las que deben conectarse al motor de inducción AC a controlar. Y por último, el borne GND del extremo derecho debe conectarse a la masa del motor. El borne –DC normalmente se encuentra en un lugar cercano a la bornera.

GND L1 L2 L3 +DB U V W GND

Figura 13


263

Para efectuar las pruebas de la etapa de potencia, el equipo variador debe estar plenamente desconectado de la alimentación VAC por un tiempo de 3 minutos como mínimo para permitir la descarga del banco de condensadores. Luego de ubicados las borneras de potencia, con ayuda de la figura 3-8 y un voltímetro digital, procedemos a probar los diodos de la etapa rectificadora. Se recomienda usar escala de diodos del multímetro. Los bornes que intervienen en dicha prueba son: L1, L2, L3, +DB y –DB. Verifique el resultado según la tabla 2.

Cable Rojo Cable Negro Resultado

L1 +DC 0,4V aprox.

L2 +DC 0,4V aprox.

L3 +DC 0,4V aprox.

-DC L1 0,4V aprox.

-DC L2 0,4V aprox.

-DC L3 0,4V aprox.

Tabla 2

Observe que las otras posibles combinaciones de medida deben dar como resultado la máxima escala “OL” del multímetro. Para probar el estado del Inversor basta con escoger las borneras U, V, W, +DB y –DB; en donde sólo encontraremos lectura de diodos (los diodos Damper de protección), pues los IGBT’s miden máxima escala. Consultar la tabla 3 para comprobar el resultado de su medida.

Cable Rojo Cable Negro Resultado

U +DC 0,4V aprox.

V +DC 0,4V aprox.

W +DC 0.4V aprox.

-DC U 0,4V aprox.

-DC V 0,4V aprox.

-DC W 0,4V aprox.

Tabla 3

Las otras posibles combinaciones de medida deben dar como resultado la máxima escala “OL” del multímetro.


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La prueba del banco de condensadores se realiza con el multímetro en escala de ohmios observando que el valor de ohmios deba ir aumentando desde un valor mínimo hasta abrirse finalmente. Algunos fabricantes dan como información el tiempo de vida de los condensadores. Como por ejemplo el fabricante de variadores marca: MITSUBISHI, informa que sus bancos de condensadores deben ser reemplazados luego de 5 años de uso continuado. Lo recomendable es leer el manual del fabricante para saber cuantos años de vida útil le da al banco de condensadores antes de proceder a su reemplazo. Si los resultados de todas las medidas realizadas son satisfactorios, es decir lectura de los 12 diodos que se encuentran en el rectificador e inversor, se procede con el paso siguiente.

3.4.2. COMPROBACIÓN ESTADO ETAPA DE CONTROL

Para proceder a efectuar las pruebas de la etapa de control, se debe haber leído y comprendido la información proporcionada por el fabricante. Los variadores de velocidad de motor AC tienen un panel de programación que sirve además para poder visualizar el parámetro a ajustar. En la figura 14 se muestra como ejemplo el panel de programación proporcionado por el fabricante SIEMENS para su variador modelo: MICROMASTER VECTOR.

Figura 14


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La disposición de cada uno de los bornes correspondientes a la etapa de control se muestra en la figura 15.

Figura 15

De la figura anterior observamos que la bornera de control es una regleta de 26 bornes, de las cuales el fabricante nos da indicaciones de los pasos a seguir para efectuar las pruebas de funcionamiento. Como ejemplo para el caso del MICROMASTER, el fabricante nos dice que para las pruebas iniciales debemos: 1.- Comprobar si todos los cables se han conectado correctamente

y si se han cumplido todas las precauciones de seguridad relativas al equipo.

2.- Aplicar alimentación de la red al convertidor. 3.- Asegurar que el arranque del motor puede realizarse en forma

segura. Pulse el botón de MARCHA del variador. La visualización pasará a ser 5,0 Hz y el eje del motor comenzará a girar. El tiempo de aceleración a 5 Hz será de 1 segundo. Obviamente dichos valores de parámetros han sido programados en fábrica (“valores por defecto”) y nosotros podemos cambiarlos luego de asegurarnos que el equipo se encuentra operativo y así adaptarlo a nuestros requerimientos.

4.- Comprobar que el motor gira en la dirección correcta. Pulse el

botón de sentido DIRECTO/ INVERSO en caso sea necesario.


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5.- Pulsar el botón de PARADA. La visualización pasará a ser 0,0 y el motor comenzara a desacelerar hasta detenerse totalmente en 1 segundo.

Como se ha podido apreciar es muy importante que se tengan a la mano los manuales respectivos.

3.4.3. INSTALACIÓN DEL VARIADOR

Para realizar la instalación del variador se deben seguir estrictamente las recomendaciones dadas por el fabricante en el Manual de Instalación respectivo. Cómo ejemplo tenemos la información que proporciona el fabricante del equipo MICROMASTER VECTOR. Ver figura 16.

Figura 16

La figura 17 corresponde a información sobre instalación de un equipo variador de velocidad correspondiente al fabricante Allen-Bradley, modelo AB-1305.


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Figura 17

Para proceder al cableado del variador se tiene la figura 18 que corresponde al variador MICROMASTER.

Figura 18


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3.4.4. PUESTA EN MARCHA Para la puesta en marcha vamos a tomar como ejemplo a dos principales fabricantes de variadores, con los que efectuaremos una comparación de sus principales parámetros. Tales fabricantes son: SIEMENS con su variador modelo: MICROMASTER VECTOR; y ALLEN-BRADLEY con su variador modelo: AB1305 Parámetro Principales

NOMBRE DESCRIPCIÓN

MICROMASTER AB1305

Voltaje nominal de placa del motor.

Voltaje Base. Valor de voltaje impreso en la placa de datos del motor.

Frecuencia nominal de placa del motor.

Frecuencia Base. Valor de frecuencia impreso en la placa de datos del motor.

Límite de intensidad de corriente del motor.

Límite de corriente. Es la máxima corriente que podrá recibir el motor.

Frecuencia mínima del motor.

Mínima frecuencia. Es la mínima frecuencia que el variador suministra al motor.

Frecuencia máxima del motor.

Máxima Frecuencia. Es la máxima frecuencia que el variador suministra al motor.

Selección del origen para la consigna de frecuencia.

Selección de Frecuencia 1.

Es la frecuencia de comando que el variador va a obedecer. Ver detalles mas adelante.

Frenado mixto, Frenado por inyección DC, Frenado.

Selección de parada. Este comando selecciona el modo de frenado cuando recibe la señal de parada.

Frecuencia de modulación.

Frecuencia de portadora.

Ajusta la frecuencia de conmutación de los IGBT’s.

Frecuencias fijas (Seleccionables por medio de entradas digitales DIN).

Frecuencias pre-definidas (Seleccionables por medio de entradas digitales SW1, SW2 y SW3)

Valores de frecuencia (8 en Micromaster y 7 en Allen-Bradley) almacenadas en celdas de memoria y que pueden ser seleccionadas como comando según la posición de interruptores ubicados en bornera de control.

Tiempo de aceleración.

Tiempo de aceleración 1.

Tiempo que tarda el motor en acelerar desde la posición de reposo hasta la frecuencia máxima ajustada.

Tiempo de desaceleración.

Tiempo de desaceleración.

Tiempo que tarda el motor en desacelerar desde la frecuencia máxima hasta la posición de reposo.

Salida analógica 1. Salida analógica. Señal de salida proporcional a algún parámetro elegido por el usuario.


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Análisis de algunos parámetros 1. Boost Voltaje.- En la figura 11, cuando se alimenta al motor

con V/f constante, se observa que existe pérdida de torque a bajas velocidades (frecuencias menores a 15 Hz). Para superar dicho problema se aplica un adicional de voltaje a la relación V/f logrando aumentar la curva de torque correspondiente a dicha región de baja velocidad. Tal técnica se conoce con el nombre de “Peldaño de Voltaje” o dicho en inglés como “Boost Voltaje”.

A continuación, en la figura 19 se muestra el parámetro “Boost Voltaje” en el equipo Allen-Bradley 1305.

Figura 19

Se observa que el parámetro “Boost Voltaje” es ajustable según los requerimientos de la carga y sólo tiene preponderancia para bajas velocidades.

2. Slip Compensation.- En la figura 11, se observa que existe

un bloque de cálculo de deslizamiento (“slip” en inglés), cuya salida se adiciona al valor de referencia de frecuencia. Esto es así porque no se tiene realimentación de velocidad y se sabe que el rotor del motor pierde velocidad conforme la carga se incrementa. Por lo tanto, existe una relación proporcional entre deslizamiento y carga. A mayor carga, mayor deslizamiento y por consiguiente la velocidad del motor disminuye ligeramente respecto de su valor anterior. Lo cual se manifiesta en el variador como si el motor no respondiese al comando de velocidad dado por teclado.

En el variador AB1305, se tienen los parámetros “Deslizamiento Nominal” (Rated Slip) y “Compensación Adicional de


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Aislamiento” (Slip comp. Adder), los que se encargarán de evitar dicha pérdida de velocidad. En el variador MICROMASTER, se tiene el parámetro “Compensación de deslizamiento” que se encarga del problema estudiado.

3. PWM Frequency.- es la “Frecuencia de Modulación” o

“Frecuencia de Portadora” y su valor por defecto es de 4 kHz. Este parámetro ajusta la frecuencia de trabajo de los transistores IGBT. La finalidad de ajustar dicho parámetro es:

Trabajo silencioso, entonces se ajusta dicho parámetro a un

valor mayor. Mayor distancia entre el motor y el variador, entonces el

valor de dicho parámetro debe ser disminuido. Las consecuencias que tenemos al incrementar la frecuencia de la portadora es:

Incremento de pérdidas en el convertidor, ante lo cual debe aplicarse reducción de potencia en el variador según lo indicado en la figura 20.

Incremento de emisiones de interferencia radioeléctrica (RFI).

Figura 20

4. Skip Freq.- Denominada “Frecuencia inhibida” en el variador

MICROMASTER y “Salto de frecuencia“ en el AB1305.

Su función es evitar los efectos de resonancia mecánica del sistema para determinadas frecuencias de trabajo del variador.


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Se suprimen las frecuencias que entregará el variador al motor, comprendidas dentro del parámetro indicado. Por lo tanto no será posible el funcionamiento estacionario dentro de la gama de frecuencias suprimidas.

Dicho parámetro trabaja conjuntamente con otro que le proporcionará el ancho de la banda de frecuencia prohibida.

Se tiene posibilidad de prohibir hasta tres bandas de frecuencia.

4. EJEMPLOS

4.1. CÁLCULO DEL DESLIZAMIENTO NOMINAL (RATED SLIP)

a) Se tiene la siguiente fórmula:

nom

nomnom

MotorAmp

AmpsDriveHz

MotorSíncronaVeloc

alNoVelocMotorSíncronaVelocSlipRated

.

min..

(3-5) Supongamos que tenemos un variador (Drive) y un motor de inducción con datos de placa: Variador 1 HP, 460 V 2,3 Amps Motor Velocidad síncrona = 1 800 RPM Velocidad nominal = 1 725 RPM Frecuencia nominal = 60 Hz Corriente nominal = 1,7 Amps. ¿Cuánto es el Deslizamiento Nominal? De la fórmula (3-5) se tiene:

HzSlipRated 38,37,1

3,260

1800

17251800

Por lo tanto se ajusta dicho parámetro a un valor de 3,40 Hz. Este parámetro compensa el deslizamiento inherente al interior de todo motor de inducción. Por lo tanto una frecuencia proporcional a la corriente es sumada a la frecuencia comando. Si el eje del motor decrece significativamente ante cargas muy pesadas, entonces dicho valor debe ser incrementado. Un ajuste de 0,0 Hz deshabilita la función.


272

4.2. CRITERIOS PARA AJUSTAR EL PARÁMETRO BOOST VOLTAGE

El parámetro “Boost Voltaje” tiene aplicación solamente a bajas velocidades. Supongamos que estamos con:

Frecuencia comando de 40 Hz (valor de referencia) y Frecuencia medida del motor en el panel es 39,8 Hz. Dicha diferencia

es aceptable (pues en modo de control V/f no se usa realimentación de velocidad) y da a entender que el parámetro “Slip Compensation” ha sido correctamente ajustado

Luego la frecuencia comando se ajusta a 10 Hz y La frecuencia medida en el panel es 7 Hz. Dicha diferencia nos indica

que: El motor AC está perdiendo torque. Por dicho motivo se ha desacelerado.

Lo que debemos hacer es darle inicialmente un valor mínimo de “Boost Voltaje” para que recupere torque a bajas velocidades. Observe los datos en el panel correspondiente a la velocidad medida en el motor. Si dicha velocidad ha subido de 7 a 8,5 Hz, es un buen indicio de que está funcionándole ajuste del parámetro.

Incremente ligeramente el valor del parámetro hasta que consiga recuperar la velocidad del motor a un valor muy cercano a los 10 Hz de referencia.

Se recomienda revisar si la temperatura en el motor alcanza niveles prohibitivos.

5. RESUMEN

Los variadores de velocidad ajustable AC están creciendo en popularidad, principalmente porque los motores AC son más simples que los motores DC. Además, avances recientes en la tecnología de los inversores han reducido los costos del controlador y potenciado el rendimiento y confiabilidad. Los variadores AC operan por ajuste de la frecuencia y voltaje a los motores AC. La frecuencia determina la velocidad del motor. Para mantener constante el torque, es necesario mantener el voltaje y frecuencia en una relación constante. Llamada Voltios por Hertz, es un valor ajustable en la mayoría de los variadores. Hay una excepción, voltaje a bajas frecuencias. En dicho rango de variación, el voltaje debe ser incrementado (boosted) para dar al motor torque extra para el rompimiento y aceleración inicial.


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6. PREGUNTAS DE AUTOCOMPROBACIÓN

6.1. EL MOTOR DE INDUCCIÓN ES EL MÁS USADO PORQUE:

a) Es barato. b) Es robusto. c) No necesita mantenimiento mensual. D) Todas las anteriores. e) N.A.

6.2. EL REGULADOR V/F NO TIENE MUCHA PRECISIÓN AL CONTROLAR LA VELOCIDAD DEL MOTOR AC PORQUE:

a) No sensa directamente la corriente I2. b) No utiliza realimentación de velocidad. c) Sólo controla torque y no velocidad. d) Respuestas a y b. e) Respuestas a y c.

6.3. EL PARÁMETRO “BOOST VOLTAGE” SE UTILIZA CUANDO: a) El motor trabaja a velocidad mayor que 30 Hz. b) El motor trabajando a 30 Hz tiene una caída de velocidad cuando se le aplica carga a su eje. c) El motor trabajando a 10 Hz tiene una caída de velocidad medida a 7 Hz al aplicarle carga. d) El motor trabajando a 10 Hz no tiene problemas con caída de su velocidad. e) N.A.

6.4. EL PARÁMETRO “SLIP COMP” SE UTILIZA CUANDO: a) El motor trabaja a velocidad mayor que 30 Hz. b) El motor trabajando a 30 Hz tiene una caída de velocidad cuando se le aplica carga a su eje. c) El motor trabajando a 10 Hz no tiene problemas con caída de su velocidad. d) El motor trabajando a 10 Hz tiene una caída de velocidad medida a 7 Hz al aplicarle carga. e) N.A.

6.5. LA ETAPA DE POTENCIA DEL VARIADOR AC ESTA CONFORMADO POR: a) Transistores IGBT. b) Diodos.


274

c) Condensadores. d) Todas las anteriores. e) N.A.

7. RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE AUTOCOMPROBACIÓN

Respuesta 6.1: (d) Respuesta 6.2: (d) Respuesta 6.3: (c) Respuesta 6.4: (b) Respuesta 6.5: (d)


275

ARRANCADORES ELECTRÓNICOS PARA MOTORES AC 1. INTRODUCCIÓN

En esta unidad analizaremos el principio de funcionamiento de un arrancador electrónico, sus conexiones internas, sus modos de operación y los diferentes tipos de arrancadores electrónicos existentes en el mercado, su selección y consideraciones de instalación.

2. OBJETIVOS

Al concluir la unidad el participante debe lograr los siguientes objetivos:

1. Identificar las características de un arrancador electrónico. 2. Evaluar y seleccionar los diferentes tipos de arrancadores electrónicos de baja

tensión apropiados para el arranque de un motor asíncrono. 3. ¿QUÉ SON LOS ARRANCADORES ELECTRÓNICOS?

Los arrancadores son dispositivos electrónicos, destinados al arranque de motores trifásicos del tipo "jaula de ardilla".

Se componen, básicamente, de un circuito de potencia y de un circuito de control, el cual provee al arrancador de las distintas variantes de arranque y funciones entre las cuales podemos citar:

Protección térmica.

Protección contra corto-circuitos.

Protección contra inversión.

Figura 1 Vista de arrancadores Sirius de Siemens


276

Para entender su principio de funcionamiento es importante conocer:

El principio de control del tiristor. La conexión antiparalelo de tiristores y El control de fase.

3.1. PRINCIPIO DE CONTROL DE UN TIRISTOR

Un tiristor es un semiconductor utilizado como interruptor, con dos terminales de potencia, denominados ánodo (A) y cátodo (K), y un terminal de control denominado puerta (G).

Principio de funcionamiento

Tiene por función conducir la corriente desde su terminal ánodo a su terminal cátodo, mientras su terminal de puerta esté activado. Si la tensión en el cátodo es superior a la del ánodo, el tiristor está polarizado en inversa y bloquea el paso de la corriente. Si la tensión en el ánodo es mayor que en el cátodo, el tiristor está polarizado en directa, y bloquea el paso de la corriente hasta que el terminal de puerta recibe un pulso positivo respecto al cátodo. Este pulso provoca la conducción del tiristor y la corriente circula de ánodo a cátodo. El tiristor continúa conduciendo cuando el pulso deja de aplicarse, y lo hace hasta que la corriente se anula, momento en el cual recupera su poder de bloqueo.

Figura 2 Símbolo del tiristor


277

Figura 3 Curva característica del tiristor

3.2. CONEXIÓN EN ANTIPARALELO DE TIRISTORES

Una conexión en paralelo de dos tiristores con los terminales invertidos se denomina en antiparalelo. En esta configuración, los tiristores pueden ser utilizados para controlar tensiones alternas. En el semiciclo positivo, SCR1 controla la corriente que circula hacia la carga. En los semiciclos negativos, SCR2 es el encargado de controlar la corriente circulante.

Figura 4 Conexión de tiristores en antiparalelo


278

3.3. CONTROL DE FASE

Controlando el instante de disparo de los tiristores podemos controlar el valor eficaz de la tensión aplicada a la carga. La figura 5 muestra la tensión aplicada a la carga según el instante de disparo de los tiristores.

La figura 5.a muestra la tensión en la carga cuando los tiristores son controlados con un gran ángulo de disparo. La tensión realmente aplicada a la carga, es comparativamente pequeña. La figura 5.b muestra la tensión en la carga cuando los tiristores se disparan en el punto medio de cada semiciclo. La tensión eficaz en la carga es ahora al 50% de la tensión de entrada. La figura 5.c muestra la tensión en la carga con un ángulo de disparo pequeño. La tensión eficaz es del orden del 80% de la tensión de entrada. El control de la tensión aplicada a la carga mediante el control del disparo de los tiristores se denomina control de fase, y es el principio de los arrancadores electrónicos.

Ahhhhhhh.... la conexión en antiparalelo de los tiristores es utilizada para controlar las tensiones alternas, ya que dejan pasar el semiciclo positivo y el negativo........


279

Figura 5.a Control de fase (gran ángulo de disparo, pequeña tensión en la carga)

Figura 5.b Control de fase (ángulo de disparo medio, media tensión

en la carga)


280

Figura 5.c Control de fase (pequeño ángulo de disparo, gran tensión

en la carga)

3.4. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS ARRANCADORES

ELECTRÓNICOS

Los arrancadores electrónicos consisten básicamente en un convertidor estático alterna-continua-alterna ó alterna-alterna, generalmente de tiristores, que permiten el arranque de motores de corriente alterna con aplicación progresiva de tensión, con la consiguiente limitación de corriente y par de arranque. En algunos modelos también se varía la frecuencia aplicada.

Al iniciar el arranque, los tiristores dejan pasar la corriente que alimenta el motor según la programación realizada en el circuito de maniobra, que irá aumentando hasta alcanzar los valores nominales de la tensión de servicio.

Figura 6 Arrancador electrónico

Ahhh!!!..... quiere decir que la tensión aplicada a la carga depende del instante de disparo de los tiristores........


281

La posibilidad de arranque progresivo, también se puede utilizar para detener el motor, de manera que vaya reduciendo la tensión hasta el momento de la detención.

En su forma más extendida, un arrancador electrónico está constituido por tres pares de tiristores en antiparalelo intercalados entre la línea y el motor (tarjeta de potencia). Mediante el control del disparo de los tiristores puede ser reducida la tensión aplicada al motor.

Estos tiristores son controlados mediante pulsos de disparo generados por la tarjeta de control. Los pulsos de disparo son aplicados a los tiristores a través de un transformador de pulsos o un optoacoplador, que proporciona aislamiento galvánico entre los circuitos de control y los de potencia. Así pues, el arrancador puede ser puesto en marcha o parado, y la tensión aplicada al motor controlada automáticamente, a partir de la tarjeta de control.

Figura 7 Diagrama de bloques de un arrancador

Los arrancadores incorporan funciones adicionales tales como la medida de la corriente que circula por el motor, proporcionando una protección contra sobrecargas térmicas. Con todo, se requieren fusibles de entrada a fin de proteger los tiristores y el motor contra sobrecargas y cortocircuitos.


282

Además poseen protecciones por asimetría, contra sobretemperatura y sobrecarga, contra falla de tiristores, vigilancia del tiempo de arranque con limitación de la corriente, control de servicio con inversión de marcha, optimización del factor de potencia a carga parcial, maximizando el ahorro de energía durante el proceso y permiten un ahorro en el mantenimiento por ausencia de partes en movimiento que sufran desgastes.

Figura 8 Estructura de un arrancador

Ahhhh....ya entiendo !!!! Un arrancador electrónico está constituido por tres pares de tiristores en antiparalelo, un par por cada fase de la línea de alimentación....y mediante el CONTROL DEL DISPARO de los tiristores puede controlarse la tensión aplicada al motor.......

Tarjeta de potencia

Tarjeta de control


283

3.5. MODOS DE OPERACIÓN

Los siguientes modos de operación son estándar para un controlador de arrancador electrónico: Arranque suave. Arranque con límite de corriente. Refuerzo en el arranque. Parada suave.

3.5.1. ARRANQUE SUAVE

El método más común de arranque es el arranque suave. El parámetro de par inicial puede ser seleccionable como porcentaje del par de rotor bloqueado en un rango aproximado del 15 al 65% del valor total. El tiempo de arranque es ajustado al requerido.

Figura 9 Arranque suave

Un nivel de tensión inicial dado permite lograr un par inicial que haga que el motor gire cuando se le dé la orden de arranque. Esto permite lograr que los arrancadores reemplacen óptimamente a los arrancadores estrella-triángulo, que arrancar con el par de la conexión estrella. Sus aplicaciones son en todo tipo de herramientas, cintas transportadoras, ventiladores, compresores y bombas.


284

3.5.2. ARRANQUE CON LÍMITE DE CORRIENTE

Este modo de arranque se usa cuando es necesario limitar la máxima corriente de arranque. Ésta corriente máxima es seleccionable y se puede ajustar desde el 150 al 450% aproximadamente del amperaje a plena carga. El tiempo de arranque con límite de corriente puede ser ajustado en un rango de 2 a 15 segundos aproximadamente.

Figura 10.a Arranque con límite de corriente

Figura 10.b Arranque con límite de corriente


285

El arranque con limitación de corriente es aplicable en el arranque de cargas de elevada inercia.

3.5.3. REFUERZO EN EL ARRANQUE SELECCIONABLE

La función de refuerzo en el arranque proporciona un impulso de arranque para iniciar el movimiento de la carga la que puede requerir un impulso de alto par para arrancar. Un arrancador se concibe para proporcionar un impulso de corriente de 450% de la corriente a plena carga y el tiempo debe ser ajustable desde 0,0 a 1,5 segundos aprox. según sea el tipo de arrancador.

Figura 11 Refuerzo de arranque

Algunas cargas como ventiladores, bombas, etc., pueden requerir un alto par de arranque; para esto el arrancador dispone de un impulso de corriente dado en un tiempo determinado, lo que permite generar el par necesario para vencer esa inercia.

3.5.4. PARADA SUAVE

Esta función se puede usar en aplicaciones que requieren una parada libre prolongada. Cuando está seleccionada, el tiempo de parada es 100, 200 ó 300% del tiempo de arranque. Los tiempos de arranque y parada se ajustan de manera dependiente. La carga se detendrá cuando el voltaje cae a un punto donde el par de carga es mayor que el par del motor.


286

Figura 12 Parada suave

La selección de parada suave, evita por ejemplo, los dañinos golpes de ariete en las cañerías durante la parada de las bombas; y la detención por inyección de corriente continua para parada más rápida de masas en movimiento.

3.6. FUNCIONES PRINCIPALES

3.6.1. SOBRECARGA ELECTRÓNICA

Los arrancadores electrónicos cumplen con requisitos aplicables como dispositivos de protección contra sobrecarga del motor. La protección contra sobrecarga se realiza electrónicamente a través de un algoritmo I2t. La sobrecarga y la clase de desconexión son seleccionable. La especificación de corriente a plena carga del motor se establece mediante un potenciómetro. La opción de reajuste de sobrecarga se puede operar manual o automáticamente.

¿Cuándo se usa el arranque con límite de corriente?


287

3.6.2. INDICACIÓN DE FALLO

Los controladores de los arrancadores electrónicos pueden monitorear los modos de prearranque y funcionamiento, esto mediante LED’s de encendido y fallo. Si el controlador detecta un fallo, el controlador desactiva el motor y el LED correspondiente indica la condición de fallo. El controlado puede monitorear las siguientes condiciones: Sobrecarga. Sobretemperatura. Inversión de fases. Pérdida de fase/carga abierta. Desequilibrio de fase. SCR en cortocircuito.

Cualquier condición de fallo causará un cambio en los contactos auxiliares y la desconexión del circuito de retención. Todos los fallos pueden borrarse oprimiendo un botón de restablecimiento o retirando la alimentación del control. La sobrecarga y la sobretemperatura son condiciones basadas en tiempo que quizás necesiten de enfriamiento adicional antes de que el restablecimiento pueda llevarse a cabo.

3.7. CONSIDERACIONES CON RESPECTO A LA RAMPA DE TENSIÓN Y

LÍMITE DE CORRIENTE EN ARRANQUE

La rampa de tensión es el método de arranque en el que se aumenta progresivamente la tensión aplicada al motor (arranque suave). En la figura 13.a la tensión de salida del arrancador efectúa una rampa desde 0 al 100% en cuatro segundos. Sin embargo es conveniente señalar que existe un retardo entre el comienzo de la rampa y el momento en que el motor comienza a girar. El tiempo de rampa es ajustable por el usuario.


288

Figura 13.a Rampa de tensión en arranque

Figura 13.b Aplicación de la tensión inicial

Normalmente, un nivel de tensión inicial es ajustable por el usuario, lo que permite fijar el comienzo de la rampa. En el ejemplo de la figura 13.b, el nivel de tensión inicial ha sido fijado al 40%, lo que permite que el motor comience inmediatamente a girar cuando se da la orden de arranque. El arranque con corriente limitada es un método que sólo es utilizable cuando el arrancador mide permanentemente la corriente de salida. La corriente máxima de arranque es preseleccionada por el usuario. Al principio del arranque, se mantiene la rampa de tensión prefijada en tanto la corriente permanece por


289

debajo del valor máximo prefijado. Llegados a este punto, la rampa de tensión se ajusta para mantener la corriente en este valor o por debajo de él.

Este método es utilizable si se desea limitar la corriente máxima en el arranque debido, por ejemplo, a la insuficiente capacidad de la alimentación. Así mismo, es también un buen método para arrancar cargas de elevada inercia que son aplicadas al motor únicamente cuando este gira a la velocidad nominal. Ejemplos: ventiladores, hojas de sierra, etc.

En la figura 14.a se ha seleccionado una corriente límite del 400%, y el proceso de aceleración de la carga se realiza sin problemas. Sin embargo, en la figura 14.b, la corriente límite se ha seleccionado al 200%, y en un punto del ciclo de aceleración, el par resistente ofrecido por la carga se hace superior al disponible en el eje del motor. Llegados a este punto, el motor es incapaz de accionar la carga y termina parándose.

Figura 14.a Corriente suficiente en el arranque


290

Figura 14.b Límite de corriente insuficiente en el arranque

3.8. VENTAJAS

Los arrancadores electrónicos ofrecen frente al arranque directo las siguientes ventajas:

Protegen el motor, reduciendo el par de arranque. Aseguran la alimentación frente a picos peligrosos, ya que disminuyen el

consumo de intensidad. El control por corte de fases alimenta al motor en el inicio con una tensión

reducida. Dicha tensión se incrementa gradualmente, con lo que se evitan los efectos producidos en la conmutación ó los generados por ejemplo con los arrancadores estrella-triángulo. Una vez que el incremento de tensión se ha realizado adecuadamente, el motor se alimenta directamente con la tensión de red.

No solamente se puede realizar un arranque con par reducido como en el caso de los arranques estrella-triángulo, sino que también se evita la inercia del accionamiento cuando se produce la desconexión del motor, a través de una función integrada de parada suave.

Durante el tiempo total de arranque, la intensidad se mantiene, por medio

del control de dos fases, en los valores mínimos posibles.


291

El pico de intensidad, inevitable en la conmutación de los arranques estrella-triángulo, no se produce con los nuevos arrancadores electrónicos, ya que estos suministran la tensión de manera progresiva.

Adicionalmente, los picos de intensidad transitorios se evitan de forma

automática, por medio de una función especial de mando de la etapa de potencia.

3.9. SELECCIÓN DE ARRANCADORES

En ésta sección veremos los diferentes tipos de arrancadores presentes en el mercado dentro de lo que mencionaremos las marcas más importantes: Siemens y Allen Bradley. Para estas dos marcas tenemos los siguientes tipos: Los arrancadores Sirius de Siemens. Los arrancadores SMC de Allen Bradley.

A continuación describiremos las características importantes de los arrancadores de estas dos marcas que nos permitan hacer una buena selección.

3.9.1 ARRANCADORES ELECTRÓNICOS SIRIUS DE SIEMENS

Los arrancadores Sirius de Siemens se dividen en dos grupos según la potencia: El Sirius 3RW30 y 3RW31. El Sikostart 3RW22.

EL SIRIUS 3RW30 Y 3RW31

Se seleccionan por tamaños según la potencia del motor requerida, tenemos los S00, S0, S2 y S3.

IMPORTANTE... !!


292

Figura 15 Arrancadores Sirius de Siemens

La selección se basa en la aplicación según el tipo de motor, su potencia, la tensión y la intensidad de trabajo. Las siguientes tablas nos permiten seleccionar el tipo de arrancador Sirius según estas magnitudes.

TABLA 1 DE SELECCIÓN DEL ARRANCADOR SIRIUS 3RW30 DE SIEMENS

Arrancadores suaves para motores trifásicos asíncronos

Tamaño Potencia del motor

en kW a 230V

Potencia del motor en kW a

400V

Intensidad del aparato

en A Referencia

S00 0,55 1,1 6 3RW30 14-1CB*4

S00 0,75 1,5 6 3RW30 14-1CB*4

S00 1,1 2,2 6 3RW30 14-1CB*4

S00 1,5 3 6 3RW30 14-1CB*4

S00 2,2 4 9 3RW30 16-1CB*4

S0 3 5,5 12,5 3RW30 24-1AB*4

S0 4 7,5 16 3RW30 25-1AB*4

S0 5,5 11 25 3RW30 26-1AB*4

S2 7,5 15 32 3RW30 34-1AB*4

S2 11 18,5 38 3RW30 35-1AB*4

S2 15 22 45 3RW30 36-1AB*4

S3 18,5 30 63 3RW30 44-1AB*4

S3 22 37 75 3RW30 45-1AB*4

S3 30 45 100 3RW30 46-1AB*4

S3 - 55 100 3RW30 46-1AB*4

* añadir 0 para 24V y 1 para 110 - 230 V

Tipo S2


293

Tabla 2. para motores con temperatura ambiente máxima de 40 ºC

Arrancadores suaves para motores monofásicos

Tamaño Potencia del motor en kW a 115V


230V


en A Referencia

S0 2,2 4 25 3RW30 26-1AA12

S2 3 5,5 38 3RW30 35-1AA12

S3 5,5 11 75 3RW30 45-1AA12

TABLA 3 DE SELECCIÓN DEL ARRANCADOR SIRIUS 3RW31 DE SIEMENS

Arrancadores suaves con control de dos rampas para motores trifásicos con dos velocidades

Tamaño Potencia del motor

en kW a 230V


500V


en A Referencia

S0 3 - 12,5 3RW31 24-1CB14

S0 4 - 16 3RW31 25-1CB14

S0 5,5 - 25 3RW31 26-1CB14

S0 - 7,5 12,5 3RW31 24-1CB15

S0 - 11 16 3RW31 25-1CB15

S0 - 15 25 3RW31 26-1CB15

EL SIKOSTART 3RW22

Los arrancadores SIKOSTART de estado sólido están especialmente indicados para arranques suaves, frenado, parada y ahorro de energía en operaciones con motores trifásicos asíncronos. Sus áreas de aplicación son, por ejemplo, herramientas, cintas transportadoras, ventiladores, compresores y bombas.

Figura 16 Arrancador Sikostart de Siemens


294

La unidad compacta SIKOSTART 3RW22 proporciona elevadas características, como arranque suave sin impulsos de sobrecorriente, rampas de voltaje y limitación de voltaje o corriente, al igual que cualquier combinación de lo mencionado. La siguiente tabla nos permite seleccionar el tipo de arrancador Sikostart según la tensión, potencia y corriente de trabajo.

TABLA 4. DE SELECCIÓN DEL ARRANCADOR SIKOSTART 3RW22 DE SIEMENS

Arrancadores suaves con control de dos rampas para motores trifásicos con dos velocidades

Intensidad asignada en A

kW (230 V) kW (400 V) Peso

aproximado en Kg

Referencia

7 1,5 3 1,5 3RW22 21-1A*5

10,5 2,2 4 2,9 3RW22 23-1A*5

22 5,5 11 2,9 3RW22 25-1A*5

28 7,5 15 3,4 3RW22 26-1A*5

35 10 18,5 4,8 3RW22 27-1A*5

45 11 22 4,8 3RW22 28-1A*5

50 15 25 8,1 3RW22 30-1A*5

70 18,5 37 8,1 3RW22 31-1A*5

Con protección electrónica del aparato y puerto serie RS232

100 30 55 14 3RW22 34-0DB15

135 37 75 14 3RW22 35-0DB15

160 45 90 16 3RW22 36-0DB15

235 75 132 19 3RW22 38-0DB15

300 90 160 19 3RW22 40-0DB15

355 110 200 19 3RW22 41-0DB15

450 132 250 44 3RW22 42-0DB14

560 160 315 44 3RW22 43-0DB14

700 200 400 44 3RW22 45-0DB14

865 300 500 75 3RW22 47-0DB14

1200 400 710 104 3RW22 50-0DB14

Tabla para motores de 200 a 500 V (salvo modelos de intensidad superior a

355 A, que son hasta 415 V)

* añadir: A0 versión estándar, B0 con protección electrónica, B1 con protección electrónica y puerto RS 232

Tabla para motores con temperatura ambiente máxima de 40 ºC


295

3.9.2. ARRANCADORES ELECTRÓNICOS SMC ALLEN BRADLEY

Allen Bradley tiene dos tipos: El SMC-Delta El SMC-3

Figura 17 Arrancadores electrónicos SMC de Allen Bradley

Las líneas de controladores SMC de Allen Bradley arrancan o detienen motores de inducción de CA de ½ HP hasta 25 HP. Allen Bradley tiene dos controladores SMC, el SMC-Delta y el SMC-3. Algunas de las funciones clave de cada uno de ellos se indican en la siguiente tabla, donde se puede ver su diferencia más importante, el rango de corriente de operación.

Funciones

Controlador SMC-Delta

Controlador SMC-3

200-600V 1...64 A

200-600V 1...37 A

Arranque suave *

Refuerzo en el arranque *

Arranque con límite de corriente * *

Parada suave *

Parada libre * *

Fallo aux.- normalmente abierto * *

Contacto auxiliar *

Indicación de fallo * *

Protección contra sobrecarga * *

Inversión de fases *

Desequilibrio de fases * *

* = Funciones disponibles

SMC-Delta SMC-3


296

ARRANCADOR ELECTRÓNICO SMC-DELTA

El controlador inteligente de motor SMC-Delta es un controlador compacto, de estado sólido multifuncional, utilizado en motores en estrella-triángulo tradicionales de 6 conductores. SMC-Delta es un dispositivo de reemplazo para aplicaciones tradicionales de arrancadores de motor electromecánicos.

El cableado de alimentación del controlador SMC-Delta se conecta en una configuración dentro de delta al motor en estrella-triángulo de 6 conductores. No se necesitan conexiones individuales en configuraciones en estrella y triángulo ya que el controlador SMC-Delta aplica un arranque de voltaje reducido electrónicamente. El parámetro de límite de corriente del arranque se puede ajustar para satisfacer los requisitos de la aplicación. Otras características exclusivas del SMC-Delta utilizado para aplicaciones estrellan- triángulo, son la derivación incorporada, los rectificadores controlados por silicio (SCR) que controlan las tres fases y una capacidad de 350% del valor nominal durante 15 segundos a 50 ºC.

Parámetros Rangos

Rangos de corriente 3 a 64 A

Rangos de tensión 200 a 600 V

Frecuencias 50/60 Hz

Voltaje de control 24 V ca/cc y 100 a 240 V ca

Figura 18 Arrancador electrónico SMC-Delta


297

Esto incluye aplicaciones de hasta 40 HP

ARRANCADOR ELECTRÓNICO SMC-3

El controlador inteligente de motor SMC-3 es un controlador compacto, multifuncional, de estado sólido empleado para uso con motores de inducción, trifásicos, tipo jaula de ardilla, para arranque a voltaje reducido, y para control de cargas resistivas.

Parámetros Rangos






Figura 19 Arrancador electrónico SMC-3


298

3.9.3. EJEMPLO DE SELECCIÓN DE ARRANCADORES

Las aplicaciones típicas de los arrancadores están orientadas al control de:

Grúas puente. Puertas elevadas. Transportadores. Equipo de manejo de materiales. Compresores. Ventiladores y bombas. Elevadores. Ascensores.

A modo de ejemplo de selección de arrancadores describiremos un sistema de bombeo que requiere arranque suave.

DEFINICIÓN DEL PROBLEMA Una compañía de agua municipal tiene problemas con los impulsores de sus bombas. Los daños se producen durante el arranque directamente de la línea y es causado por el fuerte choque del impulsor. El motor de la estación de bombeo está a más de 30,5 metros (100 pies) por debajo del suelo, lo cual hace costosa la reparación. Una preocupación adicional es los frecuentes fallos de línea que resultan de someter al motor a una condición monofásica.

Figura 20 Sistema de bombeo


299

SOLUCIÓN

Selección del arrancador Se seleccionará el arrancador de las marcas más vigentes en el mercado. Podríamos sugerir dos marcas conocidas: Siemens y Allen Bradley. Si nos decidimos por la marca Allen Bradley, en esta marca tenemos dos tipos de arrancadores: los SMC-Delta y los SMC-3. La selección entre los dos dependerá de los rangos de tensión y corriente en que trabajan y de las funciones que se requieren, en este caso arranque suave, arranque con límite de corriente y protección contra sobrecarga. La siguiente tabla muestra comparativamente los rangos de trabajo y las funciones de cada uno de ellos. Nuestra tensión es 480V para una potencia de 25 HP (18,5 kW).

Funciones

Controlador SMC-Delta

Controlador SMC-3

200-600V 1...64 A

200-600V 1...37 A

Arranque suave *

Refuerzo en el arranque *

Arranque con límite de corriente * *

Parada suave *

Parada libre * *

Fallo aux.- normalmente abierto * *

Contacto auxiliar *

Indicación de fallo * *

Protección contra sobrecarga * *

Inversión de fases *

Desequilibrio de fases * *

Entonces elegimos el arrancador SMC-3

De los rangos de trabajo del SMC-3 podemos observar que estamos en el rango, ya que nuestra aplicación trabaja a 25 HP y 480 V.

Parámetros Rangos







300

CONCLUSIÓN Se instaló el arrancador SMC-3, el cual proporciona una aceleración controlada del motor, se redujo el choque del impulsor disminuyendo el par durante el arranque; los diagnósticos de línea del arrancador apagan el motor después que este detecta la condición de prearranque y funcionamiento monofásico, esto protege a la bomba contra daño del motor.

3.10. CONFIGURACIÓN E INSTALACIÓN

En ésta sección veremos a modo de ejemplo la configuración y algunas consideraciones de instalación del arrancador SMC-3 de Allen Bradley.

3.10.1. CONFIGURACIÓN DE ARRANCADORES ELECTRÓNICO

SMC-3 DE ALLEN BRADLEY

Los arrancadores SMC-3 se configuran mediante el seteado de los microinterruptores DIP dispuestos en su parte frontal.

MICROINTERRUPTORES DIP

La siguiente figura permite ubicar los microinterruptores en la parte frontal del arrancador.

Figura. 21 Microinterruptores DIP del SMC-3 de Allen Bradley


301

3.10.2. FUNCIÓN DE LOS MICROINTERRUPTORES

Cada dip-swicth del grupo de microinterruptor cumple una función. La siguiente tabla muestra estas funciones por posición del microinterruptor.

Número de posición

Descripción

1 Tiempo de arranque.

2 Tiempo de arranque.

3 Modo de arranque (límite de corriente o arranque suave).

4

Parámetro de arranque con límite de corriente (cuando está seleccionado) ó Parámetro de par inicial de arranque suave (cuando está seleccionado).

5

Parámetro de arranque con límite de corriente (cuando esta seleccionado) ó Parámetro de par inicial de arranque suave (cuando está seleccionado).

6 Parada suave.

7 Parada suave.

8 No usado.

9 Refuerzo en el arranque.

10 Refuerzo en el arranque.

11 Selección de clase de sobrecarga.

12 Selección de clase de sobrecarga.

13 Restablecimiento de sobrecarga.

14 Relé auxiliar #1 (velocidad normal o nominal).

15 Relé auxiliar #2 (opcional).

16 Verificación de rotación de fase.

3.10.3. CONFIGURACIÓN DE LOS MICROINTERRUPTORES

Cada dip-swicth o cada par de dip-swicth según la función pueden ser configurados de la siguiente manera. Las siguientes tablas muestras todas las opciones de configuración permisibles.

Tiempo de arranque

Pos Dip1 Dip2 Tiempo (s)

On 2

Off

On 5

Off

On 10

Off

On 15

Off


302

Modo de arranque

Pos Dip3 Parámetro

On Límite de corriente

Off

On Arranque suave

Off

Parámetro de arranque con límite de corriente (cuando está seleccionado con el DIP3 en OFF)

Pos Dip4 Dip5 % Amps a plena carga Límite de Corriente

On 150 %

Off

On 250 %

Off

On 350 %

Off

On 450 %

Off

Parámetro de Par inicial de Arranque Suave (cuando está seleccionado con el DIP3 en ON)

Pos Dip4 Dip5 LRT % Par inicial

On 15 %

Off

On 25 %

Off

On 35 %

Off

On 65 %

Off

Parada suave

Pos Dip6 Dip7 Parámetro

On Parada libre

Off

On 100% del tiempo de arranque Off




303

Refuerzo de arranque

Pos Dip9 Dip10 Tiempo (s)

On OFF (desactivado)

Off

On 0,5

Off

On 1,0

Off

On 1,5

Off

Selección de clase de sobrecarga

Pos Dip11 Dip12 Clase de disparo

On OFF (desactivado)

Off

On 10

Off

On 15

Off

On 20

Off

Restablecimiento de sobrecarga

Pos Dip13 Reestablecimiento

On Manual

Off

On Automático

Off

Relé Auxiliar #1

Pos Dip14 Parámetro

On Normal

Off

On Velocidad Nominal

Off

Verificación de la rotación de fase

Pos Dip16 Parámetro

On Habilitado

Off

On Inhabilitado

Off


304

3.10.4. DESCRIPCIÓN DE LOS TERMINALES DE CONTROL

El SMC-3 contiene (8) terminales de control en la parte frontal del controlador.

Figura 22 Terminales de control del SMC-3

La tabla siguiente describe la función de estos terminales.

No. de terminal

Descripción

A1 Entrada de alimentación eléctrica de control

A2 Común de alimentación eléctrica de control

IN1 Entrada de arranque

IN2 Entrada de parada

97 NA del relé – contacto auxiliar de indicación de fallo

98 NA del relé – contacto auxiliar de indicación de fallo

13 Contacto auxiliar normalmente abierto #1 (velocidad normal/nominal)

14 Contacto auxiliar normalmente abierto #1 (velocidad normal/nominal)


305

3.10.5. DIAGRAMA DE CABLEADO TÍPICO DEL ARRANCADOR

Figura 23 Diagrama de cableado

Tarjeta de potencia del

arrancador


306

3.10.6. AJUSTE DE SOBRECARGA Y LED’S INDICADORES DE

FALLA

Fig. 24 Ajustes de sobrecarga y led´s indicadores de falla

No. de veces de pulsación del

LED RUN/FAULT Falla

1 Sobrecarga

2 Temperatura

3 Inversión de fase

4 Pérdida de fase / carga abierta

5 Desbalance de fase

6 Cortocircuito de SCR

7 TEST

Vaya.... por fin terminamos!

Reloj de ajuste de sobrecarga


307

4. GLOSARIO

Arrancador suave Dispositivo electrónico, destinado al arranque de motores trifásicos del tipo "jaula de ardilla”.

Arranque suave Es un método de arranque donde el tiempo y par inicial de arranque son ajustados al requerido.

Arranque con límite de corriente

Es un método de arranque donde la corriente máxima y el tiempo de arranque son ajustados al requerido.

Conexión antiparalela

Conexión en paralelo de dos tiristores con los terminales invertidos.

Control de fase Control del instante de disparo de los tiristores mediante el cual se puede controlar el valor eficaz de la tensión aplicada a la carga.

Inercia Oposición al movimiento.

Optoacoplador Es un interruptor de estado sólido similar al transistor pero con base controlada por medio óptico, lo que permite aislar la orden de mando (señal de base) del circuito de potencia (interruptor entre colector y emisor).

Parada suave Cuando el tiempo de parada puede ser seleccionada a 100, 200 ó 300% del tiempo de arranque.

Par inicial Torque inicial de arranque que requiere el motor necesario para mover la carga.

Par de carga Torque necesario para mover la carga.

Par motor Torque del motor.

Plena carga Torque de la carga en condiciones nominales de trabajo.

Rampa de tensión Es el método de arranque en el que se aumenta progresivamente la tensión aplicada al motor (arranque suave).

Refuerzo de arranque

Es un método de arranque donde se proporciona un impulso de arranque para iniciar el movimiento de la carga la que puede requerir un impulso de alto par para arrancar. El tiempo del impulso es ajustable.

Tiempo de arranque Tiempo necesario para llevar el motor a sus condiciones nominales de trabajo a plena carga.


308

Tiempo de parada Tiempo desde el inicio de caída de voltaje del motor, hasta cuando el par de carga es mayor que el par del motor.

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VARIADORES DE VELOCIDAD DE MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y ARRANCADORES DE ESTADO SÓLIDO”