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Informe Proyecto de Título de Ingeniero Civil Eléctrico
Fabian Benito Acosta Acosta
Simulación y Ensayos del Partidor Suave Electrónico Digital V5 Accionando un
Motor con Diferentes Cargas
Escuela de Ingeniería Eléctrica Facultad de Ingeniería
Valparaíso, 23 de octubre de 2017
Fabian Benito Acosta Acosta
Informe Final para optar al título de Ingeniero Civil Eléctrico,
aprobada por la comisión de la
Escuela de Ingeniería Eléctrica de la
Pontificia Universidad Católica de Valparaíso
conformada por
Sr. René Sanhueza Robles
Profesor Guía
Sr. Domingo Ruiz Caballero
Segundo Revisor
Sr. Sebastián Fingerhuth Massmann
Secretario Académico
Valparaíso, 23 de octubre de 2017
Simulación y Ensayos del Partidor Suave Electrónico Digital V5 Accionando un Motor con Diferentes Cargas
Agradecimientos Quisiera agradecer a mi madre, abuela y familia en general, por los valores entregados. A todos
los profesores de la Escuela de Ingeniería Eléctrica que me otorgaron un conjunto de
conocimientos. Y mis sinceras gracias a mi pareja por la motivación y apoyo incondicional.
Valparaíso, 23 de octubre de 2017 F. A
ResumenEn el presente proyecto explicativo y experimental se realizaron simulaciones y ensayos del
partidor suave V5 de Power Electronics, con la finalidad de reducir los efectos transitorios al
arrancar de forma directa un motor trifásico de inducción.
En primer lugar se familiarizó con el motor trifásico de inducción, abarcando sus principios de
funcionamientos y los diferentes modos de arranques utilizados para estos motores, de igu al
forma se hizo una descripción sobre qué es un partidor suave y qué función cumplen los
rectificadores controlados de silicio (SCR) o tiristor. Además, se describen las características,
esquemas, configuraciones y modos de operación del partidor suave e n estudio.
La simulación se llevó a cabo variando en primer lugar el ángulo de disparo de los tiristores y
después se utilizaron distintos modos de operación del partidor suave, a fin de visualizar y medir
los efectos que se producen en el voltaje y corriente en régimen transitorio. Para lograr esto, se
utilizó el programa simulink un software integrado en la plataforma Matlab.
Se finaliza con la elaboración de diferentes ensayos en el laboratorio de máquinas, donde el
motor trifásico de inducción se acopla a un generador de excitación independiente conectado a
un conjunto de lámparas incandescentes, verificando que efectivamente se reduce la corriente
de arranque, y a la vez visualizando el efecto producido por los tiristores. Todos estos ensayos
efectuados siguen un protocolo específico que permitirá a los estudiantes realizar ensayos,
comprobando por sí mismo la teoría expuesta en las salas de clases.
Palabras claves: Motor trifásico, arranque directo, partidor suave, tiristor.
.
Abstract In the present explanatory and experimental project there were performed simulations and
testing of the soft starter V5 of Power Electronics, with the purpose of reducing the transitory
effects on having started of direct form a three-phase motor of induction.
First of all it got acquainted with the three-phase motor of induction, including its principles of
operation and the different modes of starter used for these motors, similarly it was done a
description on what is a soft starter and what function fulfill the silicon controlled rectifiers (SCR)
or thyristor. In addition, are described the characteristics, schemes, configurations and modes of
operation of the soft starter in study.
The simulation was carried changing in first place the firing angle of the thyristors and later there
were used different ways of operation of the soft starter, in order to visualize and measure the
effects produced in the voltage and current in transient regime. To achieve this, it was used the
simulink program, a software built into the Matlab platform.
It is concluded with the elaboration of different testing in the machines laboratory, where the
three-phase induction motor is coupled to an independent excitation generator connected to a
set of incandescent lamps, verifying that the starting current is effectively reduced and at the same
time visualizing the effect produced by thyristors. All these tests follows a specific protocol that
will allow the students to perform testing, checking for themselves the theory exposed in the
classrooms.
Key words: Motor three-phase, direct start, soft starter, thyristor.
Índice general Introducción...................................................................................................................... 1
Objetivo general .........................................................................................................................................................3
Objetivos específicos ................................................................................................................................................ 3
1 Marco Teórico ................................................................................................................ 4 1.1 Motor de Inducción Trifásico. ....................................................................................................................... 4
1.1.1 Principio de funcionamiento del motor de inducción............................................................. 4 1.1.2 Estator ........................................................................................................................................................ 4 1.1.3 Rotor ........................................................................................................................................................... 5 1.1.4 Circuito equivalente del motor trifásico de inducción ............................................................ 5 1.1.5 Deslizamiento ......................................................................................................................................... 6 1.1.6 Características Par-Velocidad ........................................................................................................... 7
1.2 Métodos de arranque de los motores trifásicos de inducción. .......................................................... 8 1.2.1 Arranque directo .................................................................................................................................... 8 1.2.2 Arranque mediante resistencias estatóricas ................................................................................ 8 1.2.3 Arranque por autotransformador .................................................................................................... 8 1.2.4 Arranque estrella-triángulo ................................................................................................................ 9 1.2.5 Partidor Suave ......................................................................................................................................... 9 1.2.6 Comparación de los arranques .........................................................................................................9
1.3 Controlador de tensión alterna monofásico ..........................................................................................10
1.3.1 Controlador de tensión alterna monofásico con carga resistiva ........................................10 1.3.2 Controlador de tensión alterna monofásico con carga RL ...................................................12
1.4 Controlador de tensión alterna trifásico ..................................................................................................13 1.5 Tipos de carga ....................................................................................................................................................16
1.5.1 Cargas de Par Constante. ..................................................................................................................16 1.5.2 Cargas de Par Lineal............................................................................................................................17 1.5.3 Cargas de Par Cuadrático ..................................................................................................................18 1.5.4 Cargas de Potencia Constante .........................................................................................................19
1.6 Partidor suave electrónico digital serie V5 ..............................................................................................20 1.6.1 Características .......................................................................................................................................20 1.6.2 Protecciones...........................................................................................................................................21 1.6.3 Esquema del partidor suave V5 .......................................................................................................21
Índice general
1.6.4 Tarjeta de control .................................................................................................................................21 1.6.5 Clasificación de los partidores suaves de Power Electronics ...............................................22 1.6.6 Unidad de display y control de teclado .......................................................................................25 1.6.7 Configuración de cableado de potencia con Bypass interno ..............................................26 1.6.8 Aplicaciones partidores suaves V5.................................................................................................26
2 Cálculo de parámetros máquina de indución........................................................ 27 2.1 Cálculo resistencia estator. ...........................................................................................................................27 2.2 Ensayo de vacío ideal. .....................................................................................................................................28 2.3 Ensayo rotor bloqueado .................................................................................................................................30
3 Modos de operación partidor suave V5................................................................... 33 3.1 Rampa de tensión.............................................................................................................................................33 3.2 Pulso de tensión más rampa de tensión ..................................................................................................34 3.3 Paro en giro .........................................................................................................................................................34 3.4 Paro con rampa de tensión ...........................................................................................................................35 3.5 Paro algoritmo antiariete ...............................................................................................................................36
4 Simulación partidor suave V5 ................................................................................... 37 4.1 Cicuito de fuerza ...............................................................................................................................................37 4.2 Circuito de control ...........................................................................................................................................38 4.3 Carga Mecánica .................................................................................................................................................39 4.4 Simulación partidor suave accionando un motor de 30HP ..............................................................41
4.4.1 Arranque directo ..................................................................................................................................41 4.4.2 Arranques con rampa de tensión ...................................................................................................42 4.4.3 Disparo de los tiristores con un ángulo de 55° ..........................................................................43 4.4.4 Disparo de los tiristores con un ángulo de 70° ..........................................................................46 4.4.5 Disparo de los tiristores con un ángulo de 85° ..........................................................................48
4.5 Simulación partidor suave accionando un motor de 6.5HP .............................................................52 4.5.1 Arranque directo ..................................................................................................................................52 4.5.2 Arranque con rampa de tensión ....................................................................................................53 4.5.3 Formas de onda corriente y voltaje con carga pequeña ........................................................53 4.5.4 Formas de onda corriente y voltaje con media carga .............................................................54 4.5.5 Formas de onda corriente y voltaje con carga completa .......................................................56 4.5.6 Arranque con pulso de tensión más rampa de tensión .........................................................57 4.5.7 Parada con rampa de desaceleración de tensión .....................................................................59 4.5.8 Formas de ondas corriente y voltaje algoritmo antiariete simple .....................................60 4.5.9 Formas de ondas corriente y voltaje algoritmo antiariete completo ................................61
5 Protocolo de ensayo de laboratorio ......................................................................... 63 Sistema de arranque para motores de inducción ........................................................................................63 5.1 Objetivos ..............................................................................................................................................................63 5.2 Preguntas de estudio:......................................................................................................................................63 5.3 Instrumentos y equipos .................................................................................................................................63
Índice general
5.4 Procedimiento de laboratorio......................................................................................................................64 5.5 Desarrollo ............................................................................................................................................................66 5.6 Informe.................................................................................................................................................................68
6 Ensayos de laboratorio del partidor suave accionando un motor de 6.5HP .... 69 6.1 Generador de excitación independiente .................................................................................................69 6.2 Arranque con rampa de tensión ................................................................................................................70
6.2.1 Formas de onda de corriente y voltaje arranque sin carga ..................................................70 6.2.2 Formas de onda de corriente y voltaje con carga pequeña .................................................71 6.2.3 Formas de onda de corriente y voltaje con media carga .......................................................72 6.2.4 Formas de onda de corriente y voltaje con carga completa .................................................74
6.3 Arranque con pulso de tensión más rampa de tensión ......................................................................75 6.4 Paro en giro .........................................................................................................................................................77 6.5 Paro con rampa de desaceleración de tensión ......................................................................................78 6.6 Algoritmo antiariete .........................................................................................................................................79
6.6.1 Forma de ondas corriente y voltaje algoritmo antiariete simple........................................79 6.6.2 Formas de onda de corriente y voltaje con algoritmo antiariete completo ...................81
Discusión y conclusiones.............................................................................................. 83
Bibliografía ...................................................................................................................... 86
1
Introducción ¿Se ha preguntado por qué baja la intensidad de la luces cuando comienza a funcionar el
refrigerador de su hogar? Este pequeño fenómeno concurrente en los hogares, que pasa
desapercibido por las personas, se debe a los motores de corriente alterna presentes en las
máquinas eléctricas que facilitan las tareas diarias.
Con la invención del motor de inducción hace más de cien años, este se trasformó en uno de los
equipos industriales más empleados en el uso de distintas aplicaciones para el desarrollo de
energía mecánica, tales como bandas transportadoras, molinos, mezcladoras, ventiladores,
trituradoras, bombas etc., esto se debe a su simple construcción, buena eficiencia, confiable y de
bajo costo. Pero el uso de esta máquina tiene asociado algunos inconvenientes, un alto torque y
una alta corriente de arranque.
El arranque de este motor de forma directa genera picos de corriente y caídas de voltaje en las
líneas y un aumento brusco del par, causando deterioro en todo el sistema. Debido a esto, no es
posible realizar arranques a plena tensión con motores de inducción trifásicos de mayores
potencias, pues la corriente de arranque puede alcanzar de 6 a 7 veces la corriente nominal del
motor.
Con el paso del tiempo, se implementaron métodos de arranque para minimizar estos problemas,
como el uso de autotransformadores, conexión conmutada estrella- delta y adiciones de
resistencias en el estator. Sin embargo estos métodos no alcanzaron resultados óptimos a pesar
de que reducen la corriente comparado con el arranque directo.
La dependencia del hombre hacia estas máquinas eléctricas, que abarcan una gran gama con
diferentes potencias, características, rendimientos, etc., ha obligado dar con una solución
aceptable a los problemas de un arranque a pleno voltaje. Con el avance de la electrónica de
potencia, se logra dar una solución óptima, que es la implementación de un partidor suave o
también llamado arrancador de estado sólido, que mediante el control de l disparo de los tiristores
regulan la tensión y corriente eficaz, tanto en el arranque como en la parada, efectuando un
control óptimo del par. De esta manera se obtiene un arranque suave y progresivo.
No sólo el arranque de un motor es un problema, sino también la parada puede afectar el
accionamiento mecánico del sistema. Por lo general, los motores se desconectan de forma directa
Introducción
2
a través de un contactor, proceso que trae más de un inconveniente en las aplicaciones
industriales. La solución a esto es una parada suave, reduciendo de forma progresiva la tensión
nominal de alimentación del motor hasta llegar a cero. Esto se consigue mediante el
microprocesador del partidor suave y un correcto ajuste de parada, donde se seleccionan unos
pocos parámetros para así obtener un frenado suavizado, independiente de la carga. Con todo
esto se pretende reducir al máximo la corriente de arranque sin reducir el par tanto en el arranque
como en la parada. Dependiendo de la carga que se accione, coeficiente de roce y momento de
inercia, el motor se detendrá de forma lenta o abrupta.
Los arrancadores de hoy en día cuentan con diferentes funciones para facilitar tanto el arranque
como la parada, todas ellas controladas por un microprocesador que posee algoritmos de control
de alta eficiencia. Constantemente el microprocesador registra la información de distintas
variables del motor para manejar los distintos modos de operación, de esta manera se consigue
una amplia cobertura de trabajo para el partidor, lo que es una gran ventaja.
El objetivo de este proyecto es el estudio de un partidor electrónico digital de Power Electronics
serie V5 mediante ensayos y simulaciones, donde se modifica el control de ajustes de arranque y
paro. Para ello se establecen protocolos de ensayo para los diferentes modos de arranque y parada
que entrega el arrancador electrónico digital, para luego registrar variables como: voltaje,
corriente, potencia, par, velocidad y comprobar la teoría de transitorios con y sin carga.
Para realizar las simulaciones y ensayos del arrancador suave primero se debe conocer los
equipos con los que se trabajará y las características de la carga que se acciona. Se debe tener
claro el principio de funcionamiento tanto del motor de inducción trifásico como el generador
de excitación independiente. También conocer las características del partidor electrónico, como
sus modos de operación, configuración y el principio de funcionamiento, que es el controlador
de tensión alterna trifásico.
Primero se abarcará arranques mediante rampas de tensión, donde se visualizará el ángulo de
disparo de los tiristores, que controlan la fase y el aumento progresivo de la tensión de
alimentación. Se medirá y analizará el comportamiento de la corriente de arranque, voltaje, Par,
velocidad, tiempos de arranque y esfuerzos mecánicos que se producen en la máquina. De igual
forma que en el arranque se realizará un estudio para la parada del motor.
Introducción
3
Objetivo general
Poner en marcha el Partidor Suave y establecer Protocolos de Ensayos
Objetivos específicos
Modelar en ambiente Simulink el circuito de fuerza y control del arrancador
Realizar mediciones y simulaciones de transitorios con y sin carga.
Visualizar efectos hacia la red y máquina.
4
1 Marco Teórico 1.1 Motor de Inducción Trifásico.
El motor de inducción o máquina asíncrona trifásica es la de mayor uso en la industria, esto se
debe a que son sencillos, están normalizados, tienen un mínimo mantenimiento y baj o costo.
Existen dos tipos de motores de inducción: de rotor bobinado y rotor tipo jaula de ardilla .
1.1.1 Principio de funcionamiento del motor de inducción
El principio de funcionamiento de un motor de inducción es similar a un transformador eléctrico
cuyo circuito magnético se encuentra separado por un entrehierro, con dos segmentos con
movimientos relativos, uno con el devanado primario (estator) y otro con el devanado secundario
(rotor), donde la corriente del estator crea un campo magnético giratorio, el cual induce una
corriente en el rotor. La corriente del rotor junto con el campo magnético inducido provoca una
fuerza, que es la causa de la rotación del motor.
La velocidad del campo magnético giratorio es conocida como velocidad sincrónica y depende
de la frecuencia y el número de polos, es decir:
(1-1)
Por ejemplo una máquina de cuatro polos, su velocidad sincrónica es de 1500 rpm.
1.1.2 Estator
El estator del motor de inducción es la parte fija del motor. Tiene una cubierta de aleación rodea da
por una corona de láminas delgadas de acero. Las láminas están aisladas entre sí por barnices,
esto reduce las pérdidas por histéresis y por corrientes parásitas.
En las láminas se encuentran las ranuras donde van los arrollamientos estatóricos que producen
el campo giratorio, para el caso de un motor trifásico son tres arrollamientos o devanados
Marco Teórico
5
separados entre sí por 120°. Estos a su vez están constituido por varias bobinas, según su conexión
determina el número de pares de polo del motor.
Tabla 1-1: Velocidad sincrónica típicas a frecuencia de 50Hz.
Numero de polos Velocidad sincrónica
2 3000
4 1500
6 1000
8 750
El cálculo de la velocidad sincrónica se realiza con la ecuación (1-1).
1.1.3 Rotor
El rotor es el elemento móvil del motor, este puede ser rotor bobinado o rotor jaula de ardilla.
El rotor bobinado tiene un devanado similar al del estator, este debe tener el mismo número de
polos que el estator, y en general tiene el mismo número de fases que el estator. Los devanados se
conectan a unos anillos deslizantes montados en el eje, que por medio de unas escobillas se
pueden conectar resistencias al rotor para ponerlo en cortocircuito.
Este tipo de motor se caracteriza por desarrollar un alto par y una baja corriente en el arranque,
pero es menos robusto y necesita de mayor mantención.
El rotor jaula de ardilla consiste en una serie de conductores colocados en ranuras e igualmente
distribuidas a lo largo de la periferia del rotor. Los extremos de los conductores se ponen en
cortocircuito por anillos metálicos. Dando origen a la forma denominada jaula de ardilla.
La ventaja de utilizar este tipo de rotor es la simplicidad y robustez., y el mismo rotor puede
utilizarse con un estator de una, dos o tres fases. Suelen consumir en el arranque corrientes muy
elevadas, que pueden provocar fluctuaciones a la red eléctrica de distribución.
1.1.4 Circuito equivalente del motor trifásico de inducción
Para el estudio de una máquina de inducción se sigue un procedimiento similar al del
transformador, donde se sustituye el rotor por un equivalente de manera de no afectar la
máquina, este rotor equivalente se denomina rotor reducido al estator [1].
La Figura 1-1 equivale al circuito equivalente por fase del motor trifásico de inducción.
Marco Teórico
6
Figura 1-1: Circuito equivalente de una máquina sincrónica trifásica (fuente: Máquinas Asíncronas Miguel Rodríguez)
1.1.5 Deslizamiento
Como el par es el producto de una corriente inducida, el rotor nunca girará a la velocidad del
campo giratorio del estator. Por lo cual existe una diferencia entre la velocidad del sincronismo y
la velocidad del rotor, por este principio estos motores se llaman motores asíncronos.
La velocidad de deslizamiento se define como la diferencia entre la velocida d sincrónica y la
velocidad del rotor.
(1-2)
Entonces el deslizamiento es igual a la velocidad de deslizamiento expresa da como porcentaje
de la velocidad sincrónica.
(1-3)
El deslizamiento se utiliza para definir la zona donde se encuentra trabajando la máquina,
dependerá de la carga del motor y del valor de la tensión de alimentación aplicada.
Marco Teórico
7
1.1.6 Características Par-Velocidad
La curva característica del par-velocidad del motor trifásico de inducción se muestra en la Figura
1-2, donde se destaca que el par inducido del motor es nulo a velocidad síncrona y que en el
arranque el deslizamiento es 1. El par máximo (Mmáx) equivale a 2 o 3 veces el par nominal (MN) y
no puede sobrepasar este valor.
Figura 1-2: Curva par-velocidad de un motor asíncrono trifásico
Cabe destacar que la gráfica anterior tanto el voltaje de alimentación como la frecuencia son
constantes, por lo tanto el torque varía en función del deslizamiento. El par de arranque tiene que
ser mayor al par de plena carga, para que el motor pueda arrancar.
La expresión para el cálculo del par inducido es la siguiente
(1-4)
Para valores fijos de velocidad el par desarrollado por el motor es proporcional al cuadrado de
voltaje de alimentación ( ). Se sabe que el deslizamiento máximo no se ve afectado por la
variación de voltaje de alimentación del motor.
Par
(N
m)
Velocidad Motor (rpm)
Marco Teórico
8
El par máximo también es proporcional al cuadrado del voltaje de alimentación ( ), y se
produce con deslizamiento máximo que suele tomar valores entre 15% y 30%. En tanto el par
nominal está sujeto al deslizamiento nominal y este alcanza valores entre 3% a 8%.
1.2 Métodos de arranque de los motores trifásicos de inducción.
1.2.1 Arranque directo
Consiste en arrancar el motor conectándolo directo a la tensión total de línea. Este método es el
más sencillo y se emplea en motores pequeños, dado que en motores de mayores potencia la
corriente de arranque afecta la red eléctrica.
La corriente de arranque directo en los motores es varias veces superior a la nominal de 5 a 7
veces. Por esto la elevada corriente en el arranque provoca una caída de voltaje sobre las líneas.
Este procedimiento presenta una serie de inconvenientes y altos costos relacionados con el
mantenimiento de la máquina, a pesar de ser sencillo y de bajo costo.
1.2.2 Arranque mediante resistencias estatóricas
En este tipo de arranque se conectan un grupo de resistencias en serie con el estator, con el fin de
reducir la tensión aplicada en los bornes del motor. Cuando el motor se acerca a velocidad
nominal, se desconectan las resistencias.
Este método permite regular el par de arranque a valores altos, pero con consecuencias de altas
corrientes.
La ventaja de este método es el aumento progresivo del torque de arranque durante la
aceleración. Sin embargo esta variación de la tensión mediante resistencias en serie produce un
alto consumo de energía durante el arranque, limitando el número de arranques.
1.2.3 Arranque por autotransformador
Este método de arranque aplica tensiones reducidas al motor mediante un autotransformador,
de manera que estas tensiones tengan un crecimiento hasta alcanzar la tensión nominal de línea
del motor. Generalmente las salidas del autotransformador son 55%,65%,80% de l a tensión de
línea.
Este método reduce la corriente de arranque entre 1.7 a 4 veces la corriente nominal, sin embrago
también se reduce el par de arranque entre 0.4 a 0.85 del torque nominal.
Este método se utiliza para motores de gran potencia debido a la gran reducción de picos de
corriente de arranque [2].
Marco Teórico
9
1.2.4 Arranque estrella-triángulo
Este método se puede utilizar sólo cuando la tensión nominal del acoplamiento del motor en
triángulo sea igual a la tensión de línea de la red.
El arranque se realiza en conexión en estrella y cuando adquiere cierta velocidad el motor se
cambia la conexión a triángulo.
La ventaja de este método es que reduce en un tercio la corriente de arranque directo, sin embargo
ocurren picos de corriente al momento de conmutar a triángulo. También el par se ve reducido
en un tercio respecto al par de arranque directo.
A pesar de que se reduce la corriente arranque su par es débil, y el paro del motor sigue sin un
control óptimo.
1.2.5 Partidor Suave
Son equipos que permiten arrancar motores asincrónicos trifásicos de manera suave y
progresiva, esto se logra con la implementación de tiristores, que mediante el control de las tres
fases del motor asíncrono, regulan la tensión y la corriente en el arranque y en la parada del motor.
Este método se caracteriza por tener grandes ventajas, como ahorro de energía, mínimo desgaste
mecánico, evita golpes bruscos, reduce picos de corriente en el arranque, y a diferencia del
arranque estrella-triángulo ofrece una parada suave del motor.
Por lo tanto esta solución es la más óptima comparada con lo anteriores métodos de arranque.
1.2.6 Comparación de los arranques
En la Tabla 1-2 se hace una comparación entre el arrancador suave respecto al arranque directo
y estrella-triangulo.
Tabla 1-2: Comparación entre arranques de motores de inducción
Arranque
directo
Arranque estrella-
triángulo Arrancador suave
Corriente de arranque(Ia) 5 a 7 In 2,6 a 7In 2 a 5 In
Par de arranque(Ma) 0.6 a 1.5 Mn 0.2 a 0.5 Mn 1,5 Mn
Tiempo de arranque 2 a 3 s 3 a 7 s Ajustable 1 a 60 s
Marco Teórico
10
Claramente el arrancador suave destaca por el buen Par y una baja corriente de arranque, estos
valores pueden ser ajustados dependiendo de la aplicación industrial.
Figura 1-3: Gráfica comparativa de corriente de arranque según método de arranque
1.3 Controlador de tensión alterna monofásico
Los controladores de tensión son convertidores estáticos de energía que varían la potencia
entregada a una carga, esto se realiza mediante el control del valor eficaz de la tensión entregada
a la carga. Se utilizan típicamente tiristores en antiparalelo, también se puede hacer uso de
TRIACs, pero en aplicaciones de baja potencia.
La forma de variar la tensión eficaz aplicada a la carga es mediante el control de l ángulo de fase,
para ello los tiristores se disparan con cierto ángulo, haciendo que la carga se conecte por un
tiempo menor o igual a un semiciclo. Por la carga estará fluyendo corriente en cualquier sentido,
pero los tiristores no pueden conducir simultáneamente, o no se cumpliría el flujo de corriente
en ambos sentidos que distingue este tipo de controlador.
1.3.1 Controlador de tensión alterna monofásico con carga resistiva
Este controlador se caracteriza porque las formas de onda de tensión y corriente en la carga serán
la misma, pero con menor amplitud, presentando semiciclos positivos y negativos, por ello la
tensión y la corriente estarán en fase.
Marco Teórico
11
Figura 1-4: Controlador de tensión monofásico con carga resistiva (fuente: Electrónica de Potencia Daniel W. Hart)
Figura 1-5: Formas de onda del controlador de tensión monofásico con carga resistiva (fuente: Electrónica de Potencia Daniel W. Hart)
Las formas de onda en la figura 1-5a corresponden a la tensión de entrada y corriente en la carga.
La figura 1-5b y 1-5c representan la tensión en la carga y la tensión en los tiristores
respectivamente [2].
La onda de corriente es una señal sinusoidal pero con tramos horizontales, donde no hay
corriente circulando por la carga, esto se debe a que el tiristor aún no está activado para conducir.
El tiristor se dispara con un ángulo igual α, y los pulsos de disparos de S1 y S2 deberán estar
desfasados 180°.
(a)
(b)
(c)
Marco Teórico
12
De este modo, para pequeñas variaciones del ángulo de disparo de los tiristores se tendrá una
mayor tensión eficaz y para grandes valores del ángulo de disparo se tendrá valores pequeños de
tensión eficaz.
1.3.2 Controlador de tensión alterna monofásico con carga RL
Cuando la carga tiene parte inductiva la corriente estará atrasada respecto a la tensión, es decir la
corriente se hará nula cuando la tensión pase por cero, con lo que se tendrá tramos de tensión
negativa en la carga debido al efecto de la inductancia.
Figura 1-6: Controlador de tensión alterna monofásico con carga RL (fuente: Electrónica de Potencia Daniel W. Hart)
En el caso de una carga resistiva-inductiva, el control del ángulo queda limitado por la
impedancia de carga.
Marco Teórico
13
Figura 1-7: Formas de onda controlador de tensión alterna monofásico con carga RL (fuente: Electrónica de Potencia Daniel W. Hart)
Las formas de onda en la figura 1-7a corresponden a la tensión de entrada y corriente en la carga.
La figura 1-7b y 1-7c representan la tensión en la carga y la tensión en los tiristores
respectivamente [3].
El ángulo de disparo para el tiristor debe variar entre el ángulo de la carga y 180°, si el ángulo es
igual al de la carga la corriente será sinusoidal y será como no tener un controlador. Por otra parte
si el ángulo de disparo es menor al de la carga se tendrá una corriente unidireccional y no
bidireccional.
1.4 Controlador de tensión alterna trifásico
Siguiendo los mismos principios del controlador monofásico, en un controlador trifásico de
tensión se tendrá seis tiristores en pares antiparalelo. La carga en esta conexión puede ser en
triángulo o en estrella, pero para los estudios de este proyecto se trabajará con una carga
conectada en estrella.
Al tratarse de un sistema trifásico con carga en estrella en el cual no está conectado el neutro el
análisis se complica un poco, debido al acoplo de una rama con las otras dos.
Los seis tiristores se activaran siguiendo la secuencia S1-S2-S3-S4-S5-S6, a intervalos de 60°. En
cualquier instante estarán activadas tres SCR, dos SCR o ningún SCR
(c)
(b)
(a)
Marco Teórico
14
Figura 1-8: Controlador trifásico de tensión alterna (fuente: Electrónica de Potencia Daniel W. Hart)
Rangos de conducción, según el ángulo de disparo de α
Para 0°≤ α ≤ 60°
Antes del disparo de S1, conducen dos tiristores simultáneamente, después del disparo de S1,
conducen tres simultáneamente. Por otro lado tendremos en cuenta, que un tiristor se corta
cuando su corriente intenta hacerse negativa. Luego en este intervalo las condiciones de
funcionamiento varían entre dos o tres tiristores en conducción simultáneamente.
Para 60°≤ α ≤ 90°
Solo dos tiristores conducen al mismo tiempo.
Para 90°≤ α ≤ 150°
Existen periodos en los que conducen dos tiristores simultáneamente, y otro en los que no hay
tiristores en conducción.
Para α ≥ 150°
No hay periodos en los que dos tiristores entren en conducción y la tensión de salida se h ace cero.
El rango del ángulo de control es, por tanto 0°≤ α ≤ 150°.
Marco Teórico
15
Figura 1-9: Formas de onda controlador de tensión alterna trifásico con carga resistiva en estrella, α=30° (fuente: Electrónica de Potencia Daniel W. Hart)
Figura 1-10: Formas de onda controlador de tensión alterna trifásico con carga resistiva en estrella, α=75° (fuente: Electrónica de Potencia Daniel W. Hart)
Marco Teórico
16
Figura 1-11: Formas de onda controlador de tensión alterna con carga resistiva en estrella, α=120° (fuente: Electrónica de Potencia Daniel W. Hart)
Las corrientes armónicas en la carga y en la línea para el controlador de tensión a lterna trifásico
son los armónicos impares de orden 6n+1, con n=1, 2, 3, es decir el 5°,7°,11°,13°.
El análisis para una carga resistiva-inductiva es algo más engorroso, por lo cual se pueden obtener
mejor resultados a partir de simulaciones en simulink o del análisis de ensayos de laboratorio.
1.5 Tipos de carga
Antes de accionar una carga es de gran importancia conocer el comportamiento del par de la
carga en función de la velocidad, puesto que determinará su clasificación.
La potencia mecánica (P) de un motor es función del par (M) y la velocidad angular.
A continuación se analiza el comportamiento de los distintos tipos de carga respecto a la
velocidad (n).
1.5.1 Cargas de Par Constante.
El par requerido para este tipo de carga en régimen estacionario es aproximadamente el mismo,
independiente de la velocidad y a su vez la potencia requerida para mover la carga varía
linealmente con la velocidad.
Cabe destacar que el par de arranque debe superar la inercia de la carga, para poder acelerar la
máquina.
Marco Teórico
17
El uso de un arrancador suave es lo más apropiado en el arranque de este tipo de carga, debido a
que no dependen de la velocidad y necesitan de una alto par de arranque [4].
Algunos ejemplos de cargas mecánicas con par constante son:
Rodamientos y engranajes
Laminadoras
Bombas y compresores de pistón con presión constante
Cintas transportadoras (horizontales), escaleras mecánicas
Motores de alimentación
Herramientas con una fuerza de corte constante
Mecanismos de elevación, ascensores, montacargas
Grúas
Figura 1-12: Par constante (fuente: elaboración propia)
1.5.2 Cargas de Par Lineal.
Este tipo de carga es poco usual, se caracteriza por un par que varía linealmente con la velocidad,
mientras que la potencia requerida para mover la carga varia en proporción al cuadrado de la
velocidad.
Algunos ejemplos de cargas mecánicas con par lineal:
Calandrias
Rodillos
Extrusores
Esmeriles
M
P
M = constante
P n
n
Marco Teórico
18
Figura 1-13: Par en proporción a la velocidad (fuente: elaboración propia)
1.5.3 Cargas de Par Cuadrático
Para este tipo de carga el par varía cuadráticamente con la velocidad y la potencia requerida para
mover la carga varía con el cubo de la velocidad.
Este tipo de carga es el más frecuente en la industria, y el uso de variadores de frecuencia es la
mejor alternativa.
Algunos ejemplos de cargas mecánicas con par cuadrático:
Mezcladores
Bombas centrífugas
Ventiladores
Turbinas
M
P
M n
n
P n
Marco Teórico
19
Figura 1-14: Aumento del par con el cuadrado de la velocidad (fuente: elaboración propia)
1.5.4 Cargas de Potencia Constante
La potencia requerida siempre es la misma, y al aumentar la velocidad el par disminuye.
Algunos ejemplos de cargas mecánicas con potencia constante:
Bobinados
Fresadoras
Tornos de aire
Figura 1-15: Disminución del par en proporción inversa a la velocidad (fuente: elaboración propia)
M
P
P n
n
M n
M
P
P = constante
M n
n
Marco Teórico
20
1.6 Partidor suave electrónico digital serie V5
La serie V5 constituye la cuarta generación de partidores suaves de Power Electronics. Es un
partidor electrónico que integra los más avanzados sistemas de control para asegurar un perfecto
accionamiento del motor en cualquier aplicación industrial [5].
1.6.1 Características
El partidor serie V5 se caracteriza por su sencillez y facilidad de montaje, esto se debe a su formato
de armario que simplifica la instalación y facilita su acceso.
El modelo utilizado en este proyecto es el V50110B, que a diferencia de las versiones anteriores
cuenta con un bypass integrado.
Este equipo sobresale debido a la flexibilidad de control que posee, se puede programar de forma
local mediante teclado o de forma remota desde pc mediante comunicación serie [5].
Otras características de este equipo son:
Temperatura de operación 50°
Temperatura de Operación 50ºC
Grado de Protección IP20
2 Entradas Analógicas 0-20mA, 4-20mA, 10Vdc
5 entradas Digitales Configurables
1 Entrada PTC Motor
1 Salida Analógica 0-20mA, 4-20mA
3 Salidas Digitales Configurables
Comunicación Serie
Puerto RS232/RS485
Protocolo Modbus
CDP Exclusivo (Control Dinámico de Par)
Registro Estadísticos
Histórico de Fallos
Dobles Ajustes
Marco Teórico
21
1.6.2 Protecciones
Las protecciones que integra la serie V5 permiten un mejor control y mayor seguridad en el motor.
Falta de fase
Rotor bloqueado
Desequilibrio entre fases
Alta tensión en la entrada
Sobrecarga motor
Baja tensión en la entrada
Sobrecorriente
Secuencia de fase
Sobretemperatura motor PTC
1.6.3 Esquema del partidor suave V5
Este equipo cuenta con una única tarjeta de control común para todas las potencias que se
alimenta de forma independiente sea 230V±10%, la cual posee un microprocesador, con sensores
de tensión, corriente y temperatura, un circuito de disparo de los tiristores y un control dinámico
de par exclusivo de Power Electronics.
Por otra parte integra el respectivo controlador de tensión alterna trifásico. A continuación se
muestra un esquema del partidor electrónico digital V5.
Figura 1-16: Esquema partidor V5 (fuente: Manual Arrancador Electrónico digital V5)
1.6.4 Tarjeta de control
Los arrancadores o partidores V5 han sido diseñados para operar bajo los ambientes más
agresivos, cuentan con una electrónica totalmente barnizada y una alta temperatura de
Marco Teórico
22
operación, óptimo para ser operados en depuraciones de aguas residuales, plantas
desalinizadoras, extracción de túneles y mineras. Esta tarjeta se alimenta de forma independiente
a 220 V.
Figura 1-17: Tarjeta de control partidor suave V5 (fuente: elaboración propia)
1.6.5 Clasificación de los partidores suaves de Power Electronics
La serie V5, se clasifica según la potencia y la corriente máxima nominal respecto al motor
utilizado en la aplicación.
El modelo utilizado en este proyecto es el V50110b, que posee una corriente nominal máxima de
110 A de línea, con voltajes de entrada de 230/400/500 V, su frecuencia de trabajo puede ser 50 o
60 Hz. En la siguiente tabla se muestran las potencias entregadas según la tensión de entrada con
que se alimenta el motor.
Tabla 1-3: Potencia suministrada por el partidor suave.
Tensión nominal (V) Potencia (KW)
230 35
400 55
500 75
Marco Teórico
23
Las dimensiones del equipo también varían según el modelo utilizado, y estas se clasifican por
talla, el modelo V50110b es de talla 2.
La Figura 1-18 muestra las dimensiones referentes a la talla 2.
Figura 1-18: Talla 2, dimensiones arrancador V5 (fuente: Manual Arrancador Electrónico Digital V5)
Ejemplo de tabla clasificación:
mm mm
mm
Marco Teórico
24
Figura 1-19: Clasificación de los partidores serie V5 (fuente: Manual Arrancador Electrónico Digital V5)
Existen dos categorías más de utilización de la serie V5, estas son
Ac53a: Partidor que soporta la corriente circulando a través de los SCRs todo el tiempo de
funcionamiento
Ac53b: Partidores en los que la corriente solo circula a través de los SCRs durante el arranque,
luego se activa un bypass durante la velocidad nominal del motor.
Existen otras sub divisiones según las limitaciones térmicas del partidor, estas son:
Tiempo de arranque
Corriente de arranque
Temperatura ambiente
Tiempo de estado de off
Número de arranques por hora
Por ejemplo las siguientes características, 110: ac53b 4.5 - 30: 330.
110: Corriente nominal del arrancador en condiciones prescritas: In, (110 Amperios) .
AC53b: Los tiristores disponen de bypass.
4.5: Corriente de arranque, múltiplo de la corriente nominal (In), esto es : 4.5xIn.
Marco Teórico
25
30: Tiempo de arranque, en segundos (30seg).
330: Segundos entre el fin de un arranque y el inicio del siguiente arranque (10 arranques a la
hora)
1.6.6 Unidad de display y control de teclado
Este equipo nos informa constantemente del estado del motor que acciona, información como:
Voltaje en cada fase
Numero de arranques realizados
Potencia en cada fase
Intensidad en cada fase
Factor de potencia
Par eje motor
Número de horas de trabajo
Histórico de las ultimas 5 averías
El display cuenta con tres indicadores led (on, run, fault), el primero indica el encendido del
equipo, el segundo el arranque y un tercero en caso de producirse un fallo. Dispone d e una
pantalla LCD de dos líneas y dieciséis caracteres por línea (16x2).
La línea superior es la línea de estado, está siempre presente y muestra la situación en que se
encuentra el arrancador, la intensidad de fase y la tensión de línea.
La línea inferior corresponde al control, sirve para ajustar los diferentes parámetros que dispone
el arrancador.
El partidor suave dispone de 5 botones, tres superiores que sirven para navegar por los diferentes
grupos de ajustes y dos inferior para encender y parar el equipo.
Este partidor cuenta con 16 grupos de ajustes estos son:
Grupo 1: Opciones de menú.
Grupo 2: Datos placa.
Grupo 3: Protecciones.
Grupo 4: Aceleración.
Grupo 5: Deceleración.
Grupo 6: Entradas.
Grupo 7: Salidas.
Grupo 8: Segundo ajustes.
Grupo 9: Comparadores.
Grupo10: Histórico de fallos.
Grupo11: Registros.
Grupo12: Velocidad lenta.
Marco Teórico
26
Grupo13: Frenado CC.
Grupo14: Comunicación serie.
Grupo15: Reset automático.
Grupo16: Control de bombas.
1.6.7 Configuración de cableado de potencia con Bypass interno
A continuación se muestra la conexión entre el partidor suave V5 y el motor trifásico de
inducción.
Figura 1-20: Configuración de cableado de potencia con bypass interno (fuente: Manual Arrancador Electrónico Digital V5)
Este modelo cuenta con bypass interno, lo cual se evitan errores de cableado derivados de
instalaciones externas, así se reduce el tamaño del equipo, por otra parte reduce las pérdidas de
potencia y de calentamiento en los tiristores. Se ahorra energía y aumenta la vida útil del sistema.
El bypass se acciona tras alcanzar la velocidad nominal del motor y no afecta su rendimiento.
1.6.8 Aplicaciones partidores suaves V5
La facilidad que tienen los partidores suaves de acelerar la carga del motor muy pausada, los torna
ideales para la mayoría de las aplicaciones industriales, tales como:
Sistemas de bombeo, donde se minimiza el golpe de ariete del conjunto hidráulico, limita
la intensidad de arranque y reduce el estrés en la bomba y en la red
Molinos y machadoras, evita problemas mecánicos como roturas de ejes, correas o
atascos. El partidor suave produce arranque aun cuando el par resistente sea elevado.
27
2 Cálculo de parámetros máquina de indución2.1 Cálculo resistencia estator.
Para determinar la resistencia del estator R1, se realiza la prueba dc. Esta prueba se aplica un
voltaje continuo a los devanados del estator del motor.
Como la corriente que circula por estator es continua, no existe voltaje inducido en el circu ito del
rotor, por lo tanto no circula corriente. De esta forma la reactancia a corriente directa es cero, por
lo tanto la resistencia del estator limita el flujo de corriente en el motor.
Figura 2-1: Circuito Prueba dc
De la figura 2-1 la corriente fluye a través de dos devanados, por lo tanto la resistencia a la
corriente es si la conexión es en estrella.
La resistencia medida en corriente continua, debe ser convertida la correspondiente corriente
alterna por el efecto skin, donde suele aumentar en un 10 o 20% de la resistencia dc.
Otra forma de calcular la resistencia del estator es mediante el puente de Wheatstone.
Cálculo de parámetros máquina de indución
28
De la prueba dc se obtiene como valor para 0.625 Ω, agregando el efecto skin a este valor, da como resultado que la resistencia del estator para corriente alterna es 0.75 Ω
2.2 Ensayo de vacío ideal.
Con este ensayo se mide las pérdidas rotacionales del motor, proporcionando información sobre
la corriente de magnetización. Permite calcular la resistencia de pérdidas en el núcleo y la
reactancia de magnetización .
Se alimenta el motor a tensión y frecuencia nominales. La única carga del motor es su propio
rozamiento y el rozamiento del aire. Se mide voltaje, corriente, potencia resultante.
En condiciones de vacío la potencia de entrada debe ser igual a las perdidas en el motor, las
perdidas en el cobre se desprecian. Por lo tanto la mayoría de la caída de tensión se producirá a
través de las componentes inductivas del circuito, estos son la reactancia del estator y la
reactancia de magnetización [6].
Por lo tanto el circuito equivalente queda aproximado como la Figura 2-3.
Por consiguiente:
(2-1)
La reactancia del estator se obtiene del ensayo de rotor bloqueado.
En la Figura 2-2 se muestra la forma de conectar los elementos de medición del ensayo de vacío.
Cálculo de parámetros máquina de indución
29
Figura 2-2 Prueba de vacío ideal (fuente: Máquinas Eléctricas Stephen J. Chapman)
Figura 2-3: Circuito aproximado prueba de vacío (fuente: Máquinas Eléctricas Stephen J. Chapman)
Los valores obtenidos en el ensayo de vacío ideal son:
Tabla 2-1: valores obtenidos ensayo vacío ideal
Valores ensayo de vacío
Tensión aplicada por fase 240 [V]
Corriente consumida 7,8 [A]
Potencia consumida 250 [W]
Desarrollo de cálculos
Cálculo de parámetros máquina de indución
30
2.3 Ensayo rotor bloqueado
Durante esta prueba se bloquea el rotor de tal forma que no se pueda mover, se aplica voltaje al
motor. Se mide voltaje, corriente y potencia resultantes.
En la figura 2-4 se muestra la forma de conectar los elementos de medida.
Figura 2-4: circuito de rotor bloqueado (fuente: Máquinas Eléctricas Stephen J. Chapman)
Como el rotor no se mueve el deslizamiento es igual a 1, por tanto, la resistencia en el rotor es
igual que es un valor muy pequeño al igual que la reactancia del rotor , de esta forma toda la
corriente circula por ellos, en lugar de circular por reactancia de magnetización .
Figura 2-5: circuito equivalente prueba rotor bloqueado (fuente: Máquinas Eléctricas Stephen J. Chapman).
Con estas condiciones el circuito aproximado queda como la figura 2-5 donde , , y están
en serie.
Entonces mediante la potencia activa consumida se puede calcular y . Por otra parte
mediante la potencia reactiva consumida se puede calcular y .
Cálculo de parámetros máquina de indución
31
Los valores obtenidos en el ensayo de rotor bloqueado son:
Tabla 2-2: Datos obtenidos ensayo rotor bloqueado
Valores a rotor bloqueado
Tensión aplicada por fase 40 [V]
Corriente consumida 11,8 [A]
Potencia consumida 230 [W]
Potencia activa: 230 W.
Potencia reactiva: 412.17 Var.
Cálculos:
Aplicando las reglas de división de las reactancia del estator y rotor mediante la tabla 2-3, resulta
que
Del ensayo de vacío se obtiene que:
Siendo
Por lo tanto
Cálculo de parámetros máquina de indución
32
Tabla 2-3: Reglas para dividir la reactancia del estator y rotor del motor
y En función de
Diseño del rotor
Rotor devanado
Diseño A
Diseño B
Diseño C
Diseño D
33
3 Modos de operación partidor suave V5 3.1 Rampa de tensión
Permite la aceleración suave a través de una rampa de tensión. Este modo de arranque es el más
simple, donde se aumenta progresivamente la tensión aplicada en el motor hasta alcanzar el valor
de la tensión de la red, de esta forma no se producirán movimientos bruscos en el arranque.
De la curva par-velocidad del motor, se sabe que la tensión de arranque determinará el par de
arranque, visto de esta forma, mayor tensión de arranque mayor es el par producido. La tensión
aplicada en el arranque debe asegurar el giro inmediato y suave del motor.
Figura 3-1: Rampa de tensión (fuente: elaboración propia)
El modo de arranque con rampa de tensión es recomendable para aplicaciones que necesiten una
gran estabilidad en el arranque, y no precise un control de corriente de arranque.
Régimen transitorio Régimen transitorio
Modos de operación partidor suave V5
34
3.2 Pulso de tensión más rampa de tensión
Este modo de arranque proporciona un pulso de tensión al inicio del arranque, para sacar de
inercia a grandes cargas, por medio del aumento de par durante una fracción de segundo.
En la Figura 3-2 de color rojo se representa el pulso de tensión durante un lapso de tiempo, que
luego desciende hasta el voltaje inicial de arranque para luego aumentar por medio de la rampa
de aceleración de tensión hasta llegar a su valor nominal.
Figura 3-2: Pulso de tensión más rampa de tensión (fuente: elaboración propia)
3.3 Paro en giro
Es el modo más simple de parada del motor, donde el rotor gira libre de modo que se detiene por
inercia.
La Figura 3-3 representa la curva característica de giro por paro.
Régimen estacionario Régimen transitorio
Modos de operación partidor suave V5
35
Figura 3-3: Paro en giro (fuente: Power Electronics)
3.4 Paro con rampa de tensión
Este modo de paro controla la parada del motor mediante una rampa de desaceleración. Al utilizar el modo paro con rampa de tensión, se obtiene una parada suave para aplicaciones que necesiten de una parada prolongada para evitar transitorios mecánicos en las cargas o en aplicaciones que requieran un paro más rápido que un paro por inercia
Figura 3-4: Paro con rampa de tensión.
Régimen transitorio Régimen estacionario
Modos de operación partidor suave V5
36
3.5 Paro algoritmo antiariete
El golpe de ariete se presenta en tuberías que conducen líquido. Esto ocurre por la variación de
presión a causa del frenado o aceleración en el flujo.
Cuando la tensión de alimentación se corta de golpe, el par de retorno que se produce detiene de
golpe el motor generando esfuerzos en toda la red de tuberías y válvulas.
Al utilizar este modo se logra reducir por completo la alta corriente consumida en la parada, por
medio del ajuste de algoritmo antiariete completo tanto al principio como al final d e la rampa de
desaceleración. Este algoritmo detecta cuando el motor pierde bruscamente velocidad, el par
aumenta a medida que detecta que el motor deja de acelerar y se mantiene contante a medida
que acelera. Con este ajuste de par en ningún momento se perderá energía.
En la Figura 3-5 se observa el Paro algoritmo antiariete, se observa la reducción gradual de la
velocidad del motor a medida que detecta que la velocidad se reduce muy bruscamente.
Es ideal para aplicaciones donde se utilizan bombas, puesto que al interrumpir la alimentación
el par de retorno provoca un golpe al motor.
Figura 3-5: Paro algoritmo Antiariete (fuente: Power Electronics)
37
4 Simulación partidor suave V5 Un partidor suave está constituido por un módulo de control y un módulo de potencia. El módulo
de control verifica el funcionamiento del equipo, mientras que el módulo de potencia alimenta el
motor con la energía.
Para efectuar las simulaciones se empleó el programa Simulink, software que integra la
plataforma Matlab. Simulink posee un conjunto de diagramas de bloques que realizan una
operación, con el objetivo de simular y analizar sistemas lineales y no lineales.
4.1 Cicuito de fuerza
El módulo de potencia está compuesto por rectificadores controlados por silicio (SCRs),
interfaces de medida de la tensión, corriente, par, factor de potencia, velocidad. Los SCRs se
conectan en antiparalelo por cada línea, con el fin de reducir de forma equilibrada la tensión de
alimentación del motor y de forma proporcional disminuir los picos de corriente en el arranque.
En la Figura 4-1 se aprecia el esquema de fuerza del arrancador suave.
Figura 4-1: Circuito de fuerza partidor suave
Simulación partidor suave V5
38
4.2 Circuito de control
El módulo o circuito de control se compone por un microprocesador que organiza y configura las
órdenes transmitidas por el operador, tales como corriente, voltaje, par, etc. Por otra parte se
encuentra el algoritmo de mando que ejecuta las rampas de aceleración, limitación de corriente,
rampas de deceleración y control de par.
El circuito de control se compone por un bloque que genera 6 pulsos, donde las variables de
entrada son el ángulo de disparo alfa (α) en grados y el ángulo de la fase (radianes) de la tensión
de alimentación de motor , obtenida de un sistema de sincronización PLL del bloque PLL(3ph).
La entrada wt sincroniza en cruces por ceros de la fundamental (semiciclo positivo) de la fase de
tensión de alimentación, es decir enlazar los pulsos con la tensión de entrada.
Por lo tanto la secuencia de disparo de los tiristores del arrancador suave es de T1, T2, T3, T4, T5
yT6, separados 60 grados entre sí. T1, T3 y T5 controlan los semiciclos positivos, mientras que T2,
T4 y T6 controlan los semiciclos negativos, el ancho de cada pulso es de 90 grados.
Uno de los requisitos de arranque suave es el control de la potencia del motor, sin alterar su
frecuencia (velocidad).Para que esto ocurra, el control de disparo de los tiristores opera en dos
puntos: el control por voltaje cero y el control de corriente cero.
Figura 4-2: Módulo de control partidor suave
Simulación partidor suave V5
39
Figura 4-3: Pulsos generados cada 60°, con un ancho de pulso de 90°.
4.3 Carga Mecánica
Entrada mecánica al sistema del motor es la velocidad.
En el siguiente bloque se modela el sistema de primer orden que tiene asociados una inercia
equivalente, más una fricción lineal y un torque de carga externo (Figura 4-4).
Figura 4-4: Diagrama físico idealizado del sistema mecánico.
J: Momento de Inercia [Kgm/m2]
B: Coeficiente de Fricción [Nm s/rad]
: Velocidad en condiciones iniciales [rad/s]
Tal diagrama físico se representa con la siguiente ecuación diferencial
Simulación partidor suave V5
40
(4-1)
La cual se le debe adicionar la respectiva condición inicial .
(4-2)
El diagrama de bloques que implementa tal ecuación se puede ver en la Figura 4-5.
Figura 4-5: Entrada mecánica del motor de inducción trifásico, Velocidad [rad/s]
Simulación partidor suave V5
41
4.4 Simulación partidor suave accionando un motor de 30HP
4.4.1 Arranque directo
La corriente de arranque es 5.25 veces la corriente nominal del motor, con un tiempo de
aceleración de 2.13 segundos, ver Figura 4-6.
Al tratarse de un arranque directo el torque producido en régimen transitorio es elevado llegando
a los 150 Nm. Por otra parte la velocidad en rpm de la maquina en régimen permanente es de
1460.
Figura 4-6: Corrientes de arranque directo motor de inducción trifásico.
Co
rrie
nte
(A
)
Simulación partidor suave V5
42
Figura 4-7: Velocidad Motor inducción trifásico arranque directo.
Figura 4-8: Torque motor inducción trifásica arranque directo.
4.4.2 Arranques con rampa de tensión
De la placa motor se sabe que el factor de potencia del motor es 0.8 inductivo, es decir que el
desfase entre el voltaje y la corriente es 36.9°. Por lo tanto el ángulo mínimo que puede tomar la
secuencia de disparo de los tiristores del arrancador suave es de 37°.
Por el contrario, si el ángulo de disparo es menor a 37° la maquina funci onaría como de
costumbre, como si no hubiera tiristores. En conclusión no se estaría generando una reducción
de tensión en los bornes del motor.
Simulación partidor suave V5
43
4.4.3 Disparo de los tiristores con un ángulo de 55°
Al reducir la tensión de alimentación en los bornes de motor, la corriente disminuye en forma
proporcional. Para este caso la corriente disminuye a 56.63 Arms que equivale a cuatro veces la
corriente nominal (4xIn), la cual permite la operación del motor en régimen estacionario, ver
Figura 4-9.
Figura 4-9: Corrientes de arranque Motor Inducción Trifásico, α=55°.
Por otra parte al reducir la alimentación en el arranque del motor el tiempo de aceleración
aumenta de 2.13 segundos a 5.4 segundos.
Simulación partidor suave V5
44
Figura 4-10: Velocidad Motor Inducción Trifásico, α=55°.
El par del motor tiene una relación cuadrática con la tensión, por ende el par de arranque se
reduce de forma cuadrática. Para un disparo alfa de la secuencia de tiristores de 55°, el par
eléctrico producido permite acelerar la máquina, hasta sus valores nominales.
Figura 4-11 Par producido por el motor de Inducción Trifásico, α=55°.
En la Figura 4-12 y Figura 4-13 se puede observar los efectos que produce el uso de un arrancador
suave, en la señales de corriente y tensión del estator del motor de inducción trifásico. El
arrancador recorta la señal de tensión de modo que reduce su valor RMS aplicado en el motor,
Simulación partidor suave V5
45
transcurrido el tiempo la tensión aumenta progresivamente hasta llegar a los valores nominales.
La corriente de arranque se reduce de forma proporcional a la tensión aplicada.
El valor del voltaje aplicado en el arranque es de 205.3 Vrms, es decir se redujo en un 6.7% la
tensión nominal.
Figura 4-12 Efecto en las señales de la corriente y tensión de motor, régimen transitorio α=55°
Figura 4-13: Efecto en las señales de la corriente y tensión de motor, régimen transitorio α=55°
Simulación partidor suave V5
46
4.4.4 Disparo de los tiristores con un ángulo de 70°
Para el siguiente caso, la tensión aumenta de forma gradual de manera que el motor acelera hasta
llegar a velocidad nominal. Nuevamente las corrientes de arranque disminuyen en la misma
proporción con la tensión aplicada.
La corriente disminuye a 35.64 Arms que equivale a 2.5xIn, la cual permite la operación del motor
en régimen estacionario sin problema, ver Figura 4-14.
El Incremento del tiempo de aceleración de la máquina es de 13.5 segundos.
Figura 4-14: Corrientes de arranque Motor Inducción Trifásico, α=70°
Simulación partidor suave V5
47
Figura 4-15: Velocidad Motor Inducción Trifásico, α=70°.
Figura 4-16: Par producido por el motor de Inducción Trifásico, α=70°.
En la Figura 4-17 y Figura 4-18 se observa los efectos al reducir la tensión de alimentación del
motor, aplicando un ángulo de disparo de 70° a la secuencia de tiristores.
El valor del voltaje aplicado en el arranque es de 188.9 Vrms, es decir se redujo en un 14.14% la
tensión nominal.
Simulación partidor suave V5
48
Figura 4-17: Efecto en las señales de la corriente y tensión de motor, régimen transitorio α=70°
Figura 4-18: Efecto en las señales de la corriente y tensión de motor, régimen transitorio α=70°
4.4.5 Disparo de los tiristores con un ángulo de 85°
El par eléctrico de arranque que realiza el motor es inferior al par mecánico que necesita la carga.
Por lo tanto la maquina no produce aceleración, esto se debe a la relación cuadrática entre el par
y la tensión de alimentación, a gran reducción de tensión en los terminales del estator del motor
el par disminuirá de forma cuadrática. Por lo tanto el motor no llegará a su velocidad nominal.
La corriente disminuye a 17.6 Arms que equivale a 1.3xIn, la cual no permite la operación del
motor en régimen estacionario, ver Figura 4-19 y Figura 4-20.
Simulación partidor suave V5
49
También se puede observar que hay una disminución en el torque con gran impacto sobre la
velocidad cuando el motor arranca con carga.
Figura 4-19: Corrientes de arranque Motor Inducción Trifásico, α=85°
Figura 4-20: Velocidad Motor Inducción Trifásico, α=85°.
Simulación partidor suave V5
50
Figura 4-21: Par producido por el motor de Inducción Trifásico, α=85°.
En la Figura 4-22 y Figura 4-23 se observa los efectos al reducir la tensión de alimentación del
motor, aplicando un ángulo de disparo de 85° a la secuencia de tiristores.
El valor del voltaje aplicado en el arranque es de 170.9 Vrms, es decir se redujo en un 22.32% de la
tensión nominal.
Figura 4-22: Efecto en las señales de la corriente y tensión de motor, régimen transitorio α=85°
Simulación partidor suave V5
51
Figura 4-23: Efecto en las señales de la corriente y tensión de motor, régimen transitorio α=85°
Simulación partidor suave V5
52
4.5 Simulación partidor suave accionando un motor de 6.5HP
4.5.1 Arranque directo
La corriente de arranque es 8 veces la corriente nominal del motor, con un tiempo de aceleración
de 0.2 segundos, ver Figura 4-24.
Figura 4-24: Forma de onda corriente arranque directo
En la siguiente figura se muestra la forma de onda del voltaje para el arranque directo.
Simulación partidor suave V5
53
Figura 4-25: Forma de onda voltaje arranque directo
4.5.2 Arranque con rampa de tensión
4.5.3 Formas de onda corriente y voltaje con carga pequeña
Al tratarse de una carga pequeña el ángulo de disparo necesario para operar los tiristores es de 45
grados.
El valor de la corriente de arranque con una pequeña carga (1kW) es de 24.75 A rms,
aproximadamente dos veces la corriente nominal del motor, ver Figura 4-26.
La activación del bypass se produce a 2.7 segundos, tiempo en que el motor llega a su velocidad
nominal. Al momento de activarse el bypass se produce un pequeño aumento de corriente
durante una fracción de segundo.
Simulación partidor suave V5
54
Figura 4-26: Forma de onda de corriente con carga pequeña
En régimen transitorio el valor de la tensión para el arranque de una carga pequeña de 1[kW] es
de 124.2 V rms, la tensión aplicada en el motor se reduce un 43.5%, ver Figura 4-27.
Figura 4-27: Forma de onda voltaje con carga pequeña
4.5.4 Formas de onda corriente y voltaje con media carga
Para lograr reducir o mantener la corriente de arranque de las formas de onda anterior, el ángulo
de disparo de los tiristores debe comenzar 55 grados.
El valor de la corriente de arranque con media carga es de 27.57 A rms, aproximadamente 2.3
veces la corriente nominal del motor, ver Figura 4-28.
Simulación partidor suave V5
55
La activación del bypass se produce a 3.5 segundos, tiempo en que el motor llega a su velocidad
nominal. Al momento de activarse el bypass se produce un pequeño aumento de corriente
durante una fracción de segundo.
Figura 4-28: Forma de onda Corriente con media carga
En régimen transitorio el valor de la tensión para el 50% de plena carga es de 128.8 V rms. La
tensión aplicada al motor se reduce en un 42.5%.
Figura 4-29: Forma de onda voltaje con media carga
Simulación partidor suave V5
56
4.5.5 Formas de onda corriente y voltaje con carga completa
Para este caso el ángulo de disparo de los tiristores para comenzar la rampa de aceleración es de
65 grados, superado un ángulo de disparo de 70 grados el motor tarda en llegar a su velocidad
plena.
El valor de la corriente de arranque con carga completa es de 31.8 A rms, aproximadamente 2.7
veces la corriente nominal del motor, ver Figura 4-30.
La activación del bypass se produce a 4.1 segundos, tiempo en que el motor llega a su velocidad
nominal. Al momento de activarse el bypass se produce un pequeño aumento de corriente
durante una fracción de segundo.
Figura 4-30: Forma de onda corriente con carga completa
En régimen transitorio el valor de la tensión carga pequeña es de 142.6 V rms. La tensión aplicada
al motor se reduce un 35.2%
Simulación partidor suave V5
57
Figura 4-31: Forma de onda voltaje con carga completa
4.5.6 Arranque con pulso de tensión más rampa de tensión
Al utilizar un pulso de tensión al comienzo de la rampa de aceleración de tensión no es ne cesario
aumentar más de 55 grados el ángulo de disparo de los tiristores.
El valor de la corriente de arranque con una pequeña carga es de 30.40 A rms, aproximadamente
2.57 veces la corriente nominal del motor, ver Figura 4-32 formas de onda corriente con carga
completa.
La activación del bypass se produce a 3.6 segundos, tiempo en que el motor llega a su velocidad
nominal. Al momento de activarse el bypass se produce un pequeño aumento de corriente
durante una fracción de segundo.
Simulación partidor suave V5
58
Figura 4-32: Forma de onda corriente, pulso de tensión con carga completa
En régimen transitorio el valor de la tensión carga pequeña es de 140.3 V rms. La tensión aplicada
al motor se reduce un 36.2%
En la Figura 4-33 se puede observar los efectos que produce el uso de un arrancador suave, en la
señales de corriente y tensión del estator del motor de inducción trifásico. El arrancador recorta
la señal de tensión de modo que reduce su valor RMS aplicado en el motor, transcurrido el tiempo
la tensión aumenta progresivamente hasta llegar a los valores nominales. La corriente de
arranque se reduce de forma proporcional a la tensión aplicada.
Figura 4-33: Efecto arranque suave en las señales de voltaje y corriente en el arranque del motor
Simulación partidor suave V5
59
4.5.7 Parada con rampa de desaceleración de tensión
De forma inversa que un arranque con rampa de aceleración de tensión, el voltaje se reduce de
forma gradual. Pero al realizar este procedimiento se obtiene un aumento de corriente a medida
que se reduce la tensión, en otras palabras el motor está agregando par a medida que se detiene.
El valor de la corriente de parada con carga es de 18.2 A rms.
Figura 4-34: Forma de onda corriente parada con rampa de desaceleración
En régimen transitorio el valor de la tensión para la parada es de 140.4 V rms, la tensión aplicada
en el motor se reduce un 36.2%, ver Figura 4-35.
Simulación partidor suave V5
60
Figura 4-35: Forma de onda Voltaje parada con rampa de desaceleración
El frenado del motor comienza a los 7,5 segundos, por lo tanto el tiempo de parada del motor en
la simulación con rampa de desaceleración según la Figura 4-34 es de 2,5 segundos
4.5.8 Formas de ondas corriente y voltaje algoritmo antiariete simple
Como se vio en el capítulo 2 el golpe de ariete es una variación de presión a causa del frenado o
aceleración en el flujo, se presenta en las tuberías que conducen líquido.
El valor de la corriente de parada para el motor con carga mediante la simulación disminuye a
14.14 A rms, ver Figura 4-36.
El frenado comienza a los 6.8 segundos, por ende la parada del motor según la simulación tiene
una duración de 3 segundos
Simulación partidor suave V5
61
Figura 4-36: Forma de onda Corriente parada con antiariete simple
En régimen transitorio el valor de la tensión para la parada del motor con carga es de 124.2 V rms,
la tensión aplicada en el motor se reduce un 43.5%, ver Figura 4-37.
Figura 4-37: Forma de onda Voltaje parada con antiariete simple
4.5.9 Formas de ondas corriente y voltaje algoritmo antiariete completo
El par que se agrega en la parada del motor, se aplica de forma eficiente para no incrementar la
corriente en su detención. El valor de la corriente de parada para el motor con carga es de 10.62 A
rms, ver Figura 4-38.
Simulación partidor suave V5
62
El frenado comienza a los 7 segundos, por ende la parada del motor según la simulación tiene
una duración de 3 segundos.
Figura 4-38: Forma de onda Corriente parada con antiariete completo
En régimen transitorio el valor de la tensión para el frenado con carga es de 113.91 Vrms. La
tensión aplicada en el motor se reduce en un 48.22%.
Figura 4-39: Forma de onda Voltaje parada con antiariete completo
63
5 Protocolo de ensayo de laboratorio Sistema de arranque para motores de inducción
Partidor suave
5.1 Objetivos
Estudio del comportamiento del motor y de la red eléctrica utilizando un partidor suave,
correspondiente a caídas de tensión, corrientes y tiempo de aceleración. Torque.
Aplicación de distintos modos de arranque y paro con un arrancador suave.
Estudio transitorios en el motor.
5.2 Preguntas de estudio:
1. Funcionamiento de un partidor suave, en lo relativo a los elementos constitutivos,
circuitos de control, modos de operación, limitaciones e impactos sobre la red.
2. Como afecta este sistema de arranque al torque desarrollador por el motor
3. Estudie el efecto del arranque sobre las líneas de alimentación
5.3 Instrumentos y equipos
1. Arrancador suave V5
2. Motor trifásico de inducción 6.5 Hp.
3. Generador CC.
4. Conjunto de ampolletas (3kW).
5. Cables tipo banana y caimán.
6. Amperímetro de 15[A] para medir corriente continua.
7. Amperímetro de 1[A] para medir corriente continua.
8. Fuente de voltaje continua.
9. Dos voltímetros para medir tensión continua.
10. Taquímetro.
11. Manual arrancador electrónico digital V5
Protocolo de ensayo de laboratorio
64
5.4 Procedimiento de laboratorio
1. Conectar el motor a la red a través del partidor suave V5 del laboratorio de máquinas
Eléctricas, como se visualiza la Figura 5-1.
2. Luego conectar el SAMTE para medir las distintas variables en estudio, ver Figura 5-2.
3. Conectar el motor en estrella mediantes cables banana-banana.
4. Verificar que el motor este acoplado con el generador.
5. Conectar la carga y la alimentación del generador de excitación independiente como
muestra la Figura 5-3. Agregar los respectivos instruimos de medición y protección.
6. Verifique que todas las ampolletas estén apagadas.
7. Arranque el motor mediante el arrancador V5, baje el interruptor de la carga y excite el
generador hasta llegar a 220 VCC, encienda las ampolletas y verifique que no supe re las
corrientes máximas en los amperímetros, ver Figura 5-3.
Figura 5-1: Conexión motor con arrancador V5
Protocolo de ensayo de laboratorio
65
Figura 5-2: Conexión Equipo de mediciones (SAMTE)
Figura 5-3: Conexión de alimentación y carga del generador de excitación independiente
Protocolo de ensayo de laboratorio
66
5.5 Desarrollo
1. Rampa de tensión
a. Haga arrancar el motor con el generador acoplado sin carga, registre las variables
de estudio: voltaje, corriente, potencia, factor de potencia, tiempo de aceleración,
y obtenga imágenes de las señales de corriente y tensión de régimen transitorio,
hasta obtener un arranque suave. (Señal con menores caídas de tensión y baja
corriente de arranque).
b. Realice el ensayo variando los datos destacados en color gris del menú de grupos
de Arrancador V5, ver Tabla 5-1.
Tabla 5-1: Menú de grupo G4 arrancador V5
Pantalla Valor
G4.1(Retraso) 0 G4.2(Pulso Par) 50%
G4.3(Tiempo Par) OFF
G4.4(Par Inicial) 20%-55%
G4.5(Tiempo Par Inicial) 1-5s
G4.6(T Aceleración) 5-10s
c. Repita el punto anterior con un tercio de plena carga, media carga y carga
completa hasta conseguir un arranque deseado.
2. Pulso de Par
a. Haga arrancar el motor con plena carga, mantenga los datos utilizados para el
ensayo a plena carga. Realice el ensayo variando los datos destacados en color
gris de la Tabla 5-2:
b. Aplique pulsos de par de 10%, 40%, hasta 60%.
c. A medida que aumenta los pulsos de par, disminuya el par inicial.
Tabla 5-2: Menú de grupo G4 arrancador V5
Pantalla Valor
G4.1(Retraso) 0 G4.2(Pulso Par) 50%
G4.3(Tiempo Par) OFF
G4.4(Par Inicial) 20%-40%
G4.5(Tiempo Par Inicial) 1-5s
G4.6(T Aceleración) 5-10s
Protocolo de ensayo de laboratorio
67
d. Compare los datos y señales con el caso anterior de plena carga.
3. Paro en giro
a) En la pantalla de arrancador V5 Ajuste el grupo G5.1 en rango S.
b) Obtenga imágenes de tensión y corriente.
4. Paro por rampa de tensión
a) Modifique el grupo G.5 como muestra la tabla A-3
b) Para carga completa varíe el grupo G5.2, registre las variables de estudio: voltaje,
corriente, potencia, factor de potencia, tiempo de aceleración, y obtenga
imágenes de las señales de corriente y tensión de régimen transitorio, hasta
obtener un parada suave.
Tabla 5-3: Menú de grupo G5 arrancador V5
Pantalla Valor
G5.1(Paro en giro) N G5.2(Tiempo desaceleración) 7s
G5.3(Modo desaceleración) Normal
G5.4(Nivel de ariete) 75%
G5.5(Par mínimo) 1%
5. Rampa de tensión con antiariete
a. Repita el punto anterior, variando el grupo G5.4 de la tabla 5-4.
Tabla 5-4: Menú de grupo G5 arrancador V5
Pantalla Valor
G5.1(Paro en giro) N G5.2(Tiempo desaceleración) 7s
G5.3(Modo desaceleración) Normal
G5.4(Nivel de ariete) 75%
G5.5(Par mínimo) 1%
b. Analice y compare resultados.
6. Rampa de tensión con antiariete completo
a. Repita el punto 4 variando el grupo G5.5 de la tabla 5-5 y compare resultado.
Protocolo de ensayo de laboratorio
68
Tabla 5-5: Menú de grupo G5 arrancador V5
Pantalla Valor
G5.1(Paro en giro) N G5.2(Tiempo desaceleración) 7s
G5.3(Modo desaceleración) Normal
G5.4(Nivel de ariete) 75%
G5.5(Par mínimo) 1%
5.6 Informe
Redacte un informe con los resultados obtenidos. El informe debe tener los siguientes puntos.
1. Introducción 2. Descripción teórica de los elementos del arrancador suave 3. Medidas y capturas de pantalla de las señales de estudio 4. Observaciones y conclusiones
69
6 Ensayos de laboratorio del partidor suave accionando un motor de 6.5HP6.1 Generador de excitación independiente
Los siguientes ensayos y simulaciones se realizaron con un motor de 6.5 Hp, un generador de
corriente continua con excitación independiente, y un conjunto de ampolletas de 200 W.
Características del generador cc:
220 V
13.5 A
3 kW
Excitación independiente(220 V, 0.7 A)
Esquema generador:
Figura 6-1: Generador con excitación independiente
A continuación se mostrarán las diferentes formas de onda tanto corriente como voltaje del motor
para los diferentes modos de arranque del arrancador V5.
Ensayos de laboratorio del partidor suave accionando un motor de 6.5HP
70
6.2 Arranque con rampa de tensión
6.2.1 Formas de onda de corriente y voltaje arranque sin carga
En la siguiente tabla nuestra los ajustes aplicado en el ensayo sin carga.
Tabla 6-1: Ajuste para rampa de tensión sin carga
Tipo de carga Sin carga
G4.1(Retraso) 0 G4.2(Pulso Par) 50%
G4.3(Tiempo Par) OFF
G4.4(Par Inicial) 35%
G4.5(Tiempo Par Inicial) 1
G4.6(T Aceleración) 10s
El valor de la corriente de arranque sin carga es de 21.79 A rms, aproximadamente dos veces la
corriente nominal del motor
Figura 6-2: Forma de onda Corriente, Escala 10 A/div; Escala de Tiempo 200 ms/div
En régimen transitorio el valor de la tensión sin carga es de 115.2 V rms.
Ensayos de laboratorio del partidor suave accionando un motor de 6.5HP
71
Figura 6-3: Forma de onda Voltaje, Escala 100 V/div; Escala de Tiempo 200 ms/div
El tiempo de arranque del motor según la Figura 8-2 es de 3.6 segundos. Considerando los efectos
que demora procesar y capturar la imagen, el tiempo real en que el motor llega a su régimen
estacionario es de 6 segundos, momento en el cual ocurre el bypass de los tiristores.
6.2.2 Formas de onda de corriente y voltaje con carga pequeña
En la siguiente tabla nuestra los ajustes aplicado en el ensayo con una carga pequeña.
Tabla 6-2: Ajuste para carga pequeña
Tipo de carga Carga pequeña
G4.1(Retraso) 0 G4.2(Pulso Par) 50%
G4.3(Tiempo Par) OFF
G4.4(Par Inicial) 35%
G4.5(Tiempo Par Inicial) 1
G4.6(T Aceleración) 10s
En la siguiente figura se arranca el motor con un tercio de plena carga 1[kW]. El valor de la
corriente de arranque sin carga es de 22.5 A rms, aproximadamente dos veces la corriente nominal
del motor.
Ensayos de laboratorio del partidor suave accionando un motor de 6.5HP
72
Figura 6-4: Forma de onda Corriente, Escala 10 A/div; Escala de Tiempo 300 ms/div
En régimen transitorio el valor de la tensión para el arranque de una carga pequeña de 1[kW] es
de 119.5 V rms, es decir la tensión se reduce un 46% de la tensión nominal aplicada en el motor,
ver Figura 6-5.
Figura 6-5: Forma de onda Voltaje, Escala 100 V/div; Escala de Tiempo 300 ms/div
El tiempo de arranque del motor según la Figura 6-4 es de 3.6 segundos. Considerando los efectos
que demora procesar y capturar la imagen, el tiempo real en que e l motor llega a su régimen
estacionario es de 7 segundos, momento en el cual ocurre el bypass de los tiristores.
6.2.3 Formas de onda de corriente y voltaje con media carga
En la siguiente tabla nuestra los ajustes aplicado en el ensayo con una media carga.
Ensayos de laboratorio del partidor suave accionando un motor de 6.5HP
73
Tabla 6-3: Ajustes parámetros con media carga
Tipo de carga Media Carga
G4.1(Retraso) 0 G4.2(Pulso Par) 50%
G4.3(Tiempo Par) OFF
G4.4(Par Inicial) 40%
G4.5(Tiempo Par Inicial) 1
G4.6(T Aceleración) 10s
Al aumentar la carga, también aumenta el par de inercia, por ello el Grupo G4.4 se modifica a un
40%, de tal forma de obtener un arranque suave.
En la siguiente figura se arranca el motor al 50% de plena carga, El valor de la corriente de
arranque sin carga es de 23.66 A rms.
Figura 6-6: Forma de onda Corriente, Escala 10 A/div; Escala de Tiempo 300 ms/div
En régimen transitorio el valor de la tensión con un 50% de plena carga es de 122.1 Vrms. La
tensión aplicada en el motor se reduce en un 44.5%.
Ensayos de laboratorio del partidor suave accionando un motor de 6.5HP
74
Figura 6-7: Forma de onda Voltaje, Escala 100 V/div; Escala de Tiempo 300 ms/div
El tiempo de arranque del motor según la Figura 6-6 es de 4.2 segundos. Considerando los efectos
de procesar y capturar la imagen, el tiempo real en que el motor llega a su régimen estacionario
es de 8.5 segundos, momento en el cual ocurre el bypass de los tiristores.
6.2.4 Formas de onda de corriente y voltaje con carga completa
En la siguiente tabla nuestra los ajustes aplicado en el ensayo a plena carga.
Tabla 6-4: Ajuste de parámetros a plena carga
Tipo de carga Carga pequeña
G4.1(Retraso) 0 G4.2(Pulso Par) 50%
G4.3(Tiempo Par) OFF
G4.4(Par Inicial) 55%
G4.5(Tiempo Par Inicial) 2
G4.6(T Aceleración) 10s
Al aumentar la carga, también aumenta el par de inercia, por ello se aumenta el par de arranque
en un 55%, de tal forma de obtener un arranque suave.
En la siguiente figura se arranca el motor a plena carga, El valor de la corriente de arranque es de
26.02 A rms.
Ensayos de laboratorio del partidor suave accionando un motor de 6.5HP
75
Figura 6-8: Forma de onda corriente, Escala 10 V/div; Escala de Tiempo 180 ms/div
En régimen transitorio el valor de la tensión media carga es de 127.4 V rms. La tensión aplicada al
motor se reduce en un 42%.
Figura 6-9: Forma de onda Voltaje, Escala 100 V/div; Escala de Tiempo 180 ms/div
El tiempo de arranque del motor según la Figura 6-8 es de 4.2 segundos. Considerando los efectos
de procesar y capturar la imagen, el tiempo real en que el motor llega a su régimen estacionario
es de 7 segundos, momento en el cual ocurre el bypass de los tiristores.
6.3 Arranque con pulso de tensión más rampa de tensión
Este modo de arranque proporciona un pulso de tensión al inicio del arranque, para sacar de
inercia a grandes cargas, por medio del aumento de par durante una fracción de segundo.
En la siguiente tabla nuestra los ajustes aplicado en el ensayo a plena carga.
Ensayos de laboratorio del partidor suave accionando un motor de 6.5HP
76
Tabla 6-5: ajuste parámetros pulso más rampa de tensión a plena carga
Tipo de carga Plena Carga
G4.1(Retraso) 0 G4.2(Pulso Par) 50%
G4.3(Tiempo Par) 0.3s
G4.4(Par Inicial) 35%
G4.5(Tiempo Par Inicial) 1
G4.6(T Aceleración) 10s
En las siguientes figuras se arranca el motor a plena carga, El valor de la corriente de arranque sin
carga es de 25.36 A rms.
Figura 6-10: Forma de onda Corriente, Escala 10 A/div; Escala de Tiempo 180 ms/div
En régimen transitorio el valor de la tensión media carga es de 128.1 V rms. La tensión aplicada al
motor se reduce un 41.7%.
Ensayos de laboratorio del partidor suave accionando un motor de 6.5HP
77
Figura 6-11: Forma de onda Voltaje, Escala 100 V/div; Escala de Tiempo 180 ms/div
Para este modo de arranque con pulso de tensión no es necesario aumentar más de un 35% el par
inicial, a diferencia del caso de rampa de tensión a plena carga donde se aumentar el par inicial
sobre un 50% para obtener un arranque suave.
El tiempo que demora el motor en llegar a su régimen permanente es de 6 segundos.
Aplicaciones de par constante alta inercia: trituradoras, molinos de martillo/bolas, molinos de
mandíbulas, cintas transportadoras.
6.4 Paro en giro
Es el modo más simple de parada del motor, donde el rotor gira libre de modo que se detiene por
inercia. Se debe ajustar el G5.1 en rango S.
Figura 6-12: Forma de onda Voltaje, Escala 100 V/div; Escala de Tiempo 100 ms/div
Ensayos de laboratorio del partidor suave accionando un motor de 6.5HP
78
Figura 6-13: Forma de onda Corriente, Escala 10 A/div; Escala de Tiempo 100 ms/div
El tiempo de parada del motor dependerá de la inercia de la carga, a mayor inercia menor es el
tiempo de parada.
6.5 Paro con rampa de desaceleración de tensión
Ajustes de parámetros para el modo de desaceleración con rampa de tensión
Tabla 6-6: Ajuste parámetros desaceleración rampa tensión
Tipo de carga Plena Carga
G5.1(Paro en giro) N G5.2(Tiempo desaceleración) 7s
G5.3(Modo desaceleración) Normal
G5.4(Nivel de ariete) 75%
G5.5(Par mínimo) 1
Al tratarse de una parada que necesita de mayor tiempo para detenerse, implica que se agrega un
par al final de la rampa de desaceleración que tiene como consecuencia aun aumento de la
corriente. Configurando los parámetros con los valores indicados se puede lograr inyectar par en
el momento adecuado de tal forma de no generar un aumento de corriente.
En la siguiente figura se frena el motor con carga completa. El valor de la corriente agregada
producto de la inyección de par es de 21.21 [A rms], aproximadamente dos veces la corriente
nominal del motor, similar a la corriente consumida en el arranque del motor.
Ensayos de laboratorio del partidor suave accionando un motor de 6.5HP
79
Figura 6-14 Forma de onda Corriente, Escala 10 A/div; Escala de Tiempo 225 ms/div
En régimen transitorio de la parada el valor de la tensión es de 148.47 V rms, es decir la tensión se
reduce un 33% de la tensión nominal aplicada en el motor, ver Figura 6-15.
Figura 6-15: Forma de onda Voltaje, Escala 100 V/div; Escala de Tiempo 225 ms/div
Al utilizar este modo genera picos de corriente, debido al par de control inyectado para el frenado.
A menor tiempo de la rampa de desaceleración mayor será la corriente consumida.
6.6 Algoritmo antiariete
6.6.1 Forma de ondas corriente y voltaje algoritmo antiariete simple
Una forma de reducir la corriente que se produce en la parada es utilizar el algoritmo antiariete
simple que se ajusta al principio de la rampa de desaceleración, que actúa a medida que el motor
pierde velocidad.
Ajuste de parámetros rampa de desaceleración de tensión con ariete simple:
Ensayos de laboratorio del partidor suave accionando un motor de 6.5HP
80
Tabla 6-7: ajuste parámetros ariete simple
Tipo de carga Plena Carga
G5.1(Paro en giro) N G5.2(Tiempo desaceleración) 7s
G5.3(Modo desaceleración) Evitar Ariete
G5.4(Nivel de Ariete) 75%
G5.5(Par mínimo) 1%
Se reduce la corriente en la parada utilizando el algoritmo antiariete simple, el cual se ajusta al
principio de la rampa de desaceleración, es decir se agrega un porcentaje de par que actúa a
medida que el motor pierde velocidad .El valor de la corriente de parad a con carga es de 14.81 A
rms.
Figura 6-16: Forma de onda corriente, Escala 10 A/div; Escala de Tiempo 300 ms/div
En régimen transitorio el valor de la tensión para el frenado con carga es de 127.1 Vrms. La tensión
aplicada en el motor se reduce en un 42.27%.
Ensayos de laboratorio del partidor suave accionando un motor de 6.5HP
81
Figura 6-17: Forma de onda voltaje, Escala 100 V/div; Escala de Tiempo 300 ms/div
Al utilizar este modo se logra reducir el pico de corriente producido al final de la rampa. El tiempo
de parada es mayor que el caso de rampa de desaceleración, parada suave de 9 segundos.
6.6.2 Formas de onda de corriente y voltaje con algoritmo antiariete completo
Los ajustes de parámetros son los siguientes:
Tabla 6-8: Ajuste parámetros antiariete completo
Tipo de carga Plena Carga
G5.1(Paro en giro) N
G5.2(Tiempo desaceleración) 7s G5.3(Modo desaceleración) Evitar Ariete
G5.4(Nivel de Ariete) 75%
G5.5(Par mínimo) 55%
Al utilizar este modo se logra reducir por completo las altas corrientes inyectada en la parada, por
medio del ajuste de algoritmo antiariete completo tanto al principio como al final de la rampa de
desaceleración. Este algoritmo detecta cuando el motor pierde bruscamente velocidad, es decir
el par aumenta a medida que detecta que el motor deja de acelerar y se mantiene contante a
medida que acelera. Con este ajuste de par en ningún momento se perderá energía.
El valor de la corriente de parada para el motor con carga es de 8.8 A rms y El tiempo de parada
del motor con carga es de 12 segundos, ver Figura 6-18.
Ensayos de laboratorio del partidor suave accionando un motor de 6.5HP
82
Figura 6-18: Forma de onda Corriente, Escala 10 A/div; Escala de Tiempo 300 ms/div
De esta forma se reduce por completo la alta corriente inyectada en la parada.
En régimen transitorio el valor de la tensión para la parada del motor con carga es de 116.65 V
rms, la tensión aplicada en el motor se reduce un 46.98%, ver Figura 6-19.
Figura 6-19: Forma de onda Voltaje, Escala 100 V/div; Escala de Tiempo 300 ms/div
83
Discusión y conclusiones Primero el alumno se familiarizó con el motor trifásico de inducción y el arrancador suave, en lo
relativo a su principio de funcionamiento, circuitos equivalentes, principales características,
componentes, variables de importancia, métodos de arranque, parada, el uso en aplicaciones y
el estudio del comportamiento de los diferentes tipos de cargas mecánicas.
Segundo el alumno obtiene los conocimientos y herramientas con el fin de comprender las
variables que interviene en el régimen transitorio del proceso de arranque y parada.
Tercero el alumno pone en práctica todo lo mencionado anteriormente, realizando ensayos de
laboratorio y simulaciones del modelo del arrancador suave.
Eficiencia
El uso de elementos de estado sólido para el arranque de motores de inducción produce pérdidas,
sin embargo no es el caso para un partidor suave el cual cuenta con una configuración con
bypass. Una vez que el motor alcanza su velocidad nominal, los tiristores dejan de trabajar, y de
esta manera el arrancador es más eficiente, puesto que se reducen las pérdidas, el calor
producido en estos elementos y aumenta la vida útil de todo el sistema.
Modos de operación
El partidor suave V5 puede adaptarse a las aplicaciones, ya que cuenta con diferentes modos de
operación. Cuenta con un microprocesador que puede detectar rápidamente si el motor está con
carga, debido a la baja corriente medida en los primeros segundos.
Se caracteriza por tener un control dinámico del par, es decir el partidor V5 posee un algoritmo
que asegura una aceleración progresiva y una optimización de la punta de corriente durante el
arranque. El par se adapta a los requerimientos de la aplicación, y a diferencia de otros
arrancadores suaves no necesita ajustarse a curvas de par lineal y cuadrático preestablecidas.
El par aumenta a medida que detecta que el motor deja de acelerar y se mantiene contante a
medida que acelera. Con este ajuste de par en ningún momento se perderá energía.
Discusión y conclusiones
84
Arranque
Un partidor suave posee una flexibilidad para ajustar la corriente de arranque, evitando caídas
de tensión para red de alimentación. Posee arranques mediantes rampas de tensión que aumenta
progresivamente la tensión aplicada en el motor hasta alcanzar el valor de la tensión de la red
La utilización de pulsos de par no produce caídas de tensión que activen las protecciones del
arrancador. Si bien es cierto que la corriente durante el pulso es elevada hasta 4.5 veces la
corriente nominal, esta no produce elevación de la temperatura en el motor debido al corto
período de tiempo.
En general cada aplicación necesita un par inicial propio que asegure el óptimo funcionamiento
del motor y la carga que acciona. Se debe tener en cuenta que tiempos muy extensos para rampas
de tensión, originarán un par menor que no logrará sacar de inercia la máquina.
Par pleno
Como los partidores suaves funcionan a una frecuencia fija, el torque pleno se produce sólo
cuando se llega al voltaje pleno. Los intervalos de pulsos de tensión proporcionan un porcentaje
del voltaje pleno de acuerdo con la aplicación.
El par de arranque o par eléctrico debe ser ligeramente mayor al par de plena carga para producir
la aceleración de la máquina. Se deben considerar roce y momento de inercia de la máquina en
estudio o de trabajo.
Corriente- Voltaje-Par
Al reducir la tensión de alimentación en el arranque la corriente de partida disminuye de forma
proporcional, no obstante el par que se reduce de forma cuadrática en relación al voltaje, para
cualquier valor fijo de la velocidad el torque desarrollado es proporcional al voltaje al cuadrado.
Mientras mayor sea la potencia del motor que se utiliza, el porcentaje en que se puede reducir la
tensión aplicada aminora. Es decir los motores más grandes, tienen momentos de inercia mayor
y necesitan un par de arranque superior, si se accionan con una gran reducción de tensión no se
logrará arrancar o llegar a velocidad nominal requerida para la aplicación.
Parada
Poseen la capacidad de parar un motor de forma inteligente, paradas con mayor o menor rapidez
que por inercia sin usar algún freno externo, simplemente ajustando el ángulo de disparo de los
tiristores, es una disminución de forma progresiva de la tensión de alimentación.
Control de paro de bombas, para evitar el golpe de ariete
Discusión y conclusiones
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Costo-Tamaño-Mantenimiento
Requieren poco mantenimiento, no hay necesidad de hacer mantenimientos preventivos. Bajo
costo comparado con equipos que utilizan elementos de estado sólido.
Cargas
Los partidores suaves dependen de la carga, es decir se basan en ajustes de modos de arranque y
parada según la aplicación accionada. El arrancador V5 puede adaptarse a las aplicaciones, ya
que cuenta con diferentes modos de operación.
Diseñado para trabajar con aplicaciones con par de arranque bajo o medio.
Efectos hacia la red y máquina
El uso del partidor suave reduce considerablemente las fuerzas que se originan en los
acoplamientos entre motores y equipos accionados. Disminuye el deterioro mecánico y daños al
sistema producto el brusco aumento de par.
Reduce los fenómenos transitorios que sobrecargan la red de alimentación y que producen
alteraciones en la tensión.
Observaciones
La gran diferencia que existe entre las señales de laboratorio y las señales simuladas es que las
primeras están sujetas a un control dinámico de par. Es decir el arrancador V5 posee un algoritmo
que asegura una aceleración progresiva y una optimización de la punta de corriente durante el
arranque. Es decir, el par se adapta a los requerimientos de la aplicación, y a diferencia de otros
arrancadores suaves no necesita ajustarse a curvas de par lineal y cuadrático preestablecidas.
Protocolos de ensayos
Una de las ventajas de usar este procediendo, es reducir la complejidad al operar el partidor suave
y realizar las conexiones entre equipos, además de ir paso a paso demostrando como se reduce
el problema de los abruptos fenómenos en el arranque de motores. Por lo tanto garantiza que el
lector que desea comprobar estos resultados obtenidos, llegará a la misma conclusión.
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