CLASE 1

CONTROL DE MAQUINAS ELECTRICAS (ROTATORIAS)

OBJETIVO: Que el alumno adquiera los conocimientos para usar circuitos elctricos y electrnicos para el control de arranque, velocidad y proteccin de mquinas elctricas con base a dispositivos electrnicos y electromagnticos.

UNIDAD I

FUNDAMENTOS DE CONTROL POR RELEVACION

1.1 Introduccin a los sistemas de control de tipo electromagntico.1.2 Ventajas y desventajas de la automatizacin por relevadores elctricos.1.3 Simbologa de dispositivos para control, medicin, proteccin y sealizacin.

UNIDAD II

CIRCUITOS BASICOS PARA CONTROL

2.1 Tipos de interpretacin de diagramas de control.2.1.1 Diagrama elemental.2.1.2 Diagrama de alambrado.2.1.3 Elaboracin de uno a partir del otro.2.2 Arranques bsicos para motores.2.3 Diagramas elementales de controladores para motores de C.A y C.D.

UNIDAD III

CONTROL DE MOTORES DE C.D

3.1 Control por dispositivos electromagnticos.3.1.1 Arrancadores automticos.3.1.2 Control de velocidad3.1.3 Inversin de giro y frenado.3.2 Control con dispositivos electrnicos.3.2.1 Arranque automtico.3.2.2 Control de velocidad.3.2.3 Inversin de giro y frenado.

UNIDAD IV

CONTROL DE MOTORES DE CA.

4.1 Control con dispositivos electromagnticos.4.1.1 Arrancadores automticos.4.1.2 Control de velocidad.4.1.3 Control de giro y frenado.4.2 Control con dispositivos electromagnticos.4.2.1 Arranque automtico.4.2.2 Control de velocidad.4.2.3 Inversin de giro y frenado.

UNIDAD V

CONTROL MODERNO Y CONTROL DE MOTORES ESPECIALES.

5.1 Tcnicas modernas de control.5.1.1 Control por campo orientado.5.1.2 Control directo del par.5.2 Motor elctrico de pasos.5.3 Motor elctrico lnea.

UNIDAD I

FUNDAMENTOS DE CONTROL POR RELEVACION.

1.1 Introduccin a los sistemas de control de mquinas elctricas.

Desde el surgimiento de las mquinas elctricas 1870 se ha tenido la necesidad de controlarlas (su arranque, su velocidad, su par corriente demandada y su potencia). En un principio diversos mtodos fueron propuestos por los mismos ingenieros de diseo, ms sin embargo fueron muy ineficientes y los controles carecan de posicin.

CLASE 2

De los aos 1900-1930 las mquinas elctricas rotatorias empezaron a ser controladas (control par, control , control ) por medio de resistencias de modo que si se quera mayor velocidad se cortocircuitaban una o varias resistencias a la vez. De 1930-1965surgio el control elctrico de las mquinas.De 1965-1980 control analgico de las mquinas, en este tiempo surgi la era del tiristor (SCR), este hizo posible el control de par, de velocidad, pero no de posicin de mquinas de C.A y C.D.

Despus de 1980-2000, se dan las tcnicas de control con microcontrolador.Despus del 2000 viene la era moderna del control de mquinas elctricas.

CLASE 3

1.2 Ventajas y desventajas de la automatizacin por relevadores.

Ventajas

Bajo costo Facilidad de intercambio de piezas (mantenimiento) Adquisicin rpida de respuestas Fcil operacin

Desventajas

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

RELE

Rel

1.3 Simbologa para dispositivos de control, medicin, proteccin y sealizacin.

La sealizacin de smbolos es una forma de representar elementos de circuitos de potencia y de control por medio de una pluralidad de esquemas de montaje elctrico. Para el ingeniero o tcnico electricista los esquemas elctricos le son tiles para diversas finalidades. Pueden servir como un registro de la instalacin de los distintos dispositivos. Pueden servir para mostrar cmo estn conectados elctricamente. Se puede observar la lgica de los circuitos de control. Estos smbolos se encuentran normalizados ya sea por un estndar internacional o smbolos utilizados internamente en la empresa de modo que el ingeniero de diseo de la instalacin precise de una gua confiable y de fcil entendimiento a los tcnicos instaladores y despus en lo futuro a los tcnicos de mantenimiento o bien que un tcnico o ingeniero a partir de una instalacin ya hecha sea capaz de representar con smbolos el circuito bajo anlisis.

CLASE 4

Algunos de los smbolos ms utilizados

Relevador (rele) Bobina de rele Rele polarizado magnticamente Lnea trifsica Interruptor normalmente abierto (NA) Contacto NA Pulsador NA Interruptor normalmente cerrado (NC) Contacto NC Pulsador NC Motor de CD Motor de induccin trifsico Motor de CD de imanes permanentes Fusible Disyuntor trifsico Dispositivo trmico Potencimetro Motor sncrono de imanes permanentes Rectificador Inversor Volmetro Ampermetro Transformador Rele trmico Motor de CD de excitacin separada

UNIDAD II

CIRCUITOS BASICOS PARA CONTROL

2.1 Tipos e interpretacin de diagramas de control

La utilizacin de los smbolos y lneas es una forma abreviada de representar circuitos de potencia y de control y de su interconexin.Para ingenieros o tcnicos los esquemas elctricos son muy tiles, pueden servir como registro para el futuro, para instalacin instantnea y pone de manifiesto una lgica del circuito de control. Algunos smbolos NEMA se muestran a continuacin:

CONTACTO RELE PULSADOR

BOBINA DE RELE FUSIBLE MICROCONTROLADOR

DISPOSITIVO TERMICO DISYUNTOR TRIFASICORECTIFICADOR TRIFASICO

MOTOR DE INDUCCION MOTOR CDTRIFASICO DE EXITACION SEPARADO

MOTOR DE CDDE IMANES PERMANENTESLAMPARA INDICADORA

TEMPORIZADOR SENSOR DE LINEA TIMMER

BLINDAJE TRANSFORMADOR MOTOR SINCRONO ELECTROSTATICO DE NUCLEO DE HIERRO TRIFASICO DE IMANES PERMANENTES

POTENCIOMETRO SENSOR DE INVERSOR TRIFASICO DE IGBTS

2.1 Diagramas elementales

Existen diversos diagramas de los circuitos de control sin embargo normalmente se aplica una norma o regla en cada industria y es necesario que un ingeniero o tcnico se apegue a dicha norma. La simbologa presenta elementos que pueden ser bobinas, cables, contactos, sealizaciones, etc. Normalmente los contactos se presentan en su estado inactivo. Es prioridad proteger los dispositivos en caso de una sobrecarga o un cortocircuito, los dispositivos trmicos son los primeros que abrirn el circuito en caso de falla, tambin los fusibles ayudan bajo dichos eventos. Dichos dispositivos de sobrecarga se utilizan en serie con el circuito de fuerza (circuito de potencia) que alimenta en este caso las maquinas elctricas. La siguiente figura muestra un circuito de control (lnea delgada) y de potencia (lnea gruesa) el cual se utiliza para arrancar un motor de induccin trifsico a tensin plena por lo cual debe utilizarse en maquinas menores a 5 Kwatts.

CLASE 5

Obsrvese que el circuito anterior no est alimentado hasta que no est cerrado el interruptor de desconexin trifsico DS y el disyuntor manual trifsico CB. Aun en tal caso el circuito de control es ineficaz hasta que se pulsa un botn puesta en marcha (arranque) que puede estar situado a una distancia considerable del rele principal R, y cerrar sus contactos principales y auxiliares en las lneas de circuito de potencia y de control, respectivamente.El funcionamiento del circuito de control se inicia pulsando el botn momentneo de arranque; se energiza la bobina M y por lo tanto cierran los contactos referenciados NA.La funcin del contacto auxiliar M es la cortocircuitar el botn de arranque de modo que aunque el botn momentneo regrese a su posicin original, la bobina M no se desenergetiza.Esto har que el motor arranque a plena tensin y el modo de pararlo es el siguiente:

Pulsando el botn paro que es un contacto NC Debido a una sobrecarga que detectan los transformadores de corriente OL1 y OL2, energizando sus respectivas bobinas y abriendo sus contactos NC. Por un cortocircuito en el motor que hace que salten los dispositivos de proteccin. Por un cortocircuito o sobrecarga en el circuito de control Por una baja de tensin sostenida Mediante la apertura del interruptor principal o el disyuntor

Una aplicacin similar se muestra en la siguiente figura para un motor de CD con excitacin shunt (paralelo). Un motor de potencia shunt no se puede arrancar a plena tensin. El rotor es acelerado por medio de un restato de 3 tomas en serie con el inducido (la armadura y el rotor). En esta aplicacin, la proteccin de cortocircuito se hace por medio de fusibles, y el de sobrecarga por medio de un rel trmico. Ambas lneas de control estn protegidas con fusibles, y la bobina de puesta en marcha del rele M tambin mantiene el inducido desconectado de ambos lados de la lnea cuando el interruptor de la lnea bipolar est cerrado.El motor se pone en marcha pulsando el botn de arranque de contacto momentneo. Los contactos principales M-NA y los contactos auxiliares M-NC alimentan las lneas 1 y 2 del circuito de control y del inducido con toda la resistencia en serie. El circuito de excitacin es activado cuando se cierra el interruptor bipolar para poner en marcha el botn a plena tensin. El inducido se pone en marcha y se acelera durante un periodo determinado mediante el rel de aceleracin 1A de accin retardada de tipo amortiguador.Despus de un breve periodo de tiempo el rel 1A cierra sus contactos NA, cortocircuitando un tercio de la resistencia en serie con el inducido y a la vez alimenta la lnea 3 del circuito de control. Despus de otro intervalo de tiempo el rel 3A cierra cortocircuitando el tercio restante y el motor llega hasta su velocidad nominal.

CLASE 6 2.1.2 Diagrama elemental y Diagrama alambrado Un diagrama de alambrado ilustra la localizacin fsica de todos los componentes, bobinas, contactos, botones, protecciones, cargas, focos, etc. Que se muestran en la posicin real que tienen en su instalacin. Algunos diagramas de alambrado pueden indicar nmeros de conductores, calibres, tubera conduic, color de cables, etc.Los diagramas de alambrado son importantes porque indican cmo se conecta el equipo, donde y qu tipo de proteccin se coloca y tambin ayudan al diseador de la instalacin a observar si hay errores de conexin de los circuitos de potencia y de control antes de la instalacin.

CLASE 7Unidad IIIControl de motores de corriente directa

3.1 maquinas de CD

Comportamiento de un imn

Funcionamiento de un motor

e= Par electromagntico TJ= Par adherido a la inercia Ti= Par de cargaTb= Par debido a coeficiente de friccin viscosa.

CLASE 83.2 Control con dispositivos electromagnticos:3.2.1 Arrancador manual y automticoUn regulador elctrico puede definirse como un dispositivo (o grupo de ellos) que sirve para gobernar de una forma deseada (por usuarios), movimientos, pares, velocidades y potencia del aparato o sistema a regular.Un arrancador elctrico se define como un regulador cuya funcin principal es la de poner en marcha y acelerar un motor.Si hablamos de un arrancador manual entonces asociamos la presencia de un ser humano que sea quien regule y ajuste la aceleracin con la ayuda de un dispositivos elctricos, esta combinacin es una de las mas ineficientes y costosas en trminos de horas-hombre para arrancar una maquina elctrica.

Puesta en marcha de un motor de CD manualmente:La figura muestra en forma esquemtica una resistencia en serie con el inducido que se precisa para la aceleracin de motores serie, shunt o compound, respectivamente, con un dispositivo de arranque manual para modificar la resistencia en serie con el inducido en 6 etapas, se observa que los motores shunt y compound suelen ponerse en marcha con la corriente de excitacin mxima, es decir la resistencia del restato regulador del campo es nula y el motor serie se pone en marcha siempre bajo carga.En el instante que se aplica una tensin Va al borne del inducido para hacer que gire el motor, el motor no est produciendo ninguna f.c.e.m ya que en ese instante la velocidad es nula los nicos factores que limitan la corriente son la cada de voltaje en las escobillas (C.v.e) y la resistencia del circuito de inducido Ra. Como ninguno de estos de estos voltajes, bajo condiciones inciales no sobrepasa al 10% o al 15% de la tensin aplicada en bornes del inducido, Va, la sobre corriente llega a ser muchas veces la corriente nominal como se ejemplifica, a continuacin.

CLASE 9 Un motor shunt de 120V de CD tiene una resistencia de 0.2 y una cada de voltaje de escobillas de 2V, la corriente nominal a plena carga de inducido es de 75A. Calcular la corriente en el instante de arranque y el porcentaje a plena carga.

Este ejemplo sirve para ilustrar el desperfecto que puede ocasionar un motor industrial de CD donde no se limite la corriente de arranque. La corriente en este ejemplo es excesiva, entre otros puntos a causa de una fuerza contraelectromotriz (f.c.e.m) en el instante de arranque. Una vez iniciada la rotacin del eje de la maquina se comienza a producir una f.c.e.m proporcional a la velocidad. Entonces se requerirn dispositivos, generalmente resistentes de formas variables cuya finalidad es de limitar la corriente durante el arranque. Esta resistencia se puede ir reduciendo progresivamente a medida que el motor acelera.

Entonces si se pone una resistencia en serie con el inducido denominado Rs, la ecuacin debe modificarse para el caso de determinar una corriente por el inducido.

Problema:Calcular los diversos valores de la resistencia de arranque para limitar la corriente del motor del ejemplo anterior:a) 150% de la carga nominal en el instante de arranque b) Una f.c.e.m que representa el 25% de la tensin de inducido al 150% de la carga nominal c) Una f.c.e.m que representa el 50% de la tensin de inducido al 150% de la carga nominal.d) Hallar la f.c.e.m a plena carga sin resistencia de arranque

A)Corriente nominal= 75A100%150%112.5A

B)

C)

D)

CLASE 10

CLASE 11Funcionamiento del circuito anterior:1.- Pulsando el botn de sentido directo se excito el rel F cebando todos los contactos F normalmente abiertos y abriendo los normalmente cerrado, el rel M, en la lnea de control 3 queda excitada cerrando los contactos M normalmente abiertos y el motor arrancando con toda la resistencia de arranque en serie con el inducido. Despus la tensin aumenta en bornes PF, el rel P es excitado en la lnea de control 6 y cortocircuita un contacto de la resistencia de la lnea de arranque. 2.- El rel M tambin excita el rel de accin retardada 1A en la lnea 4. Despus de un corto tiempo 1A excita a 2A en la lnea de control 5. Despus de otro retardo, el rel 2 cierra su contacto normalmente abierto y cortocircuita el ltimo elemento de la resistencia de arranque. 3.- Cuando se pulse el botn sentido inverso, el inducido se debe conectar a una fuente de polaridad inversa. Bajo estas condiciones la tensin inducida Ea en la armadura se suma a la tensin de lnea las cuales se ponen a la C.v.e (cada de voltaje en las escobillas) a la CD (resistencia de frenado) por inmersin. Una cada de tensin ocurre en la bobina P1, la cual ya no puede tener cerrado el contacto P1 pasando el reposo y desexcitando al rel P de la lnea de control 6 (un tercio de R entra).4.- pulsando el botn de sentido inverso tambin se desexcita el contacto normalmente abierto F de la lnea de control 3.4desexcitando el rel M y casi sucesivamente se desecxita el rel 1A de la lnea 4 y el 2A de la lnea 5.5.- Todos los contactos R normalmente abiertos se excitan mediante el rel R a medida que el motor llega a velocidad o la Ea generada o la f.c.e.m. generada a estas presione y el rel PR empieza errarse.6.- el motor invierte sentido de giro con los contactos de los rels normalmente abiertos que comienzan a cerrarse en diferentes instantes de tiempo, con secuencia P, 1 Y 2 acelerando la maquina hasta la velocidad nominal.

CASE 12 3.6 Control electrnico de motores de CD El rpido desarrollo de los dispositivos semiconductores, as como los continuos avances en la electrnica analgica y digital a permitido desde los aos 60s la introduccin de tcnicas de control digital de maquinas elctricas se desarrollan aun diferentes topologas de la etapa de potencia (electrnica de potencia) tambin aun se siguen desarrollando diversos algoritmos de control, todo esto con el fin de incrementar la eficiencia, la productividad y la reduccin de costos de maquinas de CD son utilizados.No obstante debido a que la maquina contiene un colector mecnico limita su operacin en ambientes explosivos, y por otro lado limita su control de velocidad y posicin, puesto que sus partes mviles de conmutacin realizan operaciones no favorables.

Derivada digital de

Ts= 100sk =k-1 =0 = (k-k-1)

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

Ventajas SCR Para alta potencia Control es ms econmico Menos perdidas (no se calienta mucho)Desventajas No puede trabajar el motor a bajas velocidades Ventajas IGBT o MOSFFET Control de posicin ms preciso Puede operar a mayor frecuencia de conmutacin

Desventajas Es ms caro Su control es ms difcil respecto al del SCR Tiene ms perdidasSe sabe que una maquina de CD puede variar su velocidad variando el voltaje de armadura esto se puede hacer mediante un puente rectificador controlado como se muestra en el sig. Circuito supone una corriente de campo constante que puede ser alimentada externamente.Un inductor L en serie con la armadura garantiza un filtro de corriente en la armadura cuando se trata de motores de potencias grandes que contengan mucha inductancia (alambre) no es necesario este filtro inductivo. Se puede decir en esta figura que la armadura se encuentra en reposo y el interruptor de desconexin S se encuentra abierto.Supondr que un microcontrolador se utiliza para disparar las compuertas de los SCR. El disparo de estos SCR desea ser controlado y que se desea un control de velocidad de la maquina, este control lo hace el software en el micro donde tambin se pueden incorporar condiciones como en caso de protecciones. Inicialmente los pulsos se pueden y se encuentran retrasados un ngulo de 90 de modo que Va a la salida del convertidor sea 0 este voltaje Va a la salida del convertidor es mayor a Ea debido a la cada en la resistencia en la bobina de armadura. A partir de este momento y suponiendo que existe excitacin de campo adecuada se puede cerrar el interruptor S y alfa se reduce (ngulo de disparo) gradualmente para que Ea comience a incrementar.La corriente Ia de armadura comienza a fluir y el motor comienza a acelerar conforme disminuye.Fuente 3Alterna 60Hz L S sensor de corriente

Comunicacin RS232 fuente Vcc constanteUSB, internet, etc.

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

a)

Ed=1.35VL cosEd=210V para mxima carga 210=1.35(220)cos =cos-1 =45b)

Hace un corto y es cero

Primero para mxima velocidad

Ed=Ra*Ia+Ea210=(5.2*10-3)(1750)+Ea Ea=210-(1750)(5.2*10-3)EaMAX=201VEa------------Vel 0-------------- 0VEa----------- Vmax-------------- 201V Ea-------1500r.p.m.----100.5V para la mitad de la velocidadPara la mitad de la velocidad y mxima cargaEd=1.35VL cosEdmitad vel = Ra*Ia+EaEdmitad vel =(5.2*10-3)(1750)+100.5V =109.6109.6= 1.35(220)cos= cos-1 =68.34c) Ed=Ra*Ia+Ea210=(5.2*10-3)(1750)+EaEa=210-(1750)(5.2*10-3)EaMAX=201VEamax----------- 3000r.p.m.-------------- 201V Ea1000----------- 1000r.p.m.-------------- 67V Ed1000=1.35VL cosEd1000 = Ra*Ia+EaEd1000 =(5.2*10-3)(1750)+67V =75.7575.75= 1.35(220)cos= cos-1 =75.22 d) Ed=Ra*Ia+EaEd=210V---------------100%Edmitad=105v-----------50%105=1.35(220)cos= cos-1 =62.29CLASE 15 En este caso el motor solo puede operar en un sentido. Para lograr que invierta el giro ser necesario invertir la polaridad de Ed una forma de lograr esto es activando los pulsos de compuerta mas all de los 90 pero para cambiar la polaridad de Ea se debe de invertir ya sea la fuente del campo o de la armadura lo que implica instalar un equipo adicional.Teniendo en cuenta estas condiciones se observan los pasos que se deben de seguir cuando se desea invertir el giro.1.-Disparar los pulsos de compuerta hasta casi 180 para que Ed sea lo bastante grande y negativo con esta operacin preparara el convertidor para que actu como inversor y requerir de unos cuantos milisegundos hasta que Id se haga 0.2.-Invertir la corriente de campo tan rpido como sea posible para invertir la polaridad de Ea esto puede tomar de 1 a 5 seg.debido a la existente inductancia. La corriente de armadura seguir siendo 0 durante este intervalo de tiempo.3.-Si no existe un mtodo para invertir la corriente de campo entonces se requerir de un puente rectificador adicional conectado en antiparalelo para lograr la inversin de Ed.1er mtodo casi no se usa

2do mtodo

t(s)Sen 377t

00

.016/201

.032/200

.1

.016

Ed=1.35VL cosEd=Ra*Ia+EaEa=Kbwcmain#define Vc =220#define Kt= ia +ifW=?Ia=?Cos=Ed/1.35VL

CLASE 16 Puente rectificador 3 (SCRS)

Si es > 5kw no necesita el inductor