Propulsores de motores de induccin.
UNIVERSIDAD CATLICA NTRA. SEORA DE LA ASUNCINSEDE REGIONAL ALTO
PARAN
ELECTRNICA DE POTENCIA
TEMAPROPULSORES DE MOTORES DE INDUCCIN
INTEGRANTESMARCELO PEACARLOS CORONELLUIS GIMNEZJORGE GODOYADRIEL
LAMAS
CURSO5
PROFESORING. RUBN MERELES
HERNANDARIAS
AO2014
INTRODUCCIN
Los motores de ca tienen estructuras muy acopladas, no lineales
y de mltiples variables en comparacin con las estructuras
desacopladas, mucho ms simples, de los motores de cd con excitacin
separada. El control de los propulsores de ca requiere, en general,
algoritmos complejos de control que pueden hacerse con
microprocesadores o microcomputadoras, junto con convertidores de
potencia de accin rpida.Los motores de ca tienen varias ventajas:
son ligeros (de 20 a40% ms ligeros que los motores de cd
equivalentes), son poco costosos y tienen poco mantenimiento, en
comparacin con los motores de cd. Se requiere controlar en ellos la
frecuencia, el voltaje y la corriente, para aplicaciones con
velocidad variable. Los convertidores de potencia, los inversores y
los controladores de voltaje de ca pueden controlar la frecuencia,
el voltaje o la corriente para llenar los requisitos de propulsin.
Esos convertidores de potencia, que son relativamente complejos y
ms costosos, requieren tcnicas avanzadas de control por
retroalimentacin, como por ejemplo referencia a modelo, control
adaptativo, control en modo deslizante y control orientado a
campo.
PROPULSORES DE CA
Los motores trifsicos de induccin son los que se usan con
frecuencia con propulsores de velocidad ajustable y tienen
devanados trifsicos en rotor y estator. Los devanados del estator
se alimentan con voltajes trifsicos balanceados de ca, que producen
voltajes inducidos en los devanados del rotor, debido a la accin de
transformador. Es posible arreglar la distribucin de los devanados
del estator de modo que haya un efecto de polos mltiples, que
produzca varios ciclos de fuerza (o campo) magnetomotriz (mmf) en
torno al entrehierro. Este campo establece una densidad sinusoidal
de flujo distribuida en el espacio, en el entrehierro, La velocidad
de rotacin del campo se llama velocidad sncrona, que se define como
sigue:
donde p es el nmero de polos y es la frecuencia de la
alimentacin en rad/s.Si el voltaje de fase de un estator, vs =
2Vssen t, produce un enlace de flujo (en el rotor) segn:
El voltaje inducido por fase en el bobinado del rotor es
CIRCUITO EQUIVALENTE
El circuito equivalente para una fase del rotor y estator se
observa en la siguiente figura.
El modelo de circuito por fase de los motores de induccin se
muestra en la figura b donde Rs, y Xs son la resistencia por fase y
la reactancia de fuga del bobinado del estator. El modelo de
circuito completo, con todos los parmetros referidos al estator,
aparece en la figura c, donde Rm representa la resistencia por
prdidas de excitacin (o de ncleo) y Xm es la reactancia de
magnetizacin. Cuando se conecta la alimentacin, hay una prdida en
el ncleo del estator, y la prdida en el ncleo del rotor depende del
deslizamiento. Las prdidas por friccin y por deslizamiento, P sin
carga, suceden cuando la mquina gira. La prdida en el ncleo, Pc,
puede quedar incluida como parte de las prdidas rotacionales, P sin
carga.
CARACTERSTICAS DE RENDIMIENTO
La corriente del rotor, Ir, y la corriente del estator, Is,
pueden determinarse a partir del modelo de circuito de la figura c,
donde R, y X, estn referidos a los bobinados del estator. Una vez
conocidos los valores de Ir y de Is, los parmetros de rendimiento
de un motor trifsico pueden determinarse como sigue:Prdida en el
cobre del estator:Prdida en el cobre del rotor:Prdida en el
ncleo:
Potencia en el entrehierro (potencia que pasa del estator al
rotor a travs del entrehierro)
Potencia desarrollada
Par motor desarrollado
Potencia de entrada
dnde m es el ngulo entre ls, y Vs. La potencia de salida
La eficiencia es
Si Pg>>(Pc+Psu) y Pd>>P sin cargar la eficiencia es
aproximadamente.
Normalmente Xm es grande y a fin de simplificar los clculos, Rm
que es mucho ms grande puede eliminarse del circuito. Luego Vs=Vm y
a fin de simplificar an ms, Xm puede pasarse al bobinado
estatrico.
Si el motor est alimentado a partir de un voltaje fijo a una
frecuencia constante, el par motor desarrollado es una funcin del
deslizamiento.La operacin como motor en reversa y en frenado
regenerativo se puede obtener mediante la inversin de la secuencia
de fases de las terminales del motor. Las caractersticas de
velocidad-par motor inversas se muestran mediante lneas punteadas.
Existen tres regiones de operacin: (1) al funcionar como motor,1;
(2) regeneracin, s < 0; y (3) operacin en sentido contrario, 2En
el uso como motor, el motor gira en la misma direccin que el campo;
conforme el deslizamiento aumenta, se incrementa el par motor, en
tanto que el flujo en el entrehierro se mantiene constante. Una vez
que el par motor alcanza su valor mximo, Tm en s = sm, el par motor
se reduce con el aumento del deslizamiento, debido a una reduccin
del flujo en el entrehierro.
En regeneracin, la velocidad m es mayor que la velocidad sncrona
s, con m y s en la misma direccin, y el deslizamiento es negativo.
Por lo tanto, Rr/s es negativo. Esto significa que la potencia es
devuelta de la flecha al circuito del rotor y el circuito opera
como generador. El motor devuelve la potencia al sistema de
alimentacin. La caracterstica de par motor-velocidad es similar a
la del uso como motor, pero con un valor negativo para el par
motor.En la operacin en sentido inverso, la velocidad tiene el
sentido opuesto a la direccin del campo, y el deslizamiento es
mayor que la unidad. Esto puede ocurrir si se invierte la secuencia
de la fuente de alimentacin cuando el motor se utiliza en sentido
hacia adelante, de tal suerte que tambin se invierte la direccin
del campo. El par motor desarrollado, que tiene la misma direccin
que el campo, se opone al movimiento y acta como par motor de
frenado. Dado que s > 1, las corrientes dentro del motor son
altas, pero el par motor desarrollado es pequeo. La energa debida a
un freno de operacin invertida debe disiparse dentro del motor, lo
que provoca un calentamiento excesivo del mismo. Este tipo de
frenado no es recomendable.
Puede notarse que si el motor opera con un deslizamiento pequeo,
el par motor desarrollado resulta proporcional al deslizamiento y
la velocidad se reduce con el par motor. La corriente del rotor,
que a la velocidad sncrona es cero, aumenta debido a una reduccin
en Rr l s conforme se reduce la velocidad. El par motor
desarrollado tambin aumenta hasta que llega a su valor mximo en s =
sm. Para s < sm, el motor opera en forma estable en la porcin de
las caractersticas de velocidad-par motor. Si la resistencia del
rotor es baja, sm tambin es bajo. Esto es, el cambio en la
velocidad del motor desde que no hay carga hasta el par motor
especificado es slo un porcentaje pequeo. El motor opera
esencialmente a velocidad constante. Cuando el par motor de la
carga excede el par motor de ruptura, el motor se detiene y la
proteccin de sobrecarga debe desconectar de inmediato la fuente, a
fin de impedir un dao debido al sobrecalentamiento. Debe hacerse
notar que para s > sm, el par motor se reduce, a pesar del
incremento en la corriente de rotor, y en la mayor parte de los
motores la operacin sigue inestable. La velocidad y el par motor de
los motores de induccin puede variarse mediante uno de los
siguientes procedimientos:1. Control de voltaje de estator.2.
Control de voltaje de rotor.3. Control de frecuencia.4. Control de
voltaje y frecuencia de estator.5. Control de corriente de
estator.6. Control de voltaje, corriente y frecuencia.A fin de
cumplir con el ciclo de trabajo par motor-velocidad de un
propulsor, es comn utilizar el control de voltaje, corriente y
frecuencia.
CONTROL DEL VOLTAJE DEL ESTATOR
La ecuacin indica que el par motor es proporcional al cuadrado
del voltaje de alimentacin del estator y una reduccin en el voltaje
del estator producir una reduccin en la velocidad.Si el voltaje
terminal se reduce a bVs, la ecuacin da el par motor desarrollado
donde
La figura muestra las caractersticas tpicas par motor-velocidad
para varios valores de b. Los puntos de interseccin con la lnea de
carga definen los puntos de operacin estable. En cualquier circuito
magntico, el voltaje inducido es proporcional al flujo y a la
frecuencia, y el flujo rms del entrehierro se puede expresar
como
donde Km es una constante y depende del nmero de vueltas del
bobinado del estator. Conforme el voltaje del estator se reduce, el
flujo en el entrehierro y el par motor se reducen tambin. Para un
voltaje menor, la corriente tendr un pico en un deslizamiento de Sa
=1/3. El rango del control de velocidad depende del deslizamiento
correspondiente al par motor mximo, Sm. Para un motor de bajo
deslizamiento, el rango de velocidades es muy angosto.
Este tipo de control de voltaje no es adecuado para una carga de
par motor constante y por lo general se usa en aplicaciones que
requieren de un par motor de arranque bajo y un rango pequeo de
velocidades, con un deslizamiento relativamente bajo.El voltaje del
estator puede modificarse mediante (1) controladores trifsicos de
voltaje en ca, (2) inversores de enlace variables en cd alimentados
por voltaje o (3) inversores PWM. Sin embargo, debido a los
requisitos limitados del rango de velocidades, por lo general para
obtener el control del voltaje se utilizan los controladores de
voltaje en ca. Estos son muy sencillos. Sin embargo, el contenido
armnico es alto y el factor de potencia de entrada de los
controladores es bajo. Se utilizan principalmente en aplicaciones
de baja potencia, como ventiladores, sopladores y bombas
centrfugas, en las que el par motor de arranque es bajo. Tambin se
utilizan en el arranque de motores de induccin de alta potencia, a
fin de limitar la corriente de arranque.
CONTROL POR FRECUENCIA
El par motor y la velocidad de los motores de induccin pueden
controlarse modificando la frecuencia de alimentacin. Podemos notar
que al voltaje y la frecuencia especificados, el flujo es tambin el
valor especificado. Si el voltaje se mantiene fijo en su valor
especificado, en tanto se reduce la frecuencia por abajo de su
valor, el flujo aumenta. Esto causa saturacin del flujo en el
entrehierro, y los parmetros del motor no son vlidos en la
determinacin de las caractersticas par motor-velocidad. A baja
frecuencia, las reactancias se reducen y la corriente del motor
puede resultar demasiado alta. Este tipo de control de frecuencia
normalmente no se utiliza.Si la frecuencia se incrementa por arriba
de su valor especificado, el flujo y el par motor se reducen. Si la
velocidad sncrona, correspondiente a la frecuencia especificada se
conoce como velocidad base b, la velocidad sncrona a cualquier otra
frecuencia se convierte en
Y
La expresin para el par motor se convierte en
Las caractersticas tpicas par motor-velocidad se muestran en la
figura, para diversos valores de . Si R, es despreciable, la
ecuacin que da el par motor mximo a la velocidad base es
Por lo tanto, de las ecuaciones, se puede llegar a la conclusin
de que el par motor mximo es inversamente proporcional al cuadrado
de la frecuencia, y Tm2 se mantiene constante en forma similar al
comportamiento de los motores serie de cd. En este tipo de control,
se dice que el motor opera en modo de debilitamiento de campo. Para
> 1, el motor opera a un voltaje terminal constante y el flujo
se reduce, limitando por lo tanto la capacidad de par del
motor.Para 1 < < 1.5, la relacin entre Tm y se puede
considerar prcticamente lineal. Para < 1, el motor opera
normalmente a un flujo constante; el voltaje terminal Va se reduce
junto con la frecuencia, de tal forma que el flujo se conserve
constante.
CONTROL DE VOLTAJE Y DE FRECUENCIA
Si se mantiene constante la relacin entre voltaje frecuencia, el
flujo en la ecuacin se conserva constante. La ecuacin indica que el
par motor mximo, que es independiente de la frecuencia, se puede
mantener aproximadamente constante. Sin embargo, a una baja
frecuencia, el flujo se reduce en el entrehierro, debido a la
reduccin de la impedancia del estator, y el voltaje debe
incrementarse para mantener el nivel del par motor. Este tipo de
control normalmente se conoce como control volts/hertz.Si s = b, y
la relacin entre voltaje y frecuencia es constante, de forma
que
La relacin d, que se calcula a partir del voltaje terminal
especificado Vs y la velocidad base b, est dado por
El deslizamiento para el par motor mximo es
Las caractersticas tpicas par motor-velocidad se muestran en la
figura.
Conforme la frecuencia se reduce, disminuye y el deslizamiento
correspondiente al par motor mximo aumenta. Para una demanda dada
de par motor, la velocidad se puede controlar si se vara la
frecuencia. Por lo tanto, al variar tanto el voltaje como la
frecuencia, es posible controlar el par motor y la velocidad.
Normalmente el par motor se mantiene constante, en tanto se vara la
velocidad. El voltaje a frecuencia variable se puede obtener
mediante inversores trifsicos, es decir, ciclo convertidores. Los
ciclo convertidores se utilizan en aplicaciones de potencias muy
grandes (por ejemplo, locomotoras y molinos de cemento) en las que
el requisito de frecuencia es la mitad o una tercera parte de la
frecuencia de lnea.En la figura de abajo se muestran tres
disposiciones posibles de un circuito para la obtencin de voltajes
y frecuencias variables. En la figura a, el voltaje en cd se
conserva constante, se aplican tcnicas PWM para variar tanto el
voltaje como la frecuencia dentro del inversor. En razn de la
existencia del rectificador de diodos, la regeneracin no es posible
y el inversor generar armnicas de regreso a la alimentacin en ca.
En la figura b, el pulsador vara el voltaje en cd al inversor y
este controla la frecuencia. Debido al pulsador, la inyeccin de
armnicas a la alimentacin en ca es reducida. En la figura c, se
vara el voltaje en cd mediante el convertidor dual, y dentro del
inversor la frecuencia es controlada. Este arreglo permite la
regeneracin; sin embargo, el factor de potencia de entrada al
convertidor es bajo, especialmente a un ngulo grande de retraso
CONTROL POR CORRIENTE.El par de los motores de induccin se puede
controlar variando la corriente en el rotor. La corriente de
entrada, que es fcilmente accesible, se varia, en lugar de la
corriente en el rotor. Para una corriente de entrada fija, la
corriente en el rotor depende de los valores relativos de las
impedancias magnetizantes y del circuito del rotor. De acuerdo con
la fig 15.2, la corriente en el rotor se determina como sigue:
El par motor desarrollado es
Y el par de arranque con s=1 es
El deslizamiento para par mximo es
En un caso real, la corriente en el estator, que pasa por Rs y
Xs, es constante y vale Ii. En general Xm es mucho mayor que Rs y
Xs que pueden despreciarse para la mayor parte de las aplicaciones
quedando.
Y x=sm, la ecuacin define al par mximo,
Se puede observar en la ecuacin que el par mximo depende del
cuadrado de la corriente y es aproximadamente independiente de la
frecuencia. Las curvas caractersticas par-velocidad se ve en la fig
15.12 para valores crecientes de la corriente en el estator. Como
Xm es grande en comparacin con Xs y Xr, el par de arranque es bajo.
A medida que aumenta la velocidad, el voltaje del estator aumenta y
el par aumenta. La corriente de arranque es bajo, por los valores
bajos del flujo (porque Im es bajo y Xm es grande), as como la
corriente en el rotor, en comparacin con sus valores especificados.
El par aumenta con la velocidad debido al aumento en el flujo. Un
aumento ms de la velocidad hacia la pendiente positiva de las
curvas caractersticas hace aumentar el voltaje entre terminales ms
all de su valor especificado. El flujo y la corriente magnetizante
aumentan tambin y con ello se satura el flujo. El par se puede
controlar mediante la corriente del estator y el deslizamiento.
Para mantener constante el flujo por el entrehierro y para evitar
la saturacin por el alto voltaje, el motor se suele operar en la
pendiente negativa de las curvas caractersticas de par
equivalente-velocidad, mediante control de voltaje. La pendiente
negativa est en la regin inestable y el motor debe operarse con
control por lazo cerrado. Con un deslizamiento bajo, el voltaje
entre terminales podra ser excesivo y el flujo se saturara. Debido
a saturacin, el mximo par es menor que el de la fig 15.12.La
corriente constante se puede suministrar con inversores trifsicos
con fuente de corriente. El inversor alimentado con corriente tiene
las ventajas del control de corriente de falla y que la corriente
es menos sensible a la variacin de parmetros del motor.
Sin embargo, generan armnicos y pulsacin de par. En la fig 15.13
se muestran dos disposiciones distintas de propulsores de con
inversor alimentado por corriente. En la fig 15.13a, el inductor
acta como fuente de corriente y el rectificador controla la fuente
de corriente. El FP de este arreglo es muy bajo. En la fig 15.13b,
el convertidor cd-cd controla la fuente de corriente y el FP de
entrada es mayor.
CONTROL POR VOLTAJE, CORRIENTE Y FRECUENCIA.Las caractersticas
de par-velocidad de los motores de induccin dependen del tipo de
control. Podra ser necesario variar el voltaje, la frecuencia y la
corriente para satisfacer los requisitos de par-velocidad, como se
ve en la fig 15.14, donde hay tres regiones.
En la primera se puede variar la velocidad mediante control por
voltaje (o corriente) a par constante. En la segunda regin el motor
se opera a corriente constante y se vara el deslizamiento. En la
tercera regin la velocidad se controla por la frecuencia a una
corriente reducida en el estator.Las variaciones de par y potencia
para determinada corriente en estator y frecuencias inferiores a la
nominal se indican con puntos en la fig 15.15. Para 1, el motor
funciona con flujo constante. Para 1, el motor se opera por control
de frecuencia, pero a voltaje constante. En consecuencia, el flujo
disminuye en relacin inversa a la frecuencia por unidad, y el motor
funciona en el modo de debilitamiento de campo.
Conclusin.Se puede variar la velocidad y el par de los motores
de induccin mediante:-Control por voltaje del estator.-Control por
voltaje del rotor.-Control por frecuencia.-Control por voltaje y
frecuencia en el estator.-Control por corriente en el
estator.-Control por voltaje, corriente y frecuencia en el
estator.Para cumplir con el ciclo de trabajo par-velocidad de un
propulsor en el caso normal se controlan el voltaje. La corriente y
la frecuencia, en forma tal que el flujo o la relacin V entre f,
permanecen constante.