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CLASE 1 CONTROL DE MAQUINAS ELECTRICAS (ROTATORIAS) OBJETIVO: Que el alumno adquiera los conocimientos para usar circuitos eléctricos y electrónicos para el control de arranque, velocidad y protección de máquinas eléctricas con base a dispositivos electrónicos y electromagnéticos. UNIDAD I  FUNDAMENTOS DE CONTROL POR RELEVACION 1.1 Introducción a los sistemas de control de tipo electromagnético. 1.2 Ventajas y desventajas de la automatización por relevadores eléctricos. 1.3 Simbología de dispositivos para control, medición, protección y señalización. UNIDAD II

 CIRCUITOS BASICOS PARA CONTROL 2.1 Tipos de interpretación de diagramas de control. 2.1.1 Diagrama elemental. 2.1.2 Diagrama de alambrado. 2.1.3 Elaboración de uno a partir del otro. 2.2 Arranques básicos para motores. 2.3 Diagramas elementales de controladores para motores de C.A y C.D. UNIDAD III  CONTROL DE MOTORES DE C.D 3.1 Control por dispositivos electromagnéticos. 3.1.1 Arrancadores automáticos. 3.1.2 Control de velocidad 3.1.3 Inversión de giro y frenado. 3.2 Control con dispositivos electrónicos. 3.2.1 Arranque automático. 3.2.2 Control de velocidad. 3.2.3 Inversión de giro y frenado. UNIDAD IV

 CONTROL DE MOTORES DE CA. 4.1

Control con dispositivos electromagnéticos.

4.1.1 Arrancadores automáticos. 4.1.2 Control de velocidad. 4.1.3 Control de giro y frenado. 4.2 Control con dispositivos electromagnéticos. 4.2.1 Arranque automático. 4.2.2 Control de velocidad. 4.2.3 Inversión de giro y frenado. UNIDAD V

 CONTROL MODERNO Y CONTROL DE MOTORES ESPECIALES. 5.1 Técnicas modernas de control. 5.1.1 Control por campo orientado. 5.1.2 Control directo del par. 5.2 Motor eléctrico de pasos. 5.3 Motor eléctrico línea.

UNIDAD I  FUNDAMENTOS DE CONTROL POR RELEVACION. 1.1 Introducción a los sistemas de control de máquinas eléctricas. Desde el surgimiento de las máquinas eléctricas 1870 se ha tenido la necesidad de controlarlas (su arranque, su velocidad, su par corriente demandada y su potencia). En un principio diversos métodos fueron propuestos por los mismos ingenieros de diseño, más sin embargo fueron muy ineficientes y los controles carecían de posición. CLASE 2 De los años 1900-1930 las máquinas eléctricas rotatorias empezaron a ser controladas (control par, control ω, control ᴕ) por medio de resistencias de modo que si se quería mayor velocidad se cortocircuitaban una o varias resistencias a la vez. De 1930-1965surgio el control eléctrico de las máquinas. De 1965-1980 control analógico de las máquinas, en este tiempo surgió la era del tiristor (SCR), este hizo posible el control de par, de velocidad, pero no de posición de máquinas de C.A y C.D. U5 16 15 4

OSC1/CLKIN OSC2/CLKOUT MCLR

RB0/INT RB1 RB2 RB3 RB4 RB5 RB6 RB7

17 18 1 2 3 6 7 8 9 10 11 12 13

U1

U3

SCR

SCR

U2

U4

SCR

SCR

+88.8

RA0 RA1 RA2 RA3 RA4/T0CKI

PIC16F84A

Después de 1980-2000, se dan las técnicas de control con microcontrolador. Después del 2000 viene la era moderna del control de máquinas eléctricas.

CLASE 3 1.2 Ventajas y desventajas de la automatización por relevadores. Ventajas -

Bajo costo Facilidad de intercambio de piezas (mantenimiento) Adquisición rápida de respuestas Fácil operación

Desventajas -

Alto costo de mantenimiento Costo de cableado No opera bajo condiciones de falla Alto costo inicial de adquisición

RE Relé

1.3 Simbología para dispositivos de control, medición, protección y señalización.

La señalización de símbolos es una forma de representar elementos de circuitos de potencia y de control por medio de una pluralidad de esquemas de montaje eléctrico. Para el ingeniero o técnico electricista los esquemas eléctricos le son útiles para diversas finalidades. Pueden servir como un registro de la instalación de los distintos dispositivos. Pueden servir para mostrar cómo están conectados eléctricamente. Se puede observar la “lógica” de los circuitos de control. Estos símbolos se encuentran normalizados ya sea por un estándar internacional o símbolos utilizados internamente en la empresa de modo que el ingeniero de diseño de la instalación precise de una guía confiable y de fácil entendimiento a los técnicos instaladores y después en lo futuro a los técnicos de mantenimiento o bien que un técnico o ingeniero a partir de una instalación ya hecha sea capaz de representar con símbolos el circuito bajo análisis. CLASE 4 Algunos de los símbolos más utilizados                         

Relevador (rele) Bobina de rele Rele polarizado magnéticamente Línea trifásica Interruptor normalmente abierto (NA) Contacto NA Pulsador NA Interruptor normalmente cerrado (NC) Contacto NC Pulsador NC Motor de CD Motor de inducción trifásico Motor de CD de imanes permanentes Fusible Disyuntor trifásico Dispositivo térmico Potenciómetro Motor síncrono de imanes permanentes Rectificador Inversor Volmetro Amperímetro Transformador Rele térmico Motor de CD de excitación separada

UNIDAD II  CIRCUITOS BASICOS PARA CONTROL 2.1 Tipos e interpretación de diagramas de control La utilización de los símbolos y líneas es una forma abreviada de representar circuitos de potencia y de control y de su interconexión. Para ingenieros o técnicos los esquemas eléctricos son muy útiles, pueden servir como registro para el futuro, para instalación instantánea y pone de manifiesto una lógica del circuito de control. Algunos símbolos NEMA se muestran a continuación: CONTACTO RELE

BOBINA DE RELE

PULSADOR

FUSIBLE

MICROCONTROLADOR

DISPOSITIVO TERMICO

DISYUNTOR TRIFASICO

MOTOR DE INDUCCION TRIFASICO

MOTOR CD DE EXITACION SEPARADO

RECTIFICADOR TRIFASICO

MOTOR DE CD DE IMANES PERMANENTES

TEMPORIZADOR

LAMPARA INDICADORA

SENSOR DE

i

LINEA

“TIMMER”

BLINDAJE ELECTROSTATICO

POTENCIOMETRO

TRANSFORMADOR DE NUCLEO DE HIERRO

SENSOR DE

v

MOTOR SINCRONO TRIFASICO DE IMANES PERMANENTES

INVERSOR TRIFASICO DE IGBT’S

2.1 Diagramas elementales Existen diversos diagramas de los circuitos de control sin embargo normalmente se aplica una norma o regla en cada industria y es necesario que un ingeniero o técnico se apegue a dicha norma. La simbología presenta elementos que pueden ser bobinas, cables, contactos, señalizaciones, etc. Normalmente los contactos se presentan en su estado inactivo. Es prioridad proteger los dispositivos en caso de una sobrecarga o un cortocircuito, los dispositivos térmicos son los primeros que abrirán el circuito en caso de falla, también los fusibles ayudan bajo dichos

eventos. Dichos dispositivos de sobrecarga se utilizan en serie con el circuito de fuerza (circuito de potencia) que alimenta en este caso las maquinas eléctricas. La siguiente figura muestra un circuito de control (línea delgada) y de potencia (línea gruesa) el cual se utiliza para arrancar un motor de inducción trifásico a tensión plena por lo cual debe utilizarse en maquinas menores a 5 Kwatts.

CLASE 5 Obsérvese que el circuito anterior no está alimentado hasta que no esté cerrado el interruptor de desconexión trifásico DS y el disyuntor manual trifásico CB. Aun en tal caso el circuito de control es ineficaz hasta que se pulsa un botón puesta en marcha (arranque) que puede estar situado a una distancia considerable del rele principal R, y cerrar sus contactos principales y auxiliares en las líneas de circuito de potencia y de control, respectivamente. El funcionamiento del circuito de control se inicia pulsando el botón momentáneo de arranque; se energiza la bobina M y por lo tanto cierran los contactos referenciados NA. La función del contacto auxiliar M es la cortocircuitar el botón de arranque de modo que aunque el botón momentáneo regrese a su posición original, la bobina M no se desenergetiza. Esto hará que el motor arranque a plena tensión y el modo de pararlo es el siguiente:  

Pulsando el botón paro que es un contacto NC Debido a una sobrecarga que detectan los transformadores de corriente OL1 y OL2, energizando sus respectivas bobinas y abriendo sus contactos NC.

   

Por un cortocircuito en el motor que hace que salten los dispositivos de protección. Por un cortocircuito o sobrecarga en el circuito de control Por una baja de tensión sostenida Mediante la apertura del interruptor principal o el disyuntor

Una aplicación similar se muestra en la siguiente figura para un motor de CD con excitación shunt (paralelo). Un motor de potencia shunt no se puede arrancar a plena tensión. El rotor es acelerado por medio de un reóstato de 3 tomas en serie con el inducido (la armadura y el rotor). En esta aplicación, la protección de cortocircuito se hace por medio de fusibles, y el de sobrecarga por medio de un relé térmico. Ambas líneas de control están protegidas con fusibles, y la bobina de puesta en marcha del rele M también mantiene el inducido desconectado de ambos lados de la línea cuando el interruptor de la línea bipolar está cerrado. El motor se pone en marcha pulsando el botón de arranque de contacto momentáneo. Los contactos principales M-NA y los contactos auxiliares M-NC alimentan las líneas 1 y 2 del circuito de control y del inducido con toda la resistencia en serie. El circuito de excitación es activado cuando se cierra el interruptor bipolar para poner en marcha el botón a plena tensión. El inducido se pone en marcha y se acelera durante un periodo determinado mediante el relé de aceleración 1A de acción retardada de tipo amortiguador. Después de un breve periodo de tiempo el relé 1A cierra sus contactos NA, cortocircuitando un tercio de la resistencia en serie con el inducido y a la vez alimenta la línea 3 del circuito de control. Después de otro intervalo de tiempo el relé 3A cierra cortocircuitando el tercio restante y el motor llega hasta su velocidad nominal.

CLASE 6 2.1.2 Diagrama elemental y Diagrama alambrado Un diagrama de alambrado ilustra la localización física de todos los componentes, bobinas, contactos, botones, protecciones, cargas, focos, etc. Que se muestran en la posición real que tienen en su instalación. Algunos diagramas de alambrado pueden indicar números de conductores, calibres, tubería conduic, color de cables, etc. Los diagramas de alambrado son importantes porque indican cómo se conecta el equipo, donde y qué tipo de protección se coloca y también ayudan al diseñador de la instalación a observar si hay errores de conexión de los circuitos de potencia y de control antes de la instalación. CLASE 7

Unidad III Control de motores de corriente directa 3.1 maquinas de CD

Comportamiento de un imán Funcionamiento de un motor

e s=

V f =Rf i f + L f

di f di ; V a=R a i a + La a +e a dt dt

α=

ϖ=

dr dt

ΣT =0 Τ e=Τ J +Τ L +Τ b Τe= Par electromagnético

Δϖ dϖ ≈ Δt dt

dψ dt

TJ= Par adherido a la inercia Ti= Par de carga Tb= Par debido a coeficiente de fricción viscosa. Τ =J∗α Τ=

J∗dϖ dt

Τ e=J

dϖ + Τ L +bϖ dt

dω Τ e Τ e = + dt J J

CLASE 8 3.2 Control con dispositivos electromagnéticos: 3.2.1 Arrancador manual y automático Un regulador eléctrico puede definirse como un dispositivo (o grupo de ellos) que sirve para gobernar de una forma deseada (por usuarios), movimientos, pares, velocidades y potencia del aparato o sistema a regular. Un arrancador eléctrico se define como un regulador cuya función principal es la de poner en marcha y acelerar un motor. Si hablamos de un arrancador manual entonces asociamos la presencia de un ser humano que sea quien regule y ajuste la aceleración con la ayuda de un dispositivos eléctricos, esta combinación es una de las mas ineficientes y costosas en términos de horas-hombre para arrancar una maquina eléctrica. Puesta en marcha de un motor de CD manualmente: La figura muestra en forma esquemática una resistencia en serie con el inducido que se precisa para la aceleración de motores serie, shunt o compound, respectivamente, con un dispositivo de arranque manual para modificar la resistencia en serie con el inducido en 6 etapas, se observa que los motores shunt y compound suelen ponerse en marcha con la corriente de excitación máxima, es decir la resistencia del reóstato regulador del campo es nula y el motor serie se pone en marcha siempre bajo carga. En el instante que se aplica una tensión Va al borne del inducido para hacer que gire el motor, el motor no está produciendo ninguna f.c.e.m ya que en ese instante la velocidad es nula los únicos factores que limitan la corriente son la caída de voltaje en las escobillas (C.v.e) y la resistencia del circuito de inducido Ra. Como ninguno de estos de estos voltajes, bajo condiciones iníciales no sobrepasa al 10% o al 15% de la tensión aplicada en bornes del inducido, Va, la sobre corriente llega a ser muchas veces la corriente nominal como se ejemplifica, a continuación.

CLASE 9 Un motor shunt de 120V de CD tiene una resistencia de 0.2Ω y una caída de voltaje de escobillas de 2V, la corriente nominal a plena carga de inducido es de 75A. Calcular la corriente en el instante de arranque y el porcentaje a plena carga. V a=R a I a + Ea V a=R a I a + La

di a +e dt a

e a=k o ϖ La=a V a=R a i a +V . c . e

I a=

V a−V CE 120−2 = =590 A Ra 0.2

Este ejemplo sirve para ilustrar el desperfecto que puede ocasionar un motor industrial de CD donde no se limite la corriente de arranque. La corriente en este ejemplo es excesiva, entre otros puntos a causa de una fuerza contraelectromotriz (f.c.e.m) en el instante de arranque. Una vez iniciada la rotación del eje de la maquina se comienza a producir una f.c.e.m proporcional a la velocidad. Entonces se requerirán dispositivos, generalmente resistentes de formas variables cuya finalidad es de limitar la corriente durante el arranque. Esta resistencia se puede ir reduciendo progresivamente a medida que el motor acelera. Entonces si se pone una resistencia en serie con el inducido denominado Rs, la ecuación debe modificarse para el caso de determinar una corriente por el inducido. Problema: Calcular los diversos valores de la resistencia de arranque para limitar la corriente del motor del ejemplo anterior: a) 150% de la carga nominal en el instante de arranque b) Una f.c.e.m que representa el 25% de la tensión de inducido al 150% de la carga nominal c) Una f.c.e.m que representa el 50% de la tensión de inducido al 150% de la carga nominal. d) Hallar la f.c.e.m a plena carga sin resistencia de arranque A) Corriente nominal= 75A 150% Va−V . c . e I arranq. = R equ . Requ . =

100% 112.5A

Va−V . c . e 120 V −2 V = =1.048 Ω I arranq . 112.5 A

Rs =1.048 Ω−0.2 Ω=0.84 Ω B)

(

Rs =

C)

V L −C v .e −E a 120 V −2−30 −Ra = =0.58 Ω Ia 112.5

)

(

)

Rs

(

V L−C v . e−E a 120−2−60 −0.2= −0.2=0.31 Ω Ia 112.5

)

(

)

D) Ea =−R a I a−V c . e +V L Ea =(−0.2 Ω∗75 A )−2 V +120V =103 V CLASE 10

CLASE 11 Funcionamiento del circuito anterior: 1.- Pulsando el botón de sentido directo se excito el relé F cebando todos los contactos F normalmente abiertos y abriendo los normalmente cerrado, el relé M, en la línea de control 3 queda excitada cerrando los contactos M normalmente abiertos y el motor arrancando con toda la resistencia de arranque en serie con el inducido. Después la tensión aumenta en bornes PF, el relé P es excitado en la línea de control 6 y cortocircuita un contacto de la resistencia de la línea de arranque. 2.- El relé M también excita el relé de acción retardada 1A en la línea 4. Después de un corto tiempo 1A excita a 2A en la línea de control 5. Después de otro

retardo, el relé 2ª cierra su contacto normalmente abierto y cortocircuita el último elemento de la resistencia de arranque. 3.- Cuando se pulse el botón sentido inverso, el inducido se debe conectar a una fuente de polaridad inversa. Bajo estas condiciones la tensión inducida Ea en la armadura se suma a la tensión de línea las cuales se ponen a la C.v.e (caída de voltaje en las escobillas) a la CD (resistencia de frenado) por inmersión. Una caída de tensión ocurre en la bobina P1, la cual ya no puede tener cerrado el contacto P1 pasando el reposo y desexcitando al relé P de la línea de control 6 (un tercio de R entra). 4.- pulsando el botón de sentido inverso también se desexcita el contacto normalmente abierto F de la línea de control 3.4desexcitando el relé M y casi sucesivamente se desecxita el relé 1A de la línea 4 y el 2A de la línea 5. 5.- Todos los contactos R normalmente abiertos se excitan mediante el relé R a medida que el motor llega a velocidad o la E a generada o la f.c.e.m. generada a estas presione y el relé PR empieza errarse. 6.- el motor invierte sentido de giro con los contactos de los relés normalmente abiertos que comienzan a cerrarse en diferentes instantes de tiempo, con secuencia P, 1ª Y 2ª acelerando la maquina hasta la velocidad nominal. CASE 12 3.6 Control electrónico de motores de CD El rápido desarrollo de los dispositivos semiconductores, así como los continuos avances en la electrónica analógica y digital a permitido desde los años 60’s la introducción de técnicas de control digital de maquinas eléctricas se desarrollan aun diferentes topologías de la etapa de potencia (electrónica de potencia) también aun se siguen desarrollando diversos algoritmos de control, todo esto con el fin de incrementar la eficiencia, la productividad y la reducción de costos de maquinas de CD son utilizados. No obstante debido a que la maquina contiene un colector mecánico limita su operación en ambientes explosivos, y por otro lado limita su control de velocidad y posición, puesto que sus partes móviles de conmutación realizan operaciones no favorables.

τ =Jα

Jα −

dϖ d2r =J 2 dt dt

Derivada digital de ω

ω=

Ts= 100μs αk = αk-1 =0

α ( k ) −α ( k−1) Δt

ω = (αk-Δk-1)

CLASE 13 Control de la velocidad de un motor de CD con accionamiento electrónico

Ventajas SCR   

Para alta potencia Control es más económico Menos perdidas (no se calienta mucho)

Desventajas 

No puede trabajar el motor a bajas velocidades

Ventajas IGBT o MOSFFET  

Control de posición más preciso Puede operar a mayor frecuencia de conmutación

Desventajas   

Es más caro Su control es más difícil respecto al del SCR Tiene más perdidas

Se sabe que una maquina de CD puede variar su velocidad variando el voltaje de armadura esto se puede hacer mediante un puente rectificador controlado como se muestra en el sig. Circuito supone una corriente de campo constante que puede ser alimentada externamente.

Un inductor L en serie con la armadura garantiza un filtro de corriente en la armadura cuando se trata de motores de potencias grandes que contengan mucha inductancia (alambre) no es necesario este filtro inductivo. Se puede decir en esta figura que la armadura se encuentra en reposo y el interruptor de desconexión S se encuentra abierto. Supondrá que un microcontrolador se utiliza para disparar las compuertas de los SCR. El disparo de estos SCR desea ser controlado y que se desea un control de velocidad de la maquina, este control lo hace el software en el micro donde también se pueden incorporar condiciones como en caso de protecciones. Inicialmente los pulsos se pueden y se encuentran retrasados un ángulo de 90° de modo que Va a la salida del convertidor sea 0 este voltaje Va a la salida del convertidor es mayor a Ea debido a la caída en la resistencia en la bobina de armadura. A partir de este momento y suponiendo que existe excitación de campo adecuada se puede cerrar el interruptor S y alfa se reduce (ángulo de disparo) gradualmente para que Ea comience a incrementar. La corriente Ia de armadura comienza a fluir y el motor comienza a acelerar conforme θ disminuye. Fuente 3Ǿ

Alterna 60Hz

Comunicación RS232 USB, internet, etc.

L

S

fuente Vcc constante

sensor de corriente

CLASE 14 Ejemplo.- Un motor de CD de capacidad industrial de 500HP, 210V y 300r.p.m. se conecta a una línea trifásica de 220V la cual es accionada por un convertidor puente trifásico controlado. La corriente de armadura a plena carga es de 1750A con una resistencia de armadura de 5.2mΩ calcule: a) El ángulo de activación requerido (θ) en condiciones de plena carga y máxima velocidad. b) El ángulo de activación (θ) para que el motor desarrolle su máximo par pero a la mitad de su velocidad nominal. c) El ángulo de activación requerido para lograr mover la carga nominal a 1000r.p.m. d) El ángulo requerido para mover la mitad de la carga a máxima velocidad

a)

Ed=1.35VL cosθ Ed=210V para máxima carga 210=1.35(220)cosθ 210 θ=cos-1 1.35 (220) b)

=45°

Hace un corto y es cero

Primero para máxima velocidad

Ed=Ra*Ia+Ea 210=(5.2*10-3)(1750)+Ea Ea=210-(1750)(5.2*10-3) EaMAX=201V Ea------------Vel 0-------------- 0V Ea----------- Vmax-------------- 201V Ea-------1500r.p.m.----100.5V para la mitad de la velocidad Para la mitad de la velocidad y máxima carga Ed=1.35VL cosθ Edmitad vel = Ra*Ia+Ea Edmitad vel =(5.2*10-3)(1750)+100.5V =109.6 109.6= 1.35(220)cosθ

109.6 Θ= cos-1 1.35 (220)

=68.34°

c) Ed=Ra*Ia+Ea 210=(5.2*10-3)(1750)+Ea Ea=210-(1750)(5.2*10-3) EaMAX=201V Eamax----------- 3000r.p.m.-------------- 201V Ea1000----------- 1000r.p.m.-------------- 67V Ed1000=1.35VL cosθ Ed1000 = Ra*Ia+Ea Ed1000 =(5.2*10-3)(1750)+67V =75.75 75.75= 1.35(220)cosθ 75.75 Θ= cos-1 1.35 (220)

=75.22°

d) Ed=Ra*Ia+Ea Ed=210V---------------100% Edmitad=105v-----------50% 105=1.35(220)cosθ 105 Θ= cos-1 1.35 (220)

=62.29°

CLASE 15 En este caso el motor solo puede operar en un sentido. Para lograr que invierta el giro será necesario invertir la polaridad de Ed una forma de lograr esto es activando los pulsos de compuerta mas allá de los 90° pero para cambiar la

polaridad de Ea se debe de invertir ya sea la fuente del campo o de la armadura lo que implica instalar un equipo adicional. Teniendo en cuenta estas condiciones se observan los pasos que se deben de seguir cuando se desea invertir el giro. 1.-Disparar los pulsos de compuerta hasta casi 180° para que Ed sea lo bastante grande y negativo con esta operación preparara el convertidor para que actué como inversor y requerirá de unos cuantos milisegundos hasta que Id se haga 0. 2.-Invertir la corriente de campo tan rápido como sea posible para invertir la polaridad de Ea esto puede tomar de 1 a 5 seg.debido a la existente inductancia. La corriente de armadura seguirá siendo 0 durante este intervalo de tiempo. 3.-Si no existe un método para invertir la corriente de campo entonces se requerirá de un puente rectificador adicional conectado en antiparalelo para lograr la inversión de Ed. 1er método casi no se usa

2do método

t(s) 0 .016/20 .032/20 . .016 Ed=1.35VL cosθ Ed=Ra*Ia+Ea Ea=Kbw µc main #define Vc =220 #define Kt= ia +if W=? Ia=? Cosθ=Ed/1.35VL

Sen 377t 0 1 0 1

CLASE 16 Puente rectificador 3ф (SCR R S)

Si es > 5kw no necesita el inductor