FACULTAD INGENIERÍA ELÉCTRICA

FACULTAD INGENIERÍA ELÉCTRICA

Trabajo de Diploma

Manual de prácticas de laboratorio de la disciplina

Accionamiento Eléctrico

Autor: Ariel Niubó Hernández

Tutor: M. Sc. Ing. Alain Amador León

Curso: 2004-2005

“Año de la Alternativa Bolivariana para las Américas”

RESUMEN

El presente trabajo se dedicó a conformar un manual con prácticas de laboratorio de la

disciplina de Accionamiento Eléctrico, que facilite el trabajo de profesores y alumnos.

Esta disciplina cuenta con una amplia gama de prácticas de laboratorio concebidas en su

plan de estudio, las cuales, en muchas ocasiones no se pueden impartir debido a las

condiciones materiales de nuestros locales y la carencia de equipos y dispositivos

adecuados a este propósito. Por ello este trabajo reúne nueve prácticas las cuales se

ajustan a las condiciones materiales y técnicas actualmente existentes en nuestra

Facultad.

ÍNDICE

INTRODUCCIÓN ----------------------------------------------------------------------- 1

CAPÍTULO I. Prácticas de laboratorio de accionamiento Eléctrico I ------------ 3

Práctica 1 Determinación de las características mecánicas en los cuatro

cuadrantes del motor asincrónico de rotor bobinado ----------------------- 3

Práctica 2 Determinación de la potencia nominal en los motores

Eléctricos ------------------------------------------------------------------------ 16

Práctica 3 Control de velocidad de los motores de CD por voltaje de

armadura ------------------------------------------------------------------------ 30

Práctica 4 Control de velocidad de motores asincrónicos ----------------- 42

Práctica 5 Dispositivos para la instalación y protección de motores

eléctrico ------------------------------------------------------------------------- 58

Práctica 6 Circuitos típicos utilizados en algunas aplicaciones de los

accionamientos eléctricos ----------------------------------------------------- 65

CAPÍTULO II. Prácticas de laboratorio de Accionamiento Eléctrico II ---------- 70

Práctica 7 Autómata programable S5-95U ---------------------------------- 70

Práctica 8 Simulación de un sistema rectificador a tiristores – motor

de corriente directa (CT-MCD) regulación de velocidad automática----- 83

Práctica 9 Operación a lazo cerrado del sistema rectificador

controlado - motor de corriente directa ------------------------------------- 100

CONCLUSIONES ---------------------------------------------------------------------- 104

RECOMENDACIONES ---------------------------------------------------------------- 105

REFERNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ------------------------------------------------- 106

BIBLIOGRAFÍA ------------------------------------------------------------------------ 107

ANEXO 1 -------------------------------------------------------------------------------- 109

ANEXO 2 ------------------------------------------------------------------------------- 127

INTRODUCCIÓN

La disciplina de Accionamiento Eléctrico es de fundamental importancia en la

formación del ingeniero electricista y forma parte también de los planes de estudio de

otras especialidades de la educación media y superior. Las prácticas de laboratorio son

de vital importancia en el desarrollo de esta disciplina pues permite al estudiante

obtener una visión general de lo que después, puede ser su futuro contenido de trabajo.

Además, se hacía necesario actualizar e introducir mejoras en las prácticas de

laboratorio que tradicionalmente se impartían en la facultad. Teniendo en cuenta esto, se

ha elaborado el presente trabajo, el cual tiene como objetivo conformar un grupo de

prácticas de laboratorio de la disciplina de Accionamiento Eléctrico, para que sea

utilizado por todos aquellos que cursen o impartan dicha disciplina.

Para lograr este objetivo se realizaron las siguientes tareas

1. Búsqueda bibliográfica basada fundamentalmente en la revisión de diversos

folletos de prácticas de laboratorios existentes

2. Selección de las prácticas de laboratorio a realizar sobre la base de las

condiciones objetivas existentes en nuestros locales

De acuerdo con lo anteriormente expuesto, el presente trabajo posee la siguiente

estructura:

Capítulo 1 “Prácticas de laboratorio de Accionamiento Eléctrico I”. El mismo

agrupa las prácticas sobres las componentes utilizados en los accionamientos

eléctricos, sus características, sus parámetros más importantes y algunos

accionamientos en lazo abierto típicos utilizados. Este capítulo consta de seis

prácticas numeradas por el orden en que se imparte la asignatura y son las que

relacionan a continuación:

Práctica 1 “Determinación de las características mecánicas en los cuatro

cuadrantes del motor sincrónico de rotor bobinado”

Práctica 2 “Determinación de la potencia nominal de los motores eléctricos”

Práctica 3 “Control de velocidad de los motores de CD por voltaje de

armadura”

Práctica 4 “Control de velocidad de motores asincrónicos”

Práctica 5 “Dispositivos para la instalación de y protección de motores

eléctricos”

• Práctica 6 “Circuitos típicos utilizados en algunas aplicaciones de los

accionamientos eléctricos”

Capítulo 2 “Prácticas de laboratorio de Accionamiento Eléctrico II”. En él se

abordan los puntos fundamentales de la automatización de los accionamientos en

lazo cerrado así como la regulación automática de la velocidad en los motores de

corriente directa. Consta de las siguientes tres prácticas, las que están enumeradas a

continuación de las anteriores y se presentan acorde con el desarrollo de la

asignatura:

Practica 7 “Autómata programable S5-95U”

Práctica 8 “Simulación de un sistema rectificador tiristores – motor de

corriente directa (CT-MCD) de regulación de velocidad automática”

Práctica 9 “Operación a lazo cerrado del sistema rectificador a tiristores –

motor de corriente directa”

Anexos donde se puede encontrar la representación de las conexiones utilizadas y

los resultados de algunas de las prácticas realizadas

Es necesario aclarar que este manual ha sido conformado con las prácticas que se

pudieron realizar dado al estado técnico de los laboratorios de nuestra facultad y la

carencia de instrumentos adecuados, poniéndose en su realización nuestro máximo

empeño.

CAPÍTULO I PRÁCTICAS DE LABORATORIO DE ACCIONAMIENTO

ELÉCTRICO I

Práctica de laboratorio 1 “Determinación de las características mecánicas en los

cuatro cuadrantes del motor asincrónico de rotor bobinado”

Objetivos

1. Determinar experimentalmente las características mecánicas en los cuatro

cuadrantes de los motores asincrónicos.

2. Comprobar experimentalmente la validez de las expresiones aproximadas de

velocidad-momento del motor asincrónico.

Fundamento Teórico

1. Características mecánicas en los cuatro cuadrantes

La determinación de las características mecánicas de los motores eléctricos, o

sea, la relación entre la velocidad y el momento o par de fuerza que le

corresponde, tiene gran importancia en el diseño y análisis de los sistemas de

accionamiento eléctrico. Esta característica, conjuntamente con la similar

correspondiente a la carga mecánica acoplada al motor, permiten determinar el

punto de operación en estado estable del accionamiento.

Si se trazan dos ejes de coordenadas, uno correspondiente a la velocidad y el

otro al momento, se tendrán definidos cuatro cuadrantes en los cuales podrá

trabajar la máquina, tal como se muestra en la figura 1.

A continuación se analizará qué condiciones de operación de la máquina son

representadas gráficamente mediante cada uno de los cuatro cuadrantes. Para

ello debe establecerse inicialmente un sentido positivo convencional tanto para

la velocidad como para el momento.

En el primer cuadrante (I), tanto la velocidad como el momento son positivos,

como ambos tienen el mismo sentido, la máquina trabaja en este cuadrante

como motor girando en el sentido positivo de la velocidad, recibe energía de la

red eléctrica y la convierte a la forma mecánica entregándola a la carga o

elemento mecánico acoplado a él.

Figura. 1 Cuadrantes donde puede trabajar la máquina

En el segundo cuadrante (II), la velocidad es también positiva, o sea, el sentido

de rotación del motor es el mismo que en el cuadrante anterior; ahora bien, el

momento es en este caso negativo y se opone a la rotación. Esto significa que

para que esta se mantenga, la máquina debe recibir energía del elemento

mecánico a ella acoplada y esta energía, como es natural, podrá devolverla a la

red eléctrica, por tanto, la máquina trabajará en este caso como generador

girando en el sentido positivo de la velocidad. Por otra parte, también puede

darse el caso de que la máquina reciba energía, tanto del elemento mecánico a

ella acoplado como de la red, y esta energía se disipe en la resistencia interna de

la misma y se convierta en calor. Esta condición de operación se denomina

frenaje. [4]

En el tercer cuadrante (III), tanto la velocidad como el momento son negativos.

Como están en el mismo sentido, la máquina trabaja aquí como motor; al igual

que en el primer cuadrante, la diferencia consiste en que en este caso el sentido

de rotación es el que, convencionalmente, fue seleccionado como negativo.

En el cuarto cuadrante (IV), al igual que en el segundo, la máquina puede

trabajar como generador y en frenaje, pero con sentido de rotación negativo.

A continuación se muestra una tabla donde pueden compararse las condiciones

de operación en los cuatro cuadrantes. En ella, RED significa la red eléctrica de

alimentación, ME la máquina eléctrica y CM la carga mecánica.

Tabla.1 Condiciones de operación en los cuatro cuadrantes

Cuadrante w M Flujo de energía Condición de

trabajo

I + + RED→ME→CM Motor

RED←ME←CM Generador II + -

RED→ME←CM Frenaje

III - - RED→ME→CM Motor

RED←ME←CM Generador IV - +

RED→ME←CM Frenaje

2. Características del motor asincrónico trifásico en los cuatro cuadrantes

En la figura 2 se muestran distintas características típicas de la máquina asincrónica en los cuatro cuadrantes:

Figura.2 Características típicas de la máquina asincrónica en los cuatro

cuadrantes

La característica (1) corresponde a la obtenida alimentando la máquina con un sistema de voltaje trifásico de secuencia positiva y sin resistencia externa en el circuito del rotor. La (2) se obtiene también con secuencia positiva pero con un valor de resistencia externa en el circuito del rotor. La (1’) y la (2’) son similares a la (1) y a la (2) pero alimentado la máquina con un voltaje de secuencia negativa.

Observando estas características pueden señalarse en ella los siguientes aspectos importantes:

• Las características mecánicas del motor poseen una zona de

operación estable (de la velocidad sincrónica sw a la

correspondiente al momento máximo crw ) y otra inestable (de crw a

0)

• Existe un valor de momento máximo, que es mayor en la zona

generadora que en la motora

• Al aumentarse la resistencia externa en el circuito del rotor el

momento máximo no varia pero la velocidad a la cual ocurre este

momento máximo ( crw ) disminuye, aumentando, por tanto, el

deslizamiento para el momento máximo. [2]

3. Cálculo de la característica mecánica

La expresión general del momento en función del deslizamiento del motor

asincrónico es la siguiente:

( ) sXXsRRw

RVM

s

f

⋅⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡++⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⋅

⋅⋅=

22

'1

2'2

1

'23

(1)

donde:

fV : la tensión de fase aplicada al motor

'2R : la resistencia total del circuito del rotor referida al estator

1R : la resistencia del estator

'2X : la reactancia de dispersión del rotor referida al estator

1X :la reactancia de dispersión del estator

s : deslizamiento

Con la ecuación (1) y la siguiente:

ss wwws )( −= (2)

donde:

sw : velocidad sincrónica

w : velocidad del motor

puede determinarse la característica mecánica en los cuatro cuadrantes.

El valor del deslizamiento al que existe el momento máximo esta dado por:

( )2'

212

1

'2

XXR

Rscr

++±= (3)

Y el momento máximo esta dado por:

( ) ⎥⎦

⎤⎢⎣⎡ +±+⋅

⋅=

2'2111

2

2

3

XXRRw

VM

s

fmáx (4)

el signo (+) corresponde a la operación como motor y el (–) a la operación generadora.

Combinando (1), (3), (4) se obtiene la siguiente expresión para el momento en función

del deslizamiento:

( )

crcr

cr

crmáx

sas

sss

saMM

⋅⋅++

⋅+⋅=

2

12 (5)

donde:

'2

1

RRa = (6)

Cuando no existe resistencia adicional en el circuito del rotor ocurre que '

21 RR ≈ o sea, 1=a y (5) se convierte en:

( )

crcr

cr

crmáx

ss

sss

sMM

⋅++

+⋅=

2

12 (7)

Si el valor de crs es pequeño pude hacerse la siguiente aproximación:

ss

ss

MM

cr

cr

máx

+

⋅=

2 (8)

4. Determinación experimental de la característica mecánica en los cuatro

cuadrantes

En la figura 3 se muestra el esquema que debe realizarse en el laboratorio a fin

de poder determinar las características del motor en los cuatro cuadrantes.

Figura.3 Circuito para determinar las características del motor en los cuatro

cuadrantes

MA es un motor de prueba que en este caso es asincrónico de rotor bobinado

(AL- 306), M1 es una máquina de corriente directa excitada independientemente

(AL-506) la cual esta acoplada mecánicamente a él. MAUX es un motor

auxiliar que puede ser de cualquier tipo (su regulación de velocidad debe ser

buena), en este caso es un motor asincrónico (AL-1106) y M2 es otra máquina

de corriente directa (AL-506) acoplada a él. Entre las dos máquinas de corriente

directa existe un interruptor tiro S3 contactor magnético (CONT-153) que

permite ponerlas en paralelo. Obsérvese que el campo de la máquina M2 es

alimentado a través de un interruptor doble polo-doble tiro S1

(CONMUTADOR 3/3) y una resistencia variable. Esto permite excitar esta

máquina desde cero hasta su valor máximo en ambos sentidos. En el campo de

la otra máquina de corriente directa M1, se encuentra un amperímetro y una

resistencia variable. La corriente en el campo de esta máquina debe permanecer

fija durante la prueba. Se aprecia también que el amperímetro A2 que mide la

corriente entre ambas máquinas de corriente directa está conectado mediante

un interruptor S2 (CONMUTADOR 3/3) que permite invertir su conexión en el

circuito. Este conjunto de maquina se denomina “agregado de carga” (no

incluye la máquina de prueba). [5]

La determinación experimental de la característica en los cuatro cuadrantes se

lleva a cabo siguiendo los pasos que a continuación se indican:

1. Se arranca la máquina de prueba MA y se lleva a las condiciones de

operación deseada (ajustar la resistencia externa del rotor en el valor

deseado)

2. Se ajusta la corriente de excitación de la máquina M1 en el valor dado

por el profesor

3. Se arranca el motor auxiliar MAUX y se varía la excitación de la

máquina M2 hasta que la polaridad y la magnitud de su voltaje (leídos en

V3) coincida con los de la máquina M1 (leídos en V2). En este instante

pude cerrarse el interruptor S3.

4. Se aumenta la excitación de M2 de manera que ella trabaje como

generador, M1 como motor y la máquina de prueba MA como generador

entregando energía a la línea. Este proceso se realiza hasta llegar a la

máxima velocidad como generador que se desea obtener. En este punto

se leen la velocidad (mediante el tacómetro) y la corriente entre ambas

máquinas. Este corresponde al primer punto de la característica

mecánica.

5. Se disminuye la excitación de M2 y se van tomando valores de

velocidad y corriente que correspondan a otros puntos de la

característica. Cuando la fem de M2 sea inferior a la de M1 debe

invertirse la conexión del amperímetro ya que la corriente de armadura

se invierte en ese instante. Cuando la excitación de M2 llega al mínimo,

se invierte la polaridad del voltaje aplicado al campo mediante el

interruptor S1, esto invierte la fem de M2 y posibilita el trabajo de la

máquina que se prueba MA en la zona de frenaje.

Para poder determinar el valor del momento electromagnético de la máquina

de prueba para cada velocidad es necesario “calibrar” la máquina M1

conjuntamente con la de prueba. Esto consiste primeramente en determinar

el valor del coeficiente φk ( IaMk =φ ) de la máquina M1 el cual depende

de su corriente de excitación y finalmente determinar el momento o corriente

de pérdidas de ambas máquinas.

Para obtener el valor del coeficiente φk de la máquina M1 se hace girar esta

un determinado valor de velocidad (es aconsejable que sea cercano al

nominal), se mide la fem generadora a su corriente de excitación nominal y

se calcula φk mediante la expresión:

w

Egk =φ

(9)

Donde:

Eg : fem generada (V)

w : velocidad en srad

Debe señalarse que este valor de corriente de excitación es el que debe

mantenerse constante durante todo el desarrollo de la prueba para determinar

la característica en los cuatro cuadrantes.

Para determinar el momento de pérdidas de ambas máquinas se utiliza el

mismo circuito de la figura 3 pero sin alimentar el motor MA. Se arranca el

motor auxiliar MAUX y se va aumentando poco a poco la excitación de la

máquina M2 con el interruptor S3 cerrado. Esto hará que el conjunto M1-MA

vaya aumentando la velocidad paulatinamente. Se toman lecturas de

corrientes y de velocidad y se mantiene la corriente por el amperímetro A3

constante en el valor para el cual se determinó el coeficiente φk . Esta prueba

debe hacerse para los dos sentidos de rotación del conjunto M1-MA. Con

estos puntos se traza la característica velocidad – corriente de pérdidas la

cual tiene la forma que se muestra en la figura 4.

Figura.4 Características de pérdidas

Seguidamente se pasará a explicar el método para determinar el momento

electromagnético de la máquina que se prueba para cada valor de velocidad

conociendo además, la corriente entre las máquinas M1 y M2, el coeficiente

φk de M1 y la característica de pérdida de la forma que aparece en la figura

4.

La sumatoria de los momentos en el eje del conjunto MA-M1 tiene que ser,

en estado estable, igual a cero, o sea, debe cumplirse que:

01 =++ PMMM (10)

donde:

M: momento electromagnético de la máquina de prueba.

M1: momento electromagnético de la máquina de corriente M1 el cual está

dado por la expresión IakM ⋅= φ1 donde Ia es la corriente leída en el amperímetro

A2 en cada punto de la prueba.

PM : momento de pérdidas el cual está dado por la expresión PP IkM ⋅= φ , donde

PI es la corriente de pérdidas que se determina, conociendo la velocidad, mediante la

característica de pérdidas (figura 4). Cualquiera de estos tres momentos se considera

positivo cuando su sentido coincide con el sentido de la velocidad.

El momento electromagnético M1 es positivo cuando la máquina M1 trabaja como

motor girando en sentido positivo, por tanto, cuando Ia circula de M2 a M1.

El momento de pérdidas se opone siempre a la velocidad, por tanto, será positivo

cuando la velocidad sea negativa y viceversa.

De acuerdo a esto, el momento electromagnético de la máquina que se prueba puede

determinarse mediante la expresión:

( )Pa

PaP

IIkMIkIkMMM

+−=⋅−⋅−=−−=

φφφ1 (11)

donde aI es positiva cuando va de M2 a M1 y negativa en caso contrario e PI es

positiva cuando el sentido de rotación de la máquina es el negativo y viceversa.

Por ejemplo, cuando la máquina trabaja en al zona generadora la corriente aI es

positiva e PI es negativa y M será negativo (suponiendo aI > PI ). En la zona motora

tanto aI como PI son negativas, siendo por tanto positivo el momento electromagnético

M. Finalmente en la zona de frenaje aI es negativa e PI es positiva (sentido de rotación

se ha invertido).

Equipos e instrumentos a utilizar

• 2 motores de corriente directa AL-506

• 1 motor asincrónico trifásico de rotor bobinado AL-306

• 1 motor asincrónico trifásico de rotor jaula de ardilla AL-1106

• 1 amperímetro DC (escala 0-5A) (corriente que circula entre ambos motores)

• 1 amperímetro DC (escala 0-2.5A) (corriente de campo del motor M1)

• 1 amperímetro DC (escala 0-5A) (corriente de línea del motor MA)

• 1 voltímetro DC (escala 0-300V) (voltaje terminal del motor M1)

• 1 voltímetro DC (escala 0-300V) (voltaje terminal del motor M2)

• 1 voltímetro AC (escala 0-300V) (voltaje de línea del motor MA)

• 3 contactores magnéticos(CONT-153)

• 3 estaciones de pulsadores (PULSADOR)

• 2 térmicas (RT-311)

• 1 reóstato variable (3300Ω/1000 W, Imáx =0.5A)(campo del motor M1)

• 1 reóstato variable (3300 Ω /1000 W, Imáx =0.5A)(campo del motor M2)

• 1 reóstato variable (470 Ω /1000 W REOSTATO- 3500)(resistencia externa

en el circuito del rotor)

• cables de conexiones

Medidas de seguridad

• No realizar ninguna conexión en el circuito sin la autorización y orientación del

profesor

• No tocar las partes energizadas del circuito

• Fijar la escala de los instrumentos por encima del valor que se desee medir

• No golpear ni apoyarse en los instrumentos

• No energizar hasta que el profesor no haya revisado las conexiones

Técnica operatoria

1. Montaje del circuito de la figura 3

1.1 montar el circuito de la figura 1 del anexo 1

1.2 montar el circuito de las figuras 2 y 3 del anexo 1

1.3 montar el circuito de control de ambos motores, figura 4 del anexo 1

2. Fijar en el amperímetro A3 la corriente de excitación para la cual se

calibrará la máquina y se anotará el valor del coeficiente φk de M1

3. Desarrollar la prueba de calibración tomándose puntos para obtener la

característica de momento de pérdidas correspondiente. Puede utilizarse la

tabla que aparece a continuación.

w

IP

Sentido

Positivo

w

IP

Sentido

Negativo

4. En la obtención de dicha característica se utilizará la función desarrollada en

Matlab llamada IP, a la cual se le entran los valores de velocidad y la misma

devuelve los valores de corrientes de pérdidas correspondientes. Pero a la

hora de utilizar los resultados que devuelve esta función hay que tener en

cuenta el signo de la corriente en cuestión.

5. Desarrollar la prueba para determinar las características en los cuatro

cuadrantes tal como se explicó anteriormente. Debido a que en la zona de

frenaje la corriente es muy alta, esta característica debe llevarse a cabo a

voltaje reducido. Para hallar el momento electromagnético a voltaje nominal

se hace uso de la siguiente expresión: 2

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

VrVnMvrMvn (12)

donde:

Mvn : momento al voltaje nominal

Mvr : momento a voltaje reducido

Vn : voltaje nominal

Vr : voltaje reducido

6. Utilizando los datos obtenidos en la prueba, la característica de pérdidas y

las expresiones (11) y (12) se determinará la característica del motor

en los cuatro cuadrantes. Puede hacerse uso de la tabla siguiente:

w aI PI Mvr Mvn Condición de operación

donde:

w: velocidad en rpm que se lee en el tacómetro

aI : corriente entre las máquinas (amperímetro A2)

PI : corriente de pérdidas (se calcula mediante la característica de

pérdidas)

Mvr : momento a tensión reducida (11)

Mvn : momento a tensión nominal (12)

Informe a presentar

El informe de laboratorio se realizará individualmente en trabajo independiente

tomando como base los datos obtenidos durante el desarrollo del laboratorio. Dicho

informe deberá contener:

Título del laboratorio

Objetivos del mismo

Desarrollo

• Esquemas y circuitos empleados

• Tabulación de los datos

Cálculos representativos

Resultados obtenidos

Obtener conclusiones

Capítulo I Prácticas de laboratorio de accionamiento eléctrico I

Práctica de laboratorio 2 “Determinación de la potencia nominal en los motores

eléctricos”

Objetivos

1. Obtener los gráficos de carga para los diferentes regímenes de trabajo

2. Seleccionar la potencia nominal para cada caso

Fundamento teórico

La debida selección de la potencia de los motores eléctricos tiene una enorme

significación para la economía de un país. Una de las exigencias fundamentales

planteadas al seleccionar un motor es la confiabilidad de su trabajo con un mínimo de

gastos de inversión y explotación. Esta exigencia se garantizará solo si el motor es

correctamente seleccionado en cuanto a potencia.

El empleo de un motor de potencia insuficiente (menor que la necesaria):

- puede alterar el funcionamiento normal del mecanismo, ya que no cumpliría con

los requerimientos tecnológicos que dicho mecanismo impone al accionamiento

y se reduciría, por tanto, su productividad

- se producirían averías

- se estropearía el motor prematuramente

A su vez, el uso de motores sobredimensionados implica que:

- se eleve el costo inicial del accionamiento eléctrico

- aumentan las pérdidas de energía debido al descenso de la eficiencia del propio

motor

- en las instalaciones de corriente alterna se empeoraría el factor de potencia

Para llevar a cabo una selección adecuada deben tenerse en cuenta una serie de factores:

El sistema de accionamiento eléctrico automatizado: Como es sabido, el tipo de

accionamiento eléctrico a realizar en un caso específico depende, de los

requerimientos tecnológicos impuestos por el mecanismo que va a ser

accionado. Evidentemente, esto determina el tipo de motor eléctrico que debe

ser utilizado y permite obtener información sobre determinadas características

del mismo. Por ejemplo, un mecanismo que exija un amplio diapasón de

regulación de velocidad con buena gradación, buena eficiencia y una exacta


regulación de sus coordenadas, requiere de un motor de corriente directa (CD)

con su respectivo rectificador controlador motor de CD

Los regímenes de arranque y frenaje del mecanismo: En el arranque y el frenaje

eléctrico de los accionamientos, las corrientes suelen tomar valores superiores a

los nominales. Esto da lugar a que, durante estos procesos, la energía convertida

en calor sea superior a la correspondiente en el funcionamiento estacionario. Si

el arranque y el frenaje ocurren con poca frecuencia no es necesario

considerarlos en la selección de la potencia del motor. Ahora bien, en algunos

casos tales como las grúas, los elevadores y otros mecanismos se hace necesario

considerar el efecto de estos procesos en el calentamiento de la máquina ya que

están sometidos a un régimen de carga que incluye paradas y puestas en marcha

frecuentes.

Las condiciones de sobrecarga: Algunos mecanismos productivos someten al

motor eléctrico a valores de momento superiores al estacionario por un breve

período de tiempo. Es posible que un motor eléctrico sea capaz de suministrar

determinado régimen de carga sin que su temperatura se eleve por encima de la

máxima pero, que no sea capaz de entregar la sobrecarga que el mecanismo le

exige ya que su momento máximo es menor que el de sobrecarga. Para ello, es

importante conocer que los motores de CD: tienen un Mmáx limitado a un valor

cercano al doble del nominal, este límite se debe a que, a valores superiores, la

conmutación se empeora y deteriora las escobillas y el colector. En los motores

asincrónicos de CA: el Mmáx está dado por su característica mecánica y en los

motores sincrónicos: el Mmáx depende de las condiciones de excitación a las

cuales debe operar. En todos los casos, la elección de la potencia del motor se

practica de acuerdo con el calentamiento y, a continuación, se comprueba

respecto a su capacidad de sobrecarga (si es capaz de suministrar el momento

máximo que requiere el mecanismo)

Condiciones ambientales de trabajo: Es de gran importancia para la selección

tener en cuenta las condiciones ambientales en que va a trabajar el motor. Esto

se refiere a si será instalado a la intemperie o bajo techo, la temperatura y

humedad relativa que debe soportar, la existencia de polvo o determinadas

sustancias químicas corrosivas o explosivas. De acuerdo con estas disímiles

condiciones de trabajo se fabrican motores cerrados, abiertos, a prueba de

explosión, a prueba de goteo, a prueba de salpicadura. Los fabricantes de


motores eléctricos aclaran siempre en sus catálogos las condiciones ambientales

en que éstos pueden trabajar.

Ubicación física del motor: Es muy importante conocer también dónde será

instalado el motor seleccionado y la forma como este debe acoplarse al

mecanismo que accionará, ya que esto determina la forma constructiva

(“frame”) que debe tener. Los fabricantes brindan información en sus catálogos

sobre las diferentes formas constructivas en las que fabrican sus motores. Por

ejemplo, existen motores verticales y horizontales, con o sin plato soporte.

Características del sistema eléctrico: Debe tenerse en cuenta también a la hora

de seleccionar un motor el sistema eléctrico existente en el lugar donde será

instalado. Esto se refiere a si existe o no suministro trifásico, los niveles de

voltajes, la presencia o no de barras de CD. Esto influye, fundamentalmente en

la selección del tipo de motor y sus voltajes nominales

La potencia y régimen de carga que requiere el mecanismo: Toda carga

mecánica o mecanismo de producción requiere determinado valor de potencia

para poder llevar acabo adecuadamente el proceso tecnológico para el cual fue

diseñado. Esta potencia mecánica debe ser suministrada por el motor eléctrico a

partir de la potencia eléctrica que recibe de la red. En este proceso de conversión

de energía eléctrica a mecánica se producen pérdidas de potencia las cuales se

convierten en calor y elevan la temperatura de las diferentes partes de la

máquina, siendo particularmente importante el aumento de la temperatura del

aislamiento de sus devanados ya que estos tienen una temperatura límite por

encima de la cual se deterioran rápidamente y ocurre una disminución de la vida

útil del motor o su puesta fuera de servicio. Por otra parte, en muchos

mecanismos productivos sucede que la potencia que ellos demandan no siempre

es la misma y varía de acuerdo con determinado ciclo de trabajo o, en algunos

casos, aleatoriamente. Ante esta situación, el motor eléctrico debe ser

seleccionado de forma tal que con el régimen de carga que se le imponga, la

temperatura de su aislamiento no sobrepase nunca la máxima permisible y debe

cargarse plenamente para asegurar así el cumplimiento del trabajo prefijado por

el accionamiento eléctrico. Del mismo modo el motor debe funcionar

normalmente en caso de posibles sobrecargas temporales y poseer un par de

arranque suficiente para asegurar la duración indispensable del arranque del

mecanismo operador


De ahí la importancia de conocer su diagrama de carga, el cual consiste en un

gráfico que muestra la variación en el tiempo de la potencia o el momento que

demanda el mecanismo.

Los indicadores económicos: Teniendo en cuenta todos los aspectos señalados

anteriormente, debe seleccionarse siempre el motor eléctrico que con menos

costo inicial da lugar a un menor costo de operación. [9]

Regímenes de carga de los motores eléctricos

Los motores pueden ser sometidos a condiciones de operación muy diversas, su carga

puede permanecer constante o variar cíclicamente, alternar los períodos de trabajo con

los de pausa e inclusive tener un carácter completamente aleatorio. Esto influye en el

calentamiento y elevación de la temperatura de la máquina y debe tenerse en cuenta en

su selección. Con el objetivo de normalizar los regímenes de trabajo a los cuales puede

ser sometido un motor y simplificar los cálculos en la selección de estas máquinas se

definen tres regímenes de trabajo en los motores eléctricos:

1. Régimen o servicio continuo: Período de trabajo tan grande que la temperatura

del motor alcanza su valor estable. Como ejemplo pueden citarse: algunos

motores de los ventiladores y compresores, bombas de alimentar las calderas,

grupos motor-generadores, que trabajan ininterrumpidamente mucho tiempo y

los períodos de trabajo se miden por horas e incluso por días enteros. La gráfica

de trabajo simplificada para este régimen se representa en la siguiente figura:

Figura. 1 Diagramas de carga de régimen continuo

a) Para carga constante b) Para carga continua pero variable

2. Régimen de trabajo intermitente periódico: Se alternan períodos de trabajo y

períodos de pausa de forma tal que, durante los períodos de trabajo la

temperatura del motor no llega a alcanzar su valor estable SSτ y durante los


períodos de pausa el motor no llega a enfriarse a la temperatura ambiente. En la

figura 2 se muestra un diagrama de carga simplificado de este régimen con línea

continua y con línea discontinua la variación de temperatura del motor en este

caso. Un ejemplo típico de estos accionamientos son las grúas, elevadores.

Figura. 2 Diagrama de carga de régimen intermitente periódico

Analizando la figura anterior se comprende que un motor eléctrico diseñado para

entregar de forma continua la potencia que pide esta carga, trabajando en régimen

intermitente se encuentra subutilizado ya que nunca llegaría a alcanzar su

incremento de temperatura máximo SSτ . En este caso puede trabajarse con un motor

cuya temperatura máxima permisible sea maxτ . De acuerdo con esto se fabrican

motores especialmente diseñados para trabajar en este régimen de trabajo, en ellos

es necesario definir el denominado factor de servicio, factor de régimen o

coeficiente de continuidad de conexión ξ , el cual queda expresado en tanto por

ciento y es igual a:

100100% ⋅=⋅+

=c

t

ot

t

tt

ttt

ξ (1)

donde:

tt : tiempo de trabajo

pt : tiempo de pausa o de vacío

ct : tiempo de ciclo

Los valores en tanto por ciento del factor de régimen normado y para los cuales se

fabrican motores de régimen intermitente son: el 15%, el 25%, el 40% y el 60%.

Régimen de trabajo temporal o de corta duración: La alternancia de los períodos de

trabajo y de vacío es tal que, en el trabajo la temperatura no llega a alcanzar su valor


estable y en el de pausa se enfría a la temperatura ambiente. En la figura 3 se

muestra con línea continua el diagrama de carga simplificado de este régimen y con

línea discontinua su variación de temperatura. También se fabrican motores para

trabajar con este régimen en los cuales se especifica la potencia y el tiempo de

trabajo permisible el cual está normado en 15, 30 o 60 minutos. Como ejemplos de

mecanismos que someten al motor a un régimen temporal pueden señalarse algunas

mesas giratorias, puentes móviles, donde la pausa en el trabajo es considerablemente

mayor que la duración del período de trabajo.

Figura. 3 Diagrama de carga de régimen de corta duración

Es necesario señalar que, aunque los análisis de calentamiento se hacen tomando como

base la elevación de la temperatura con respecto a la del ambiente, lo que determina

realmente las condiciones del aislamiento es el valor absoluto de la temperatura, o sea,

la suma de la del ambiente y la elevación de temperatura provocada por las pérdidas.

Por tanto, se define una temperatura ambiente normalizada la cual es de 40ºC en la

mayoría de las normas eléctricas y de 35ºC en otras. La potencia del motor, indicada en

su tablero, corresponde a dicha temperatura. A una temperatura considerablemente más

baja que la normalizada, el motor puede cargarse algo más de la potencia nominal y a

una temperatura más alta, conviene disminuir la carga del motor, si no se toman

medidas para intensificar el enfriamiento del mismo.

El método de la corriente equivalente se basa en suponer que la corriente variable del

motor puede sustituirse por un valor equivalente de corriente Ieq que produce las

mismas pérdidas y se calcula como:

n

nn

tttkttItItI

Ieq++++

+++=

........

210

22

221

21 (2)

Este método presenta el inconveniente de necesitar el conocimiento de la corriente que

tomaría el motor aún no seleccionado con la carga del mecanismo a accionar. Se utiliza


fundamentalmente cuando el diagrama de carga del mecanismo se obtiene acoplándose

un motor de prueba del mismo tipo que el posteriormente seleccionado, ya que en este

caso el diagrama de carga se obtiene directamente en corriente. La corriente nominal del

motor debe ser igual o ligeramente superior a la equivalente. Después de seleccionado el

motor por calentamiento debe chequearse por sobrecarga, o sea, comprobar que la

corriente máxima que tomará en el ciclo de trabajo es menor que la corriente máxima

que puede suministrar el motor seleccionado.

Tendiendo en cuenta que para flujo constante el momento es directamente proporcional

a la corriente, se aplica en estos casos el método denominado del momento equivalente

en el cual se utiliza la expresión siguiente para el cálculo del momento equivalente:

n

nn

tttkttMtMtM

Meq+++++++

=...

.....

210

22

221

21 (3)

Este método tiene la ventaja que el momento de la carga puede ser determinado a partir

del mecanismo a accionar sin necesidad de hacer selección tentativa del motor o acoplar

un motor de prueba al mecanismo. Por ejemplo, haciendo uso del Alecop, esto se puede

lograr acoplando al motor un freno de polvo magnético al cual se conecta un módulo

Medida N.m.- 3000, del que se lee el momento suministrado por el motor para cada

estado de carga.

Cuando la velocidad de la carga no varía apreciablemente por ejemplo, en motores de

jaula de propósito general, la potencia puede considerarse directamente proporcional al

momento y aplicar el método de la potencia equivalente para el cual se aplica la

siguiente expresión:

n

nn

tttkttPtPtP

Peq++++

+++=

........

210

22

221

21 (4)

donde:

Ieq, Peq y Meq: corriente, momento o potencia equivalente.

k: representa las pérdidas constantes (de fricción y batimiento) y puede tomar los

siguientes valores:

Para régimen intermitente y de corta duración:

k = 0

Para régimen continuo:

k = 1 durante t0 el motor está funcionando

k = 1/3 durante t0 el motor está detenido y, además, su carcasa es abierta.


k = 1/4 durante t0 el motor está parado, y su carcasa es cerrada. [2]

Para poder aplicar las fórmulas anteriores se necesita haber aproximado el diagrama de

carga a valores de corriente, momento o potencia constantes, es por eso que en el caso

de que el diagrama tenga tramos inclinados se necesita aplicar en estos tramos,

primeramente, la expresión (5):

3

2221

21

12IIII

I++

= (5)

Teniendo en cuenta todo lo anterior y después de haber decidido el método a utilizar se

deberá seguirse el siguiente diagrama de bloques:

Figura. 4 Diagrama de bloques para seleccionar adecuadamente un motor eléctrico

nomnomnom PP

MM

II maxmaxmax 25,125,125,1 ⋅=⋅=⋅=λ (6)

nom

arr

nom

arr

nom

arr

PP

MM

II

⋅=⋅=⋅= 25,125,15,1'λ (7)

λ: (Condición de corriente máxima) y λ’ Condición de corriente de arranque)

Tabla 1 Valores de λ y λ’ para motores eléctricos

Tipo de motor λ λ’

Shunt CD 2 2-2,5


Tabla.1 (Continuación) Compuesto CD 3 2,5-3

Serie CD 4 2-2,5

Sincrónico 2-3 0,5-1,5

Rotor bobinado 1,8-2,5 2-2,5

Jaula A 2 1,1-1,7

Jaula B 2 1,1-1,7

Jaula C (doble) 2 2,5

Jaula D (doble) 2,5 3

Jaula MTK 2,3-5,4 1,65

Tabla.2 Parámetros y datos de chapa de motores de 230 V DC

Frame n Hp P I rated Ra La

283 3500 15 12.2 54 0.153 1.30

2500 10/7.5 7.46/5.60 37/27 0.301 2.30

Wf = 150 1750 5 3.73 19 0.615 4.50

1150 3 2.24 11 1.43 10.4

Jm= 0.068 850 2 1.49 7.8 2.61 19.2

500 1 0.75 4.1 7.56 55.0

284 3500 20 14.9 73 0.142 1.10

2500 15 12.2 56 0.279 2.10

Wf = 160 1750 10/7.5 7.44/5.60 39/28 0.570 4.30

1150 5 3.73 20 1.36 10.0

Jm =0.088 850 3 2.24 12 2.42 18.5

500 2 1.49 10.0 6.71 53.2

300 1 0.75 4.8 12.3 147

286 3500 25 18.6 89 0.070 0.70

2500 20 14.9 72 0.137 1.40

Wf=180 1750 15 12.2 56 0.280 2.81

1150 10/7.5 7.46/5.60 39/29 0.657 6.50


Tabla 2 Parámetros y datos de chapa de motores de 230 V DC (continuación) Jm = 0.087 850 5 3.73 20 1.19 12.0

500 3 2.24 12 2.32 34.4

300 2 1.49 11 7.50 95.0

288 3500 40 29.8 141 0.045 0.73

2500 30/25 27.4/18.6 108/89 0.089 1.44

Wf = 200 1750 20 14.9 74 0.180 2.93

850 10/7.5 7.46/5.60 40/29 0.762 12.5

Jm= 0.156 500 5 3.73 22 1.33 36.0

365 1750 25 18.6 89 0.086 2.20

Wf=210 1150 15 11.2 55 0.199 5.10

Jm=0.296

366 2500 50/40 37.3/29.8 176/140 0.033 0.50

17.50 40/30 29.8/22.4 143/107 0.067 1.00

Wf=220 1150 25/20 18.6/14.9 92/73 0.155 2.40

850 15 12.2 56 0.284 4.40

Jm= 0.397 500 7.5 5.60 29 0.772 13.0

300 3 2.24 12 2.27 35.0

367 2500 60 44.8 209 0.0203 0.52

1750 50 37.3 177 0.0415 1.10

Wf=230 1150 30 22.4 108 0.0963 2.50

850 20 14.9 73 0.176 4.60

Jm = 0.462 500 10 7.46 40 0.478 13.0

300 5 3.73 20 1.41 36.0

368 1750 60 44.8 213 0.0363 0.85

1150 40 29.8 146 0.0964 2.00

Wf=242 850 30/25 23.4/18.6 112/92 0.153 3.60

500 15 12.2 58 0.417 11.0


Tabla 2 Parámetros y datos de chapa de motores de 230 V DC (continuación)

Jm=0.560 300 7.5 5.60 32 1.24 29.0

503 1750 100/75 74.6/56.0 349/261 0.0144 1.10

1150 60/50 44.8/37.3 211/176 0.084 2.50

Wf=325 850 40 29.8 143 0.066 4.50

500 20 14.9 73 0.168 13.0

Jm=1.82 300 10 7.46 38 0.500 36.0

504 1750 125 93.3 434 0.0150 0.85

1150 75 56.0 264 0.0237 2.00

Wf= 410 850 50 37.3 177 0.0420 3.60

500 25 18.6 90 0.115 11.0

Jm=1.94 300 15 12.2 57 0.342 29.0

505 1750 150 112 523 0.0099 0.73

1150 100 74.6 353 0.0206 1.70

Wf=430 850 75/60 56.0/44.8 268/213 0.0380 3.10

500 30 22.4 109 0.109 9.00

Jm=2.20 300 20 14.9 79 0.350 25.0

506 1150 125 93.3 436 0.0125 120

Wf=500 500 40 29.8 143 0.0660 6.50

n = velocidad nominal en rpm, Hp = Horsepower nominal, 1hp = 746 W, P = potencia a

plena carga en Kw, Irated Ianom en A, Ra= resistencia del circuito de armadura en Ω


Tabla 3 Valores de corriente nominal para motores trifásicos de CA

Rotor

Motores de Inducción

Rotor bobinado y de Jaula

Motores sincrónicos

Factor de potencia unitario

Hp

½

¾

1

110V 220V 440V 550V

2300V

4 2 1 0,8

5,6 2,8 1,4 1,1

7 3,5 1,8 1,4

220 V 440 V 550V 2300V

1 ½

2

10 5 2,5 2

13 6,5 3,3 2,6

3

5

7 ¼

10

18 9 4,5 4,0

30 15 7,5 6,0

44 22 11 9,0

54 27 14 11

15

20

25

40 20 16

52 26 21

64 32 26 7

54 27 22 5,4

30 78 39 31 8,5 65 33 26 6,5

40

50

104 52 41 10,5

125 63 50 13

86 43 35 8,0

108 54 44 10

60

75

100

150 75 60 16

185 93 74 19

246 123 98 25

128 64 51 12

161 81 65 15

211 106 85 20

125

150

200

310 155 124 31

360 180 144 37

480 240 192 48

264 132 106 25

158 127 30

210 180 40


• 2 máquinas de CD AL-506 (motor y generador)

• 1 amperímetro DC (escala 0-5A) (corriente de armadura del motor)

• 1 amperímetro DC (escala 0-2.5A) (corriente de campo del motor)


• 1 amperímetro DC (escala 0-2.5A) (corriente de armadura del generador)

• 1 voltímetro DC (escala 0-250V) (voltaje terminal del motor)

• 1 voltímetro DC (escala 0-250V) (voltaje terminal del generador)

• 1 temporizador (escala 12 minutos)

• 1 contactor magnético (CONT-153)

• 1 estación de pulsadores (PULSADOR)

• 1 térmico (RT-311)

• 1 reóstato variable (3300Ω/1000 W, Imáx =0.5A)(campo del motor)

• 1 reóstato variable (3300 Ω /1000 W, Imáx =0.5A)(campo del generador)

• 1 reóstato variable (Imáx =3A)(limitador de corriente en la armadura del motor)

• 1 reóstato variable (470 Ω /1000 W REOSTATO- 3500)(carga del generador)

• cables de conexiones



profesor



• No golpear ni apoyarse en los instrumentos

• No energizar hasta que el profesor no haya revisado las conexiones

Técnica operatoria

1. Montaje del circuito de la figura 5

Figura. 5 Circuito de control para arranque y parada por tiempo de un motor

1.1 Montar el circuito de la figura 5 del anexo 1

1.2 Conectar el motor como se muestra en al figura 6 del anexo 1


1.3 Conectar el campo del generador y el motor según se muestra en la figura 7

del anexo1.

1.4 Conectar la carga al generador según muestra la figura 8 del anexo 1

2. Colocar el conmutador del módulo CONMUTADOR 3/3 en la posición 1 y fijar

la corriente por el campo de ambas máquinas a 0.5 A, y retornarlo a la posición

inicial.

3. Colocar el temporizador en escala de 12 minutos y seleccionar los intervalos de

tiempo para cada estado de carga

4. Colocar el reóstato que limita la corriente de armadura en un 70 % de su valor.

5. Arrancar el motor, quitar la resistencia limitadora y poner el conmutador en la

posición 1

6. Regular el voltaje en los terminales del motor de manera que el voltaje en los

terminales del generador sea 215 V para cada estado de carga (esto se logra

variando el cursor de la fuente de CD RFT SG 280)

7. Tomar la lectura del voltaje de armadura (215 V) y corriente de armadura del

generador para cada estado de carga

8. Repetir el procedimiento para los tres tipos de regímenes de trabajo

9. Calcular y elegir el motor adecuado según los catálogos

Informe a presentar





Objetivos del mismo

Desarrollo


• Tabulación de los datos

• Diagramas de cargas

Cálculos representativos

Resultados obtenidos



Práctica de laboratorio 3 “Control de velocidad de los motores de CD por voltaje

de armadura”

Objetivo

1. Obtener la familia de características de velocidad para el método de variación de

voltaje en la armadura con convertidor

Fundamento teórico

En la industria moderna se tiene gran cantidad de mecanismos o accionamientos que

requieren trabajar a diferentes velocidades según sea la fase del proceso productivo,

dentro de este grupo se pueden relacionar algunas máquinas de herramientas, grúas,

mecanismos de transportación, sistemas de bombeos. Se entiende por control de

velocidad, a la variación de la velocidad lograda por acciones adicionales o externas

ejecutadas sobre el motor para ajustar la misma, a determinado valor requerido por el

accionamiento en función de la demanda del proceso. Esta variación puede ser manual o

automatizada. Este concepto no debe confundirse con la variación natural que

experimenta la velocidad cuando se produce un cambio en el valor de la carga acoplada

al motor, dicha variación depende de las características del motor.

La siguiente expresión constituye la característica de velocidad del motor de corriente

directa.

φφ kRaaRaIa

kVcw )( +

−= (1)

donde:

Ia : corriente de armadura

Vc : voltaje de alimentación del sistema

Ra : resistencia total de armadura de la máquina de CD, la cual incluye las

resistencias de los devanados compensadores, de los interpolos, de la propia armadura y

la de contacto de las escobillas con el colector

Raa : resistencia colocada en serie con la armadura del motor

φ : flujo de excitación

a

pNkπ2

= : coeficiente constructivo del motor


p : número de polos

N y a : número de conductores activos y trayectorias en paralelo de los devanados

de armadura

De esta expresión se puede pasar a la característica mecánica del motor, debido a que se

conoce que el momento electromagnético desarrollado por el mismo se determina

como:

IakIaa

pNMe ⋅=⋅= φφπ2

(2)

Colocando en (1) el valor de corriente obtenido a partir de (2) se obtiene la expresión de

la característica mecánica del motor de CD.

( )2

)(φφ k

RaaRaMekVcw +

−= (3)

De (1) y (3) se observa que para =φ constante las características de velocidad y

mecánicas del motor shunt de CD constituyen líneas rectas, que cortan los ejes de

coordenadas. Estas características se muestran a continuación:

Figura.1 Características de velocidad y mecánica del motor shunt de CD.

El eje de las ordenadas se corta por ambas características en el mismo punto, debido a

que los primeros miembros de ambas ecuaciones son iguales. La ordenada de este

primer punto se puede hallar si se hacen 0=Ia y 0=Me en estas expresiones, lo cual

corresponde al régimen de vacío del motor. A esta velocidad se le denomina velocidad

de vacío:

φk

Vcw =0 (4)


Los puntos de corte de las características de velocidad y mecánica con los ejes de las

abscisas determinan la corriente y el momento de cortocircuito. Es bueno aclarar que

por régimen de cortocircuito se denomina a aquel régimen de trabajo del motor en el

cual su velocidad es cero y consecuentemente su fuerza electromotriz. En este régimen,

la corriente de armadura está determinada por:

RaaRa

VcIacc += (5)

y el momento de cortocircuito:

RaaRa

VckIakMe cccc +⋅⋅

=⋅=φφ (6)

Los principales parámetros de las características de velocidad y mecánicas: ccIa y ccMe

dependen del voltajeVc , de la resistencia del circuito de armadura y del flujo de

excitación. Con la variación de estas magnitudes se puede obtener familias de

características de velocidad y mecánicas. De estas familias se acostumbra a separar la

característica de velocidad natural y la característica mecánica natural, entendiéndose

por estas, aquellas características que corresponden al voltaje de alimentación nominal

del motor (VN), a su flujo nominal de excitación ( Nφ ) y a la resistencia en serie con la

armadura del motor igual a cero ( 0=Raa ). El resto de las características de ambas

familias se les denomina artificiales o reostáticas. [4]

De la expresión (1) se deduce que los tres posibles métodos de control de la velocidad

en los motores shunt de CD son:

1. Variando el voltaje aplicado a la armadura del motor.

2. Variando la corriente de excitación del campo del motor (flujo magnético).

3. Variando la resistencia del circuito de armadura del motor (control reostático).

Variación del flujo magnético

Este principio de control de la velocidad se obtiene, directamente, del análisis de las

características mecánicas y de velocidad del motor de CD. Préstese atención al hecho de

que la corriente de excitación y, consecuentemente el flujo magnético, solo se pueden

variar en el sentido de disminución con respecto al nominal, esto se debe a que en

condiciones normales de trabajo esta corriente no puede ser superior a la nominal.

Consecuentemente el control de velocidad se puede lograr mediante la disminución del


flujo de campo o como se acostumbra a expresar mediante el debilitamiento del flujo

magnético.

Para el análisis de las características de velocidad y mecánicas es necesario basarse en

las expresiones ya antes vistas:

φk

Vcw =0 (8)

RaaRaVckIakMe cccc +

⋅=⋅=

φφ (9)

( )0

2

wMe

RaaRak

dwdM cc−=

+−==

φβ (10)

en las cuales se ve que con la disminución del flujo magnético crece la velocidad de

vacío ( φkVw 0

0 = ), se mantiene constante la corriente de cortocircuito, disminuyen el

momento de cortocircuito y la rigidez de las características mecánicas. En las figura 2 se

muestran las características de velocidad y mecánicas para este caso.

Figura. 2 Características mecánicas y de velocidad del control por campo: a) de

velocidad; b) mecánicas.


Control reostático de la velocidad

Otro método de variación de la velocidad de un motor de CD con excitación

independiente es el que utiliza un reóstato con varios pasos, colocado en serie con la

armadura de dicho motor. A este control se denomina reostático. Sus características de

velocidad y mecánicas se obtienen, directamente, al variar Raa en las expresiones (1) y

(3). La rigidez de las características disminuye con el aumento de Raa según se deduce

en la expresión (10).

Figura. 3 Características mecánicas del control reostático de velocidad.

Variando el voltaje aplicado a la armadura del motor (mediante un convertidor

controlado).

La energía eléctrica se genera y se distribuye, fundamentalmente en forma de energía de

corriente alterna con una determinada frecuencia. Para la alimentación de los motores

de CD es preciso disponer de una instalación convertidora. En la técnica actual las

instalaciones convertidoras controladas tienen una gran utilización, con la ayuda de las

cuales se realiza la conversión de energía eléctrica en mecánica y viceversa.

El principio de acción del convertidor consiste en que las válvulas realizan el papel de

llaves, que dejan pasar la corriente con una pequeña caída de voltaje durante el período

de conducción y cierran, no dejándola pasar durante el período de no conducción. La

regulación de voltaje se logra mediante la variación de la duración del tiempo de trabajo

de las válvulas en el período de conducción. Esto se realiza mediante el retraso del

comienzo de la conducción de cada válvula que queda caracterizado por el ángulo α el

cual se mide a partir del punto o memento de apertura natural de la válvula.

El circuito equivalente del sistema controlado motor para el caso del rectificador

trifásico puente, asumiendo conducción continua, es el siguiente:


Figura. 4 Circuito equivalente del sistema controlado motor.

donde:

Rb: resistencia del reactor de alisamiento (Los gráficos de voltaje y de corriente de los

convertidores presentan formas complejas, las cuales contienen componentes constantes

y variables, con el objetivo de disminuir estas componentes variables, que influyen de

forma negativa sobre los procesos de calentamiento y de conmutación de la máquina, en

el circuito de carga del convertidor se conecta un reactor de alisamiento, poseedor de

una determinada inductancia).

Tabla. 1 Coeficientes del circuito equivalente.

Rectificador N K M K1

1φ O.C puente 1 2 2 0,9

1φ O.C center-tap 1 1 2 0,9

3φ nulo 1 1 3 1,17

3φ puente 2 2 6 2,34

Aplicando la ley de Kirchhoff de voltaje en el circuito anterior, teniendo en cuenta la

tabla 1 queda:

0232cos =Δ−−⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +++− UaERaRbxaRtIaUdo

πα (11)

Si despreciamos la conmutación 03 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

πxa , se puede obtener la ecuación de la

característica de velocidad del sistema controlado-motor:

( )φ

αk

UaRaRbRtIaUdow Δ−++−=

22cos (12)

φε

φα

kIaR

kUaUdow T−

Δ−=

2cos (13)

y la característica mecánica:


( )

MkR

kUaUdow T

2

2cosφε

φα

−Δ−

= (14)

donde:

RaRbRR TT ++⋅= 2ε

De estas expresiones, se puede concluir que cuando estos convertidores trabajan en

régimen continuo las características mecánicas de velocidad del accionamiento

constituyen líneas rectas, cuyas pendientes dependen de la resistencia TRε .

El módulo de la rigidez de las características del SRCM es menor que el

correspondiente al motor, debido a las caídas adicionales introducidas por el

convertidor.

El control de la velocidad en el SRCM se produce mediante la variación del ángulo de

disparo ( )α de los tiristores, o sea, variando la fem del convertidor. Variando ( )α en los

límites de 0 a 2π el valor de la fem ( )Ed varía desde Udo a 0. Resulta claro, que las

características mecánicas y de velocidad del accionamiento, en este caso, constituirán

una familia de líneas rectas paralelas entre sí, como se muestra en la figura siguiente:

Figura. 5 Características mecánicas y de velocidad del SRCM.

Estas características cortan el eje de las ordenadas en el valor correspondiente a la

velocidad de vacío:

φ

αk

UaUdow Δ−=

2cos0 (15)


Sin embargo, en realidad la velocidad de vacío del accionamiento difiere de la

expresada en (15). Esto se debe a que el circuito equivalente de la figura 4 y las

expresiones de las características de velocidad y mecánicas (13) y (14) corresponden al

régimen de funcionamiento continuo del convertidor. Cuando disminuye la corriente de

carga a valores bajos ( 0→Ia ), comienza a producirse el régimen de corriente

discontinua del convertidor, durante el cual el ángulo de conducción del tiristor es

mπλ 2< . En este caso la curva de corriente de la carga contiene intervalos en los que

no hay corriente. Para este régimen las expresiones anteriores no pueden ser aplicadas.

Los períodos de tiempo de funcionamiento del convertidor donde no circula corriente a

través del mismo y, lógicamente, a través del motor se le denomina régimen de

funcionamiento discontinuo del convertidor.

Para explicar este régimen se puede suponer un motor que trabaja con una alta carga, la

cual determina una alta corriente y, por lo tanto, una energía almacenada en las

inductancias debido a la misma, también alta. Esta posibilita que la válvula que deja de

conducir pueda mantenerse en conducción hasta tanto la otra comience a hacerlo o

incluso, exista un solapamiento entre ambas, lo cual garantiza el funcionamiento

continuo del convertidor.

Si trabajando en estas condiciones se retira la carga al eje del motor y no se altera el

valor de α , la corriente que ahora circulará será la correspondiente al régimen de vacío

del motor, la cual determinará una energía pequeña almacenada en las inductancias, que

puede provocar un funcionamiento del convertidor donde existan períodos de tiempo

donde no circule corriente a través del convertidor y el motor, y el voltaje en el mismo

es el correspondiente a su fem ( )wkE ⋅= φ . Pero además, si se comparan ambos casos

se obtiene que durante el funcionamiento discontinuo del convertidor el valor del voltaje

rectificado es superior para el mismo ángulo que para el caso del funcionamiento

continuo.

Esto trae como consecuencia que durante este período en la característica mecánica del

motor se produzca una subida brusca en los valores de la velocidad como se muestra en

la figura 5.


• 1 motor AL-506.

• 1 generador AL-506.


• 1 Taco generador.

• 3 amperímetros.

- 1 amperímetro (escala 0-2.5A) (para medir la corriente de excitación del

generador).

- 1 amperímetro (escala 0-2.5A) (para medir la corriente de excitación del

motor).

- 1 amperímetro (escala 0-5) (para medir la corriente de armadura del

motor).

• 2 voltímetros

- Para medir voltaje de armadura del motor escala (250 V). Tipo ML-20

- Para medir el voltaje de salida del tacogenerador en escala (10 V)

• 3 reóstatos.

- 1 reóstato 3300/1000 W.(campo del motor)

- 1 reóstato 3300/1000 W. (campo del generador)

- 1 reóstato 3500. (carga del generador)

• Sistema convertidor.

• Cables de conexiones.


• No realizar ninguna conexión en el circuito sin la autorización del profesor



• No golpear ni apoyarse sobre los instrumentos

• No mover el valor del resistor (3300/1000 W) mientras el motor se esté girando,

pues se variará la excitación del mismo, el flujo variará y por tanto el motor se

puede embalar

Técnica operatoria

1. Montaje del rectificador trifásico puente totalmente controlado.


Figura 6. Rectificador trifásico puente totalmente controlado

1.1 Montar el circuito que se muestra en al figura 9 de anexo 1.

1.2 Montar el circuito de mando para el rectificado anterior como se muestra en

la figura 10 del anexo 1.

Figura. 6 circuitos de disparo del rectificador anterior.

1.3 Montar los circuitos de las figuras 6, 7, 8 y 11 del anexo 1

2. Trazar la característica natural de velocidad del motor

2.1 Para ello, desacople la carga del motor, es decir, desacople el generador

y conecte directamente el taco generador al motor, para que obtenga de

esta forma la velocidad ideal de vacío. Para obtener los valores de

velocidad es necesario leer el voltaje a la salida del tacogenerador y

dividirlo por la constante rpmV0052.0 (primera fila de la tabla)

2.2 Vuelva a conectar la carga al motor y comience a variar el valor del

reóstato de 3500Ω, manteniendo inalterable el valor del voltímetro, es

decir, sin que varíe el valor del Vnom del motor igual a 220 V, y llene de

esta forma la tabla siguiente. Como se puede apreciar el último valor de


corriente en la tabla es de 3A, para que no sufra daños el motor (mirar

datos de chapa)

Tabla.1 Valores de la característica natural

V (taco)

w(rpm)

Ia(A) 0.3 1.4 2 3

Va(V) 220 220 220 220

2.3 Trace la característica natural del motor

3 Obtener la característica de velocidad variando el voltaje de armadura.

3.1 Para ello, varíe el ángulo de disparo de los tiristores, ya que al variar

dicho ángulo estamos variando el área bajo la curva y por tanto, esto es

equivalente a variar el voltaje de armadura. En la medida que

aumentemos el ángulo de disparo estaremos disminuyendo el voltaje de

armadura.

3.2 Llene la tabla siguiente, teniendo en cuanta que 4α > 3α > 2α > 1α y que

3428.02

0⋅

=V

Vd y

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= −

0

21cosVdV

α

Tabla.3 Valores de las características artificiales para distintos ángulos de disparo

Para 2α

V (taco)

W(rpm)

Ia(A) 1.4 2 2.5 3

Va(V) 200 200 200 200

Para 1α

V (taco)

w(rpm)

Ia(A) 1.4 2 2.5 3

Va(V) 210 210 210 210


Tabla.3 (continuación)

3.3 Trazar la familia de curvas de velocidad contra corriente de armadura.

Informe a presentar

El informe de laboratorio se realizará individualmente en trabajo independiente tomando como base los datos obtenidos durante el desarrollo del laboratorio. Dicho informe deberá contener:

Título del laboratorio.

Objetivos del mismo.

Desarrollo.

• Esquemas y circuitos empleados.

• Tabulación de los datos obtenidos para cada una de las condiciones

dadas.

Comparar los resultados.

Obtener conclusiones.

Para 3α

V (taco)

w(rpm)

Ia(A) 1.4 2 2.5 3

Va(V) 190 190 190 190

Para 4α

V (taco)

w(rpm)

Ia(A) 1.4 2 2.5 3

Va(V) 180 180 180 180


Práctica de laboratorio 4 “Control de velocidad de motores asincrónicos”

Objetivo

1. Comprobar y determinar experimentalmente las características mecánicas para el

control reostático en las máquinas asincrónicas.

Fundamento teórico

En la industria moderna se tiene gran cantidad de mecanismos o accionamientos que

requieren trabajar a diferentes velocidades según sea la fase del proceso productivo,

dentro de este grupo se pueden relacionar algunas máquinas de herramientas, grúas,

mecanismos de transportación, sistemas de bombeos. Se entiende por control de

velocidad, a la variación de la velocidad lograda por acciones adicionales o externas

ejecutadas sobre el motor para ajustar la misma, a determinado valor requerido por el

accionamiento en función de la demanda del proceso. Esta variación puede ser manual o

automatizada. Este concepto no debe confundirse con la variación natural que

experimenta la velocidad cuando se produce un cambio en el valor de la carga acoplada

al motor, dicha variación depende de las características del motor.

Los principales indicadores que deben ser valorados para la selección y evaluación de

los distintos métodos de control son:

1. Diapasón de control

2. Suavidad del control

3. Economía del control

4. Estabilidad

5. Dirección del control

6. Carga permisible

El diapasón de control se define como la relación que existe entre las velocidades

posibles máximas y mínimas.

La suavidad es un importante indicador de la calidad del control y está caracterizada por

la diferencia entre los valores de la velocidad de dos puntos consecutivos del control,

mientras menor sea esta diferencia más suave es el control.


La economía, está determinada por los gastos de la inversión inicial y los de

explotación, será económico aquel accionamiento que garantice una alta productividad

del mecanismo, alta calidad del producto y costo mínimo.

La estabilidad es caracterizada por la variación experimentada en la velocidad del motor

para un valor dado de la variación del momento de la carga y depende de la rigidez o

pendiente de las características mecánicas. La estabilidad será mayor mientras más

grande sea la rigidez de estas características.

La dirección del control de velocidad, no es más que el sentido en que varía la

velocidad del motor con respeto a la velocidad base, o sea, si aumenta o disminuye

respecto a esta y depende del tipo de control.

En cuanto a la carga permisible hay que tener en cuenta los indicadores de incremento

de temperatura, eficiencia, factor de potencia a los que trabaja la máquina de acuerdo al

tipo de carga, y el método de control seleccionado debe ser función del tipo de carga

para que el motor opere con los mejores indicadores energéticos posibles bajo las

nuevas condiciones. [8]

Los métodos de control de la velocidad en motores asincrónicos, se derivan de la

expresión de la velocidad de rotación (rad/seg) que es:

)1( sww Sr −= (1)

pfwS

⋅=

π2 (2)

donde:

rw : velocidad del rotor (rad / seg)

Sw : velocidad sincrónica (rad / seg)

s: deslizamiento

f : frecuencia (Hz)

p : número de polos

Del análisis de la expresión (1) se obtiene que los procedimientos para controlar la

velocidad de los motores asincrónicos se dividen en dos grupos atendiendo a la variable

de control.

1. Controlando la velocidad de rotación del campo magnético del motor.


• Variando el número de polos (p)

• Variando la frecuencia de alimentación (f)

2. Controlando el deslizamiento del motor.

• Variación balanceada o desbalanceada del voltaje en el estator

• Introducción de resistencias en el rotor

• Inyección de fem en el rotor

Variando el número de polos

La velocidad sincrónica de un motor asincrónico según la expresión (2) depende de la

frecuencia y el número de polos. Si de alguna manera se hacen cambios en los

devanados de forma tal que se varíe el número de polos, cambia la velocidad sincrónica

y con ella la velocidad del motor, en mayor o menor medida de acuerdo a si el

deslizamiento varía.

Desde el surgimiento de los motores asincrónicos este método fue muy utilizado y

aparecieron diversas formas de variar el número de polos:

• Múltiples devanados

• Cambio de polos normales a polos consecuentes

• Modulación de la amplitud polar

La utilización de estos métodos sólo es posible en motores tipo jaula de ardilla, ya que

al tener su rotor en cortocircuito, la distribución de la fuerza magnetomotriz (FMM) en

dicho rotor siempre corresponde con el número de polos del estator y por tanto, admite

cualquier modificación en el número de estos. Sin embargo, los motores de rotor

bobinado requerirían de una variación del número de polos del rotor simultánea con el

estator, complicándose enormemente la implementación del método y aumentando más

aún su volumen y costo.

El método de control de velocidad utilizando múltiples devanados en el estator, consiste

en colocar, en las mismas ranuras del estator, devanados independientes eléctricamente

con diferente número de polos. Por tanto, pueden obtenerse tantas velocidades

sincrónicas como devanados se coloquen. En cada condición de velocidad sólo se utiliza

un devanado, lo cual trae un alto grado de subutilización de los materiales empleados.

El peso, el costo y las dimensiones de estos motores son mucho mayores que los demás

y en ellos se reduce la relación potencia de salida a volumen.

El método de polos normales a polos consecuentes, utiliza un solo devanado de estator

y por reconexión de la mitad de sus grupos, se logra duplicar el número de polos y por


tanto reducir la velocidad sincrónica a la mitad. O sea, si se tiene un devanado diseñado

para p polos, tal que los grupos de cada fase son de polaridad alterna (pn), conocido este

caso como polos normales y se reconectan la mitad de sus grupos, tal que todos tengan

la misma dirección de la corriente o polaridad magnética, caso de polos consecuentes

(pc), se obtiene el doble del número de polos y por tanto, la mitad de la velocidad

sincrónica.

La técnica de modulación de la amplitud polar (PAM) es una forma de lograr múltiples

juegos de polos sobre un devanado simple de una máquina asincrónica, en donde el

número de polos resultante puede estar en relación diferente de 2:1. Los enrollados para

PAM se prefieren sobre los múltiples devanados, ya que se pueden lograr dos

velocidades cercanas, y cuestan mucho menos que los otros.

Esta técnica es muy complicada, pero resumiéndola de forma más sencilla para su

estudio, podemos decir que cuando se combinan dos sinusoides de frecuencias

diferentes (múltiplos entre sí) en un aparato llamado mezclador, la energía de salida

resultante contiene componentes con frecuencias iguales a la suma y a la diferencia de

las dos frecuencias de entrada originales. Por ejemplo si una señal de 100 kHz se

multiplica (modula) por una señal de 1 kHz., las frecuencias de la corriente de salida del

mezclador son 99 y 101 kHz.

Tabla. 1 Relaciones típicas de polos que pueden lograrse por medio de la modulación de

la amplitud polar y las relaciones de la velocidad sincrónica resultante.

VELOCIDADES EN RPM RELACIÓN

DE

NÚMEROS

DE POLOS A 50 Hz A 60 Hz

2:8 3000 / 750 3600 / 900

4:6 1500 / 1000 1800 / 1200

4:10 1500 / 600 1800 / 720

6:8 1000 / 750 1200 / 900

6:10 1000 / 600 1200 / 720

8:10 750 / 600 900 / 720

8:12 750 / 500 900 / 600

10:12 600 / 500 720 / 600


Uno de los métodos con mayores potencialidades para variar la velocidad del motor

asincrónico es sin duda el de variar frecuencia, pues de esta forma varía directamente la

velocidad sincrónica y con ello la velocidad de operación como se observa a partir de

las expresiones básicas de velocidad (1) y (2)

Entre sus ventajas más sobresalientes está la de regular la velocidad en un amplio rango

y de forma suave. Este método tenía como limitante fundamental la necesidad de

disponer de una fuente de corriente alterna de frecuencia variable para el motor o los

motores que deseaban ser controlados, lo cual encarecía el costo inicial de la inversión,

ocupaba gran espacio y al poseer más máquinas eléctricas rotarias, bajaba la fiabilidad

del sistema. Sin embargo, los actuales convertidores estáticos han permitido controlar la

frecuencia del motor asincrónico con instalaciones de menor costo total, poco volumen,

y alta fiabilidad y eficiencia. Además, puede en ellos ser implementada una estrategia

de control para no exceder la capacidad del convertidor, que el motor opere en una zona

que garantice mayor momento electromagnético por unidad de corriente, que las

pérdidas en el sistema convertidor-motor sean mínimas y que las sobrecargas o fallas

que puedan presentarse al sistema de control garanticen la salida de operación del

conjunto. También deben considerarse las fluctuaciones de voltaje, las variaciones de la

carga, rapidez en la aceleración y la desaceleración. Para su implementación, el motor

se alimenta desde un convertidor estático que se conecta a la red como se muestra en la

figura 1, desde donde se realiza la variación de la frecuencia y/o el voltaje.

Figura.1 Variación de frecuencia y/o voltaje a través de un convertidor conectado a la red.

Los motores de inducción, como toda máquina eléctrica, están diseñados para operar

cerca de la rodilla de saturación y una disminución de la frecuencia a voltaje constante

conlleva a un incremento en el flujo, corrientes de magnetización, pérdidas magnéticas


y un empeoramiento del factor de potencia. Por el contrario si la frecuencia sube,

disminuye el flujo y con ello el momento electromagnético por unidad de corriente,

reduciendo la capacidad o potencia de salida del motor.

Si se desea que el motor funcione a varias frecuencias, conservando las condiciones de

saturación del circuito magnético (φ cte.), y mantener los indicadores energéticos (factor

de potencia, capacidad de sobrecarga, deslizamiento absoluto), con la disminución de

frecuencia debe variar proporcionalmente el voltaje, conocido este caso como relación

V/f = cte, dentro de ciertos límites. Si por el contrario la frecuencia aumenta, el voltaje

del estator debe aumentar, pero el aislamiento de sus devanados puede no resistirlo, en

este caso puede mantenerse constante el voltaje, o no variar linealmente con la

frecuencia, diminuyendo el flujo y el grado de saturación del circuito magnético.

Además al variar la frecuencia varían las reactancias de dispersión y de magnetización

directamente proporcional a la frecuencia, así como las pérdidas magnéticas y

rotacionales. [6]

De lo anterior se desprende que la variación de la frecuencia modifica las características

de comportamiento del motor asincrónico y por tanto su velocidad, como se observa en

la figura 2, pero en las mismas también influye la ley de variación que se sigue entre el

voltaje y la frecuencia, por lo general esta ley de variación que es determinada por el

tipo de carga que se accione.

Figura. 2 Efecto de la variación de la f y el V sobre la característica de M contra η. Para

f<60 Hz la relación V/f =cte y para f >60 Hz V =cte


En dicha figura se observa el efecto que provoca la variación de la frecuencia sobre la

característica de momento electromagnético contra velocidad; para frecuencias por

debajo de la nominal se siguió la ley de variación de V/f cte y se tiene que el momento

de arranque disminuye, el momento máximo primero disminuye de forma más suave y

para las bajas frecuencias se ve muy afectado por lo significativo que resulta la caída de

voltaje en la resistencia del devanado del estator con respecto al voltaje aplicado,

provocando una mayor disminución de flujo. En el primer caso se recomienda accionar

una carga de momento constante y cuando se aumenta la frecuencia, como se disminuye

el flujo, accionar una carga de potencia constante. [1]

La ley fundamental de variación de voltaje y frecuencia en función del tipo de carga

cuando se desea controlar velocidad variando frecuencia y conservando constante la

capacidad de sobrecarga.

MM

ff

VV

L

L'''

⋅= (3)

donde:

'LV : voltaje correspondiente a la frecuencia 'f

'M : momento en el eje del motor a la frecuencia 'f

A partir de esta expresión y de acuerdo a las características de los diferentes tipos de

carga se obtiene que para cargas de:

Momento constante

ff

VV

L

L''

= (4)

Potencia constante

ff

MM ''

= (5)

Sustituyendo en la ecuación (3)

ff

VV

L

L''

= (6)

Momento proporcional al cuadrado de la frecuencia

2''

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ff

MM (7)


Sustituyendo (7) en (3) se tiene que:

2''

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ff

VV

L

L (8)

Momento proporcional al cuadrado de la velocidad 2''

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ww

MM (9)

Sustituyendo (9) en (3) se tiene que:

L

L

L

L

VV

ff

ff

VV '2

'''

⇒⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅= (10)

Un método de control de velocidad empleado en los motores asincrónicos es la

variación del voltaje terminal, ya que el momento electromagnético desarrollado

depende del voltaje al cuadrado a un deslizamiento constante, como se observa en la

ecuación (11), por lo que esto constituye una vía para disminuir la velocidad del motor

de forma continua y con suavidad, si se reduce el voltaje respecto a su valor nominal.

Un incremento del voltaje traería problemas en el aislamiento del devanado del estator y

un cambio en las condiciones de saturación del circuito magnético con sus concebidas

consecuencias.

( ) ( )[ ]2

212

21

223

XXsRRwsRVM

s +++⋅⋅⋅

= (11)

donde:

Figura. 2 Circuito equivalente T del motor asincrónico

El motor asincrónico trifásico, normalmente se energiza desde una fuente trifásica de

corriente alterna balanceada y si el voltaje del estator disminuye, varía la característica


mecánica del motor y por tanto, la velocidad decrece, así como su momento

electromagnético máximo y el coeficiente de sobrecarga.

Para su implementación se requiere de una fuente de corriente alterna variable, por lo

que han sido numerosos los dispositivos que se han elaborado con este fin.

En la actualidad existe gran cantidad de esquemas de conexión a tiristores donde

variando el ángulo de disparo o entrada en conducción de los tiristores se varía el

voltaje efectivo aplicado al motor. En la figura. 3 se muestra un esquema típico de

variación del voltaje efectivo usando tiristores en antiparalelo, para un motor conectado

en estrella.

Figura.3 Variación del voltaje efectivo aplicado al motor mediante el uso de tiristores.

Con el cambio del ángulo de disparo de los tiristores se disminuye el voltaje efectivo

aplicado y este puede ser variado desde cero hasta voltaje nominal, mientras menor sea

el voltaje se presenta un mayor contenido de armónicos de tiempo, de orden superior,

que afectan la operación del motor, incrementando las pérdidas de cobre y las de núcleo.

A pesar de esto, se logra una operación satisfactoria en motores de pequeño y mediano

tamaño, sobre todo cuando estos trabajan con cargas pequeñas.

En el método de control de velocidad por variación de la amplitud del voltaje terminal,

el intervalo de variación de velocidad que se obtiene depende del tipo de carga, de las

características del motor y en particular de su resistencia de rotor. Cuando la resistencia

del rotor es alta, el rango en que se puede variar la velocidad es mayor pero las pérdidas

de cobre en el estator y el rotor aumentan y la eficiencia del motor baja, lo cual es más

crítico a bajas velocidades ya que la relación momento electromagnético a corriente

disminuye por tanto para desarrollar un determinado momento se requiere una mayor

corriente circulando por los devanados del rotor y el estator.


En la figura 4 se observa el efecto de variar el voltaje de entrada entre un 100, 85 y 70 % del

voltaje nominal, para un motor de relativa baja resistencia en el rotor. En la misma puede

apreciarse la disminución del momento máximo, que el intervalo de variación de velocidad

disponible es pequeño y como al disminuir el voltaje la capacidad de sobrecarga baja.

Figura. 4 Características mecánicas del motor al hacer variar el voltaje de entrada.

Sin embargo, para motores con resistencia del rotor más alta, las características de

momento contra deslizamiento se despegan más al variar el voltaje, lo que permite un

intervalo de variación de velocidad mayor para iguales variaciones del voltaje aplicado,

como se muestra en la figura 5.

Figura. 5 Características mecánicas en un motor de mayor resistencia en el rotor


El control de la velocidad variando resistencia en el rotor sólo se efectúa en motores de

rotor bobinado, ya que en los rotores tipo jaula de ardilla está en cortocircuito y es

imposible utilizar este método.

Este método se implementa a través de la colocación de pasos de resistencias en los

devanados del rotor, que se varían de acuerdo con la velocidad deseada (ver figura 6).

Figura. 6 Variación mediante el uso de resistores variables en el circuito del rotor.

Físicamente sucede que inmediatamente después de añadida la resistencia, como los

procesos eléctricos ocurren antes que los mecánicos, la velocidad continúa constante,

disminuyendo la corriente, lo que provoca una disminución del momento en el eje del

motor y que aparezca en este, un momento dinámico negativo que tiende a frenarlo, la

velocidad comienza a disminuir y la fem y la corriente por el rotor a aumentar hasta

llegar a un valor con el cual los momentos de salida y de la carga del motor se

equilibran, lográndose así una disminución final de la velocidad. [1]

Como se conoce el deslizamiento máximo o crítico aumenta con el aumento de la

resistencia, lográndose así las características mecánicas que se muestran en la figura 7.

Figura. 7 Características mecánicas obtenidas mediante la variación de resistencia.


Gráficamente también se puede analizar como para cargas de momento constante, el

deslizamiento aumenta cayendo la velocidad.

Si se desea demostrar matemáticamente tenemos que, partiendo de (11), como el

momento es constante, se puede escribir la siguiente expresión donde se ve la

dependencia lineal de ambas magnitudes.

( ) ( )2

212

21

2

XXsRRsRA

+++= (12)

donde:

232

VpfMcA

⋅⋅⋅⋅

=π (13)

( ) ( )( ) ( )

( ) ( ) ( )( )

( )

ACABBsR

CsRBsRA

XXRAsRARAsR

XXAsRsRAsRRARA

sRXXAsRRA

CB

⋅⋅⋅−±−

=

=+⋅+

=++⋅++−−

=+⋅+−+⋅⋅+⋅

=+⋅++⋅

24

0

01

02

2

2

22

2

221

21

2212

2212

2221

21

22

212

21

444 3444 2144 344 21

Para momento constante, A, B y C son constantes, luego el cociente de R2 / s también es

constantes, por tanto si aumenta R2 aumenta s.

( ) ( ) ( )""2

''22 sRsRsR == (14)

Hay que señalar que para cada valor de momento existen dos valores de deslizamiento,

como se observa en la figura 8.

Figura. 8 Características de momento contra velocidad, donde para cada valor de

momento hay dos de deslizamiento.


En resumen, este método se utiliza en motores asincrónicos de rotor bobinado, es

sencillo de implementar y su costo inicial es relativamente bajo, el intervalo o diapasón

del control es pequeño para máquinas de alta resistencia y si el reóstato de control se

puede variar suavemente, la variación de velocidad es gradual y por tanto suave. La

mayor desventaja del método radica en el incremento de las pérdidas de cobre con el

aumento de la resistencia del rotor, energía eléctrica que se convierte en calor y no

realiza trabajo útil.

Las cascadas asincrónicas permiten un control de la velocidad de forma suave y

económica, con la eficiencia prácticamente invariable, pero los gastos de inversión

inicial en máquinas auxiliares y convertidores encarecen mucho la instalación.

Por esto, este tipo de control se recomienda para máquinas de mucha potencia, en el

orden de los cientos y miles de kW.


• 1 amperímetros T-370 (escala de 5 para la corriente de la armadura de del

generador)

• 1 amperímetros T-370 (escala de 2.5 para la corriente de campo del generador)

• 2 reóstatos trifásicos de 470 Ω, 1000W. (REOSTATO-3500 uno para la carga

del generador y el otro para variar la resistencia del rotor del motor)

• 1 reóstatos para el campo del generador

• 1 motor de rotor bobinado AL-306

• 1 generador de CD AL-506

• 1 taco generador

• 1 módulo medida rpm-3000

• 1 módulo conmutador 3/3.

• 1 módulo rectificador monofásico puente.

• 1 módulo RT-311.

• 1 módulo CONT-153.

• 1 módulo pulsador.

• cable de conexiones



• No realizar ninguna conexión en el circuito sin la autorización del profesor.

• No tocar las partes energizadas del circuito.

• No apoyarse sobre el banco de ensayo, ni sobre los instrumentos.

• Energice primero control y después fuerza.

• No efectuar cambios de escala en los instrumentos cuando esté funcionando el

accionamiento.

• No tocar ni manipular el equipamiento de fuerza cuando el mismo se encuentre

funcionando.

• Para desenergizar debe hacerlo en el siguiente orden: primero fuerza y después

control.

Técnica operatoria:

1. Trazar la característica natural del accionamiento

Figura 9. Circuito a montar

1.1 montar el circuito de control de la figura 4 del anexo 1

1.2 montar del motor del la figura 2 del anexo 1

1.3 montar el circuito para la alimentación del campo figura 7 del anexo 1

1.4 conectar el tacogenerador y ponerlo en escala de 3000 rpm

1.5 colocar la excitación del generador en 0.5 A y desconectarlo

1.6 ajustar la Rd en su máximo valor

1.7 arrancar el motor y comenzar a disminuir Rd poco a poco en la medida que

el motor se acelere


1.8 conectar el campo y varíe su resistencia de carga, de forma que, se vayan

obteniendo los valores de corriente indicados en la tabla (1). Para cada valor

de corriente por el amperímetro, anote la velocidad

Tabla.1 Valores de velocidad para trazar la característica natural

Velocidad (r.p.m.) Corriente de armadura (A)

0.8

1.5

2.0

2.5

3.0

2. Trazar la característica mecánica para Rext =5% de Rd


el motor se acelere hasta el 5% de la misma.



de corriente por el amperímetro, anote la velocidad.

3. Tabla.2 Valores de velocidad para trazar la característica para Rext =5% de Rd

Velocidad (rpm) Corriente de armadura(A)

0.7

0.8

1.5

2.0

2.5

3.0


4. Trazar la característica mecánica para Rext =15% de Rd


el motor se acelere hasta el 15% de la misma.



de corriente por el amperímetro, anote la velocidad

Tabla.3 Valores de velocidad para trazar la característica para Rext =15% de Rd


0.7

0.8

1.5

2.0

2.5

3.0

Para calcular el momento de salida de la máquina que se desea obtener la característica

mecánica hay que seguir los pasos que se explican el laboratorio 1

Informe a presentar






Desarrollo.

• Datos nominales y parámetros del sistema.



• Tabulación de los datos obtenidos.

• En un solo gráfico trazar la característica natural, la característica

mecánica para un 5% y un 15% de Rd en un mismo gráfico.

Comparar resultados



Práctica de laboratorio 5 “Dispositivos para la instalación y protección de motores

eléctricos”

Objetivos

1. Observar las partes componentes de los dispositivos empleados para el control y

la protección de los motores eléctricos

2. Comprobar experimentalmente el principio de funcionamiento de los

dispositivos de control electromagnético

3. Montar circuitos típicos de control y de fuerza sencillos, así como comprobar

experimentalmente el principio de funcionamiento de los mismos

Fundamento teórico

Los sistemas automáticos de dirección (SAD) pueden clasificarse de diferentes formas

atendiendo a si se recibe o no información directa del comportamiento de la salida,

pueden ser: de lazo abierto o de lazo cerrado. En los sistemas de lazo abierto no se

recibe información directa de la salida o variables controladas y la acción de control se

lleva a cabo sobre la base de un programa dado o de acuerdo con el comportamiento de

determinadas perturbaciones que son muy influyentes en el comportamiento del

sistema. Los sistemas a lazo cerrado son aquellos que reciben información directa de la

salida del sistema.

Una importante clasificación de los SAD utilizados en los accionamientos eléctricos se

relaciona con la función fundamental que se realiza y el nivel o profundidad de la

automatización. De acuerdo con lo anterior, se dividen estos sistemas en grupos

realizadores de distintas funciones. En esta práctica analizaremos los dispositivos que

componen los SAD realizadores de la primera función.

- Realizadores de la primera función: son los sistemas que se encargan de llevar a

cabo el arranque, frenaje e inversión automática de los motores eléctricos

utilizando dispositivos tales como: relés y contactores, los cuales requieren para

su funcionamiento solamente una pequeña fracción de la potencia que son

capaces de manejar. Son sistemas que trabajan, generalmente, a lazo abierto.

El relé electromecánico es un dispositivo compuesto por una o varias bobinas y un

circuito magnético que posee un elemento móvil con respecto a otro. El movimiento de


este elemento da lugar al cambio de estado de los contactos. Cuando a la bobina se le

aplica un valor de voltaje o corriente apropiados, el flujo magnético que circula a través

del circuito magnético crea una fuerza que pone en movimiento a los contactos.

Aquellos contactos que se encuentran abiertos cuando la bobina no está energizada se

denominan normalmente abiertos y los que se encuentran cerrados en las mismas

condiciones (bobina desenergizada) se denominan normalmente cerrados.

Evidentemente al energizarse la bobina los contactos normalmente abiertos se cierran y

los cerrados se abren en un 0≈Δt . En la figura 1a), se muestra el símbolo de la bobina

de un relé, en la 1b), el del contacto normalmente abierto, en la 1c), el contacto

normalmente cerrado de esta bobina. En la 1d), se muestra el símbolo de la bobina de

voltaje de un relé de bobinas múltiples y en la 1e), el símbolo de una bobina de

corriente, o sea, aquella que trabaja en función de la corriente y no del voltaje.

Figura. 1 Simbología de los relés electromecánicos

En muchos esquemas de arranque, frenaje o inversión de los accionamientos se utiliza el

mando en función del tiempo, en los cuales la actuación de los relés debe producirse en

un determinado período de tiempo con el objetivo de llevar a cabo la acción del mando.

En estos casos se utilizan los denominados relés de tiempo, los cuales hacen actuar sus

contactos después de transcurrido un tiempo de energización o desenergización del relé.

Debe señalarse que todo relé presenta la característica de que en él transcurre siempre

un tiempo desde el instante en que el relé se energiza o desenergiza hasta que lleva a

cabo la actuación de sus contactos, pero los relés de tiempo se caracterizan porque este

tiempo es generalmente mayor que el de un relé instantáneo, pudiendo ser de hasta

algunos minutos, porque puede ser ajustado de acuerdo con las necesidades del control.

[9]

Existen varios tipos de relés de tiempo: los de mecanismo de relojería los cuales poseen

un motor que hacen accionar los juegos de contacto mediante un mecanismo de reloj;

este tipo de relé posee contactos normalmente abiertos con tiempo para cerrar y

normalmente cerrados con tiempo para abrir. Con estos relés se pueden obtener rangos

de tiempo desde unos pocos segundos hasta horas. También se les conoce como relés de

tiempo en la conexión. En la figura 2a) se muestra el símbolo de este tipo de relé, en la


2b) se muestra su contacto normalmente abierto con tiempo para cerrar y en la 2c) su

contacto normalmente cerrado con tiempo para abrir.

Figura 2. Simbolología de los relés de tiempo a la conexión

Otro tipo de relé de tiempo son los de disminución paulatina de flujo, los que se

conocen como relés de tiempo en la desconexión. Estos operan con corriente directa y

poseen contactos normalmente abiertos con tiempo para abrir y normalmente cerrados

con tiempo para cerrar; los mismos están compuestos por: el juego de contactos, la

bobina, la armadura, la camisa de cobre y el núcleo. Con este tipo de relé se pueden

lograr retardos hasta de 7 segundos. En la figura 3a) puede verse, el símbolo de un relé

con tiempo en la desconexión, en la 3b) su contacto normalmente cerrado con tiempo

para cerrar y en la 3c) su contacto normalmente abierto con tiempo para abrir.

Figura 3. Simbolología de los relés de tiempo en la desconexión.

Un contactor magnético es un dispositivo que actúa por medios electromagnéticos para

establecer e interrumpir repetidamente circuitos eléctricos de potencia. Las principales

partes de un magnético son: el electromagneto, los contactos y el apagachispas.

Poseen contactos de fuerza a través de los cuales circula la corriente de carga y

contactos auxiliares los cuales se utilizan solamente en los circuitos de control. Existen

contactores magnéticos de corriente alterna y corriente directa. Estos últimos se fabrican

según la norma NEMA para corrientes de interrupción superiores a los 600 A.

Los magnéticos de CA constan de un núcleo laminado y aislado entre láminas para

reducir las pérdidas por corrientes parásitas. Existen núcleos de dos tipos: “C” y “E”. El

tipo “C” posee dos torres y el tipo “E” posee tres torres enrollándose la bobina en la

parte central. Cuando la bobina del magnético de CA se energiza, la corriente

magnetizante y el flujo pasan a través de cero, dos veces en cada ciclo y la armadura

tiende a abrir momentáneamente cada vez que el flujo se invierte, este efecto se conoce


como el parpadeo del magnético, causando ruido y una reducción de la vida útil del

equipo; para eliminar este efecto se pone una bobina auxiliar, llamada bobina o polo

sombra; lo cual no es más que un lazo o anillo en cortocircuito de material conductor

formando una espira en la cual se induce corriente alterna bajo la acción del flujo

principal del magnético. El resistor y el reactor de la bobina de sombra son de una

relación tal que la corriente inducida está atrasada aproximadamente 120° al flujo

principal, de modo que cuando el flujo principal pasa por cero, la bobina de sombra

contribuye con su flujo auxiliar a mantener cerrado la armadura del magnético.

Para evitar que el magnético permanezca cerrado cuando se desenergiza su bobina, en

su núcleo se deja un espacio de aire intencional que para los núcleos tipo “E” se deja en

la parte central, por lo que la misma es ligeramente más corta que las restantes.

El voltaje de conexión de los magnéticos es de 65% del valor nominal, para evitar que

los mismos se desenergicen ante pequeñas fluctuaciones del voltaje de la línea.

El apagachispas es la estructura utilizada para la interrupción del arco, la cual

contribuye a debilitarlo para lograr su extinción en forma rápida. Además, esto evita que

producto del arco pueda existir cortocircuito entre los polos del magnético.

En la instalación de los motores eléctricos se debe tener en cuenta que los mismos

deben ser correctamente protegidos. En la práctica se emplean dos tipos fundamentales

de protecciones para este fin: los de sobrecarga y los de cortocircuito.

Las protecciones contra sobrecarga no accionan instantáneamente, sino que demoran

cierto tiempo para desconectar el motor de la línea. Así se evitan desconexiones

innecesarias del motor en caso de que existan variaciones de carga alrededor del valor

de la corriente nominal de la máquina. Las protecciones contra sobrecargas más usadas

son las térmicas, las cuales se calibran entre 1.15 Inom o 1.25 Inom si el motor es de

carcasa cerrada o abierta respectivamente.

Las protecciones contra cortocircuito operan instantáneamente. Se seleccionan entre 2

y 4 veces la Inom, dependiendo del tipo de motor y el método de arranque; los más

utilizados son los fusibles y breakers.


• Contactores magnéticos.

• Relé instantáneo.

• Relé de tiempo de mecanismo de relojería.


• Relé de tiempo de disminución paulatina de flujo.

• Estación de pulsadores.

• 1 motor Al-506 de CD.

• 1 módulo SEÑALIZAC.

• Fuente de suministro de 24V DC del Alecop.

• 1 destornillador.

• Cables de conexiones.



profesor.


• No golpear ni apoyarse en los instrumentos y motores.

Técnica operatoria

o Primeramente el profesor mostrará la forma de arme y desarme del

contactor magnético, así como las distintas partes que lo componen. Con

posterioridad los estudiantes practicarán el arme y desarme del mismo

o Se les mostrará a los estudiantes un relé instantáneo y para comprobar su

funcionamiento se montará el siguiente circuito:

Figura. 4 Circuito a montar para comprobar el funcionamiento del relé

instantáneo.


o Se les mostrará a los estudiantes un relé de mecanismo de relojería y se

les explicará el principio de funcionamiento enfatizando en las partes que

lo componen y las formas de ajustar el tiempo deseado. Para comprobar

su funcionamiento se montará el siguiente circuito:


Figura. 6 Circuito para comprobar el funcionamiento del relé de mecanismo

de relojería


o Se les mostrará a los estudiantes un relé de disminución paulatina de

flujo y se les explicará el principio de funcionamiento del mismo y las

formas de ajustar el tiempo deseado. Para comprobar su funcionamiento

se montará el siguiente circuito:

Figura 8. Circuito a montar para comprobar el funcionamiento del relé de

disminución paulatina de flujo.

o Mostrar a los estudiantes las protecciones térmicas.

o Mostrar a los estudiantes las protecciones contra cortocircuito.

o Montar el siguiente circuito:

Figura 9. Circuito para el arranque y parada de un motor utilizando un contactor

magnético



Informe a presentar






Desarrollo.


• Descripción del principio de funcionamiento de cada uno de los

dispositivos empleados en la práctica.

• Explicar el principio de funcionamiento de los circuitos montados y

concluir si realmente ejecutaron la secuencias de operación para las

que fueron diseñados.

Comparar los resultados.

Obtener conclusiones.


Práctica de laboratorio 6 “Circuitos típicos utilizados en algunas aplicaciones de

los accionamientos eléctricos”

Objetivos

1. Montar y comprobar experimentalmente el principio de funcionamiento de circuitos

típicos utilizados en algunas aplicaciones de los accionamientos eléctricos.

Fundamento teórico

Las reglas para el diseño de los circuitos de control son:

1. El esquema diseñado debe cumplir con todos las instrucciones impuestas

2. Las estaciones de pulsadores deben tener sus correspondientes sellajes

3. Por el contacto de una protección térmica no puede circular una corriente de más de

3 bobinas

4. Por los contactos de un relé o contactos auxiliares de un contactor magnético no

debe circular la corriente de más de 5 bobinas

5. Cada elemento y sus partes componentes deben estar representados según las

normas vigentes

6. No se deben colocar bobinas en series de contactores magnéticos a no ser que sean

bobinas de corriente

7. Cuando se usan elementos cuyos efectos son mutuamente excluyentes deben estar

provistos de elementos de bloqueo

8. En un mismo dispositivo primero se abren los contactos que están cerrados antes de

cerrarse los que están abiertos


• Contactores magnéticos

• Relés instantáneos

• 1 Relé de tiempo de mecanismo de relojería (escala 6 segundos)

• 3 Relé de tiempo de mecanismo de relojería (escala 60 segundos)

• Estación de pulsadores

• 2 Motores Al-506 de CD

• 2 Motores Al-1106 de CA

• 1 módulo SEÑALIZAC


• Cables de conexiones

Medidas de seguridad:


profesor.


• No golpear ni apoyarse en los instrumentos.

Técnica operatoria

o Montaje del siguiente circuito

Figura 1. Circuito de control de un semáforo

2.1 montar el circuito de la figura 15 del anexo1, verificar su

funcionamiento

o Montaje del siguiente circuito

Figura 2. Circuito de control y fuerza del arranque secuencial de dos motores



2.2 montar el circuito de la figura 6 del anexo 1 pero no los acople

mecánicamente

2.3 pulsar el botón del START y verificar su funcionamiento

3. Montaje del siguiente circuito

Figura. 3 Circuito de control y fuerza para el arranque y parada secuencial de dos motores

3.1 Monte el circuito que se muestra en la figura 17 del anexo 1.

3.2 Repita los pasos 2.2 y 2.3.

Para la obtención de un frenaje dinámico en un motor de corriente alterna hay

que desconectar la alimentación y aplicar un voltaje de corriente directa entre

dos de los terminales del motor. Para esto es necesario limitar la corriente por el

devanado de menor impedancia. Teniendo en cuenta que el motor que se

utilizará está conectado en delta, dos de sus devanados quedan en serie y a la vez

en paralelo con el otro, por tanto la corriente que circula por el devanado de

menor impedancia es dos tercios de la corriente total en el frenaje.

4. Montar el circuito de la figura 4, como se puede apreciar en la misma el límite

de la corriente de frenaje se ha tomado como 1.8 la corriente nominal.


Figura 4. Circuito para la determinación del voltaje de corriente directa a usar en

el frenaje

4.1 conectar la fuente SG-280 y regular el voltaje de manera que circule por el

amperímetro 1.8 la corriente nominal

4.2 desconectar el motor y leer el voltaje en los terminales de la fuente (esto se

hace debido a la mala regulación que tiene dicha fuente)


4.4 montar el siguiente circuito y comprobar su funcionamiento

Figura. 6 Circuito de control y fuerza del arranque y frenaje dinámico de un

motor asincrónico trifásico.

4.5 montar la figura 18 del anexo 1


4.7 pulsar el botón del START y verificar su funcionamiento

4.8 para obtener el frenaje natural de dicho motor arranque el motor y pulse el

botón STOP de la estación de pulsadores

Como en el Alecop no hay relés de tiempo en la desconexión o de disminución

paulatina de flujo, el siguiente esquema de contactos que mostramos no se puede

montar, en el laboratorio 221, pero sí en el laboratorio 233.


Figura 7. Arranque y parada secuencial de dos motores implementado con relés de

tiempo en la desconexión

Informe a presentar





Objetivos del mismo

Desarrollo


• Explicar el principio de funcionamiento de los circuitos montados

• Concluir si realmente ejecutaron las secuencias de operación para los

que fueron diseñados


Capítulo II Prácticas de laboratorio de accionamiento eléctrico II

CAPÍTULO II PRÁCTICAS DE LABORATORIO DE ACCIONAMIENTO

ELÉCTRICO II

Práctica de laboratorio 7 “Autómata programable S5-95U”

Objetivos

1. Familiarizar al estudiante con el autómata programable S5-95U

2. Montar con el S5-95U y comprobar experimentalmente circuitos típicos utilizados

en algunas aplicaciones de los accionamientos eléctricos.

Fundamento teórico

Un autómata programable AP o PLC es toda máquina electrónica multiprogramable

diseñada para controlar en tiempo real y en medio industrial procesos secuenciales.

Cuya característica esencial es la de cambiar a voluntad del usuario el proceso

secuencial para cuya realización está programado. Uno de los empleos fundamentales

que se les da en la industria hoy es el de realizar la sustitución de paneles de control

constituidos por elementos tradicionales del accionamiento.

Un PLC suele emplearse en procesos industriales que tengan una o varias de las

siguientes necesidades:

• Espacio reducido

• Procesos de producción periódicamente cambiantes

• Procesos secuenciales

• Maquinarias de procesos variables

• Instalaciones de procesos complejos y amplios

• Chequeo de programación centralizada de las partes del proceso

Las ventajas de su utilización no se limitan simplemente al mejoramiento del proceso

técnico, sino también a las que se enumeran a continuación:


• Gran versatilidad. Posibilidad de introducir modificaciones sin cambiar el cableado ni

añadir aparatos

• Facilidad de programación

• Simplificación en el diseño de instalaciones

• Menor tiempo de elaboración de proyectos

• Menor necesidad de espacios que con la utilización de relés

• Mucha mayor rapidez en el desarrollo de las operaciones destinadas al control de la

máquina y/o el proceso

• Gran capacidad en la detección y corrección de averías

• Gran fiabilidad

La desventaja fundamental de los PLC radica en el costo que en ocasiones resulta

elevado además para su programación es necesario entrenar personal lo que frena su

utilización en muchas ocasiones. Sin embargo, el hecho de que en lo fundamental el

costo inicial sea el elemento a tener en cuenta cuando se trata de la aplicación de estos

dispositivos se ha de analizar la inversión inicial, que por lo general se paga en tiempos

muy pequeños debido a las facilidades ya explicadas.

El término estructura interna se refiere al aspecto físico del autómata, a los bloques o

elementos en que está dividido.

• Estructura compacta.

• Estructura modular.

La estructura compacta de los autómatas se distingue por presentar en un solo bloque

todos sus elementos, o sea fuente de alimentación, CPU, memorias, entrada / salida.

La estructura modular se divide en módulos o partes del mismo que realizan funciones

específicas.

La estructura interna tiene que ver con las distintas partes componentes del AP, la cual

se distingue por tres partes esenciales:

• La sección de entrada

• La CPU


• La sección de salida

Además existen otros componentes que resultan importantes para el correcto

funcionamiento del PLC como son:

• La unidad de programación

• La fuente de alimentación

• Los periféricos

• Las interfases

• Las memorias

La sección de entrada se identifica por la indicación ENTADA o INPUT. La misma se

encarga de modificar y adaptar de forma comprensible a la CPU las señales de los

dispositivos de entrada, además protege al AP aislándolo eléctricamente del exterior.

La CPU constituye el centro de PLC. Aquí se realiza la parte fundamental del trabajo

del mismo, se interpretan las instrucciones del programa, se leen los valores de las

entradas y se activan las salidas deseadas. La CPU puede estar constituida por un

Microprocesador un Microcontrolador o un circuito ASIC.

Las funciones de la CPU son:

• Supervisión y control del tiempo de ciclo, tabla de datos, alimentación, batería

• Ejecución de auto prueba durante la conexión y la ejecución del programa

• Inicio del ciclo de exploración del programa y de la configuración del conjunto

• Generación de la base de tiempo

• Comunicación con los periféricos y con la unidad de programación

La sección de salida se identifica por OUTPUT O SALIDA. Es allí donde se conectan o

acoplan los dispositivos de salida o actuadores.

La unidad de programación es un elemento vital para la operación del PLC. Este

dispositivo permite realizar la programación e introducción al autómata de los programas

que va a ejecutar el mismo, en la mayoría de los casos realizar desde una PC, mediante

cable y conectador para realizar la transferencia de datos. [7]


Descripción técnica del autómata programable S5-95U

Tabla.1 Entradas y salidas del S5-95U

ENTRADAS/SALIDAS

Integradas

Máximas

Digitales 32 480 Analógicas 9 41

De contador 2 66 De alarma 4 4

• Las entradas/salidas digitales son del tipo TODO/NADA, con niveles de voltaje de

24V y con aislamiento galvánico.

• Las entradas/salidas analógicas requieren de convertidores A/D o D/A para las funciones

de entrada o salida respectivamente, y que vienen integrados en el autómata o en los

módulos periféricos

• El autómata S5-95U dispone de dos contadores hardware integrados ascendentes de

16bits, (contador A y contador B) con frecuencias de contaje de hasta 2 kHz o 5 kHz

respectivamente. Ambos contadores se pueden conectar en cascada para formar un contador

ascendente de 32 bits.

• Las entradas de alarma son de carácter digital, y permiten la ejecución o procesamiento de

eventos, (alarmas) mediante interrupción de programa

Tabla.2 Descripción de las marcas, contadores y temporizadores

OPERANDO No

remanentes

Remanente

s Marcas de

memorias 0.0.. 63.7

64.

0

.

.

255.

7

Contadores 0.. 7 8..127

Temporizadores --- 0.. 127

• Programación estructurada

• Procesamiento de alarmas


• Programación controlada por tiempo

• Regulador PID

Tabla.3 Módulos funcionales estándar cargables

SOFTWARE Integrad

as Memoria de usuario (1 inst =

2bytes) 16Kbytes

Tiempo de ejecución (1024 inst.) 2ms

Marcas de memoria (512 no

remantes) 2048

Contadores (8 remantes) 128

Temporizadores 128

Tabla.3 (continuación)

Programación estructurada Si

Procesamiento de alarmas Si

Programación controlada por

tiempo Si

Regulador PID Si

Módulos funcionales estándar Si


Figura 1. Descripción frontal del S5-95U

Funcionamiento del autómata y sus unidades funcionales.

• Memoria ROM. Contiene:

El sistema operativo

• Memoria RAM. Contiene:

El programa escrito y compilado.

Imagen del proceso y las imágenes de las alarmas.

Los temporizadores y contadores.

Datos del sistema.

Marcas de memoria.

• Cartucho de memoria EEPROM

El autómata programable funciona cíclicamente, esto es, una vez finalizado el recorrido

completo de un programa, comienza a ejecutar su primera instrucción. Este procesamiento


cíclico se le conoce como ciclo de trabajo y lo comienza la unidad de control consultando

el estado de las señales de todos los módulos y la imagen del proceso, seguidamente la

misma ejecuta cada instrucción realizando los cálculos y operaciones oportunos con los

datos y considerando los estados de los temporizadores y contadores, así como de las

marcas de memorias. Después la unidad de control deposita el resultado del procesamiento

del programa y los transfiere los módulos de salida, ahora queda lista para comenzar un

nuevo ciclo. [7]

Figura 2. Ciclo de trabajo del PLC

Para la programación del S5-95U se usan basicamente tres lenguajes principales, la

lista de instrucciones (AWL), compuertas lógicas (KOP) y esquema de contactos

(FUP). Estos dos últimos lenguajes menos utilizados por su limitante de no poder

emplear una programación anillada o con saltos, por esta razón se expondrá con más

detenimiento el lenguaje de lista de instrucciones.

En el AWL cada línea se corresponde con una instrucción y la misma se compone de

una dirección relativa dentro del módulo, identificador de la operación (obligatorio),

parámetro y su argumento (obligatorio) y comentarios este ultimo opcional. (ver anexo

3)


Figura 3. Formato de una instrucción de AWL

Parámetros

Tabla.4 Operandos del autómata

E Entradas

A Salidas

M Marcas de memorias

D Datos

T Temporizadores

Z Contadores

P Periferia integrada

K Constantes

OB, PB ,SB ,FB, DB Módulos software

• Tipos de Módulos y sus características fundamentales

- Módulos de organización (OB) Son llamados por el sistema operativo del

autómata.

- Módulos de programa (PB) Incluyen el programa de usuario

- Módulos funcionales (FB) Son módulos de programa que pueden ser

parametrizables

- Módulos de datos (DB) Almacenan datos necesarios para la ejecución del

programa

Tabla.5 Características fundamentales de los módulos del S5-95U

OB PB FB DB


Cantidad

8

OB1, OB3,

OB21, OB13

OB22, OB31

OB34, OB251

256

PB0…

PB255

256

FB0…. FB256

254

BD2….

DB255

Longitud 8 Kbytes 8 Kbytes 8 Kbytes 256

palabras

Juego de

operaciones

Operaciones

básicas

Operaciones

básicas

Operaciones

básicas,

complementaria

s y del sistema

Número y

texto

Formas de

representació

n

AWL, FUP, KOP AWL, FUP,

KOP

AWL

Módulos de datos (DB)

• En estos módulos se depositan datos a usar por el programa

• Se admiten los siguientes tipos de datos

- configuraciones binarias

- números en hexadecimal, binario o decimal

- caracteres alfanuméricos

• En cada módulo de datos sólo pueden almacenarse hasta un máximo de 256 palabras

• Para acceder a un módulo de datos, este debe llamarse usando la instrucción A DBx.

Sólo puede estar activo un módulo de datos

• Cada módulo de datos mantiene su validez hasta que se llame a otro módulo de datos.

• Cuando desde un módulo de programa o funcional se llama a un módulo de datos, este se

mantiene activo hasta el retorno del módulo, a partir del cual vuelve a estar activo el

módulo de datos original

• La programación del módulo de datos se puede realizar manualmente o automáticamente

por el programa


• La carga manual requiere de la especificación del tipo de constantes, KH, KT, KF...

después de entrar el número de módulo de datos

Módulos funcionales (FB)

• En estos módulos se programa funciones de control que se presentan con frecuencia

• Estos módulos son parametrizables

El autómata S5-95 dispone de un conjunto de módulos integrados que constituyen la

interfase entre el sistema operativo y el usuario. Estos módulos son:

- OB1: Ejecución cíclica de programa

- OB3: Ejecución del programa controlada por alarmas

- OB13: Ejecución del programa controlada por tiempo

- OB21: Comportamiento en arranque tras conexión manual (STOP RUN)

- OB22: Comportamiento en arranque tras restablecimiento de alimentación

- OB34: Comportamiento tras fallo de batería

- OB31: Perro guardián (ya programado)

- OB251: Algoritmo de regulación PID


• No realizar ninguna conexión en el circuito sin la autorización del profesor


• No golpear ni apoyarse sobre los instrumentos

Instrumentos a utilizar

• Dos motores asincrónicos AL-1106

• Autómata S5-95U

• Estación de pulsadores

• Relés instantáneos

• Relés de mecanismo de relojería

• Computadora personal

• Cables de conexiones


Técnica operatoria 1. Arranque de un motor

Figura 4. Circuito de control para el arranque de un motor usando el autómata


1.2 montar el circuito de la figura 3 anexo 1 (para la conexión del motor)

1.3 encender el PLC

1.4 cargar el programa ARRANQST .S5D.

U E 32.1 = A 32.2 BE

1.5 transferir hacia el autómata dicho programa

1.6 poner el interruptor en posición de RUN

2. Arranque secuencial de dos motores

Figura 5. Circuito de control para el arranque secuencial y parada de dos

motores usando el autómata


2.2 montar el circuito de la figura 3 anexo 1 (para la conexión de los

motores)

2.3 cargar el programa SECAARST .S5D.


Ob1

U E 32.1 SPB PB 1 U T 1 L KT 0010.2 SE T 2 U T 2 SPB PB 2 BE

Pb1

U E 32.1 S A 32.2 L KT 0005.2 SE T 1 U T 1 = A 32.3 BE

Pb2

R A 32.2 R A 32.3 BE

2.4 repetir los pasos 1.5 y 1.6

3. Arranque y parada secuencial de dos motores

Figura 5. Circuito de control para el arranque y parada secuencial de dos

motores usando el autómata.



motores)

3.3 cargar el programa SEARRPST .S5D


Ob1 U E 32.1 SPB PB 1 U T 1 L KT 0015.2 SE T 2 UN T 2 = A 32.4 U T 2 L KT 0010.2 SE T 3 U T 3 = A 32.2 BE

PB1

U E 32.1 L KT 0005.2 SE T 1 S A 32.4 U T 1 = A 32.3

BE 3.4 repetir los pasos 1.5 y 1.6

4. Arranque y frenaje dinámico de un motor de corriente alterna

Figura 6. Circuito de control para el arranque y franje dinámico de un motor de

corriente alterna



motores)

4.3 cargar el programa PARADAST. S5D

Ob1


U E 32.1 SPB PB 1 UN T 1 = A 32.3 UN T 1 L KT 0010.1 SE T 2 U T 2 SPB PB 2 BE Pb1 U E 32.1 L KT 0010.2 SI T 1 U T 1 = A 32.2 BE Pb2 R A 32.3 BE 4.4 repetir los pasos 1.5 y 1.6

Informe a presentar:

El informe de laboratorio se realizará individualmente en trabajo independiente tomando

como base los datos obtenidos durante el desarrollo del laboratorio. Dicho informe deberá

contener:



Desarrollo.


• Explicar el principio de funcionamiento de los circuitos montados.

• Concluir si realmente ejecutaron las secuencias de operación para los

que fueron diseñados.



Práctica de laboratorio 8 “Simulación de un sistema rectificador a tiristores – motor

de corriente directa (CT - MCD) de regulación de velocidad automática”

Objetivos

1. Calcular el modelo matemático del sistema CT –MCD y simular el mismo usando

el Matlab

2. Determinar el ajuste del regulador de corriente o momento

3. Calcular el ajuste del regulador de velocidad

4. Simular un esquema de regulación automática utilizando el principio de

realimentación negativa de velocidad

Fundamento teórico

Modelo matemático del motor de CD excitado independientemente

En la siguiente figura se muestra el esquema equivalente del motor shunt de CD excitado

independientemente. Acoplado al eje del motor se encuentra una carga mecánica de

momento Mc e inercia Jc, el momento electromagnético producido por el motor es Mm y su

inercia Jm. En el motor de CD las variables o coordenadas de salida de interés en su estudio

son: la velocidad, el momento electromagnético y la corriente. Las variables de entrada más

importantes son, en este caso, el voltaje aplicado a la armadura Ua, el voltaje aplicado al

devanado de campo Uexc y el momento de la carga Mc. El planteamiento del modelo

matemático del motor (planteamiento de las ecuaciones diferenciales), se hará realizando

una serie de suposiciones que tienen por objetivo linealizar las ecuaciones diferenciales que

describen matemáticamente a los motores ya que, como es sabido, las funciones

transferenciales y los esquemas estructurales se plantean solo para sistemas lineales.

Suposiciones:

1. Se supone lineal la característica de vacío o magnetización, o sea, se desprecia la

saturación del circuito magnético de la máquina.

2. Se considera despreciable el efecto de la reacción de armadura. Esto quiere decir que el

flujo producido en los polos de las máquinas solo depende de la corriente de excitación.

3. Se supone constante la resistencia del circuito de armadura de la máquina.

4. Se suponen constantes las inductancias de los devanados de excitación y de armadura.


5. Se suponen despreciables las pérdidas mecánicas y de núcleo.

Figura. 1 Motor de CD excitado independientemente.

Aplicando la segunda ley de Kirchoff en el circuito de armadura se obtiene:

aa

mamaaa edtdi

LRiu +⋅+⋅= εε (V) (1)

donde:

compdeverpolosama RRRR .int ++=ε : Resistencia total del circuito de armadura del motor.

compdeverpolosama LLLL .int ++=ε : Inductancia total del circuito de armadura del motor.

ae : fuerza electromotriz (fem) inducida en la armadura del motor.

Aplicando la segunda ley de Kirchoff en el circuito de campo se obtiene:

dt

diLiRu exc

excexcexcexc +⋅= (V) (2)

Aplicando además la ecuación del movimiento:

( )dtdwJJMM cmcm ++= (J) (3)

Las dos primeras ecuaciones son eléctricas y la tercera mecánica. Estas ecuaciones son

generales y sirven para analizar cualquier esquema de que el motor forme parte, ahora bien,

en la mayoría de los casos, el motor de CD es utilizado en los sistemas automáticos de

control (SAD) en los cuales la excitación es constante y, por tanto, la ecuación (2) no es

necesaria en el análisis transitorio.


Utilizando las ecuaciones (1) y (3) y las que relacionan las variables eléctricas con las

mecánicas, puede obtenerse el esquema estructural de un motor de CD. Las ecuaciones que

relacionan las variables eléctricas con las mecánicas son en este caso dos, la primera es:

wkea ⋅⋅= φ (V) (4)

donde:

a

Npk⋅⋅

⋅=

π2: Coeficiente de diseño.

p: pares de polos de la máquina.

N: número de conductores totales activos de la armadura

φ : flujo bajo de cada polo en el entrehierro (Wb)

w: velocidad angular de la armadura (rad/seg)

a: pares de ramas en paralelo del circuito de armadura

y la segunda es:

am ikM ⋅⋅= φ (5)

Sustituyendo las ecuaciones (4) y (5) en las ecuaciones (1) y (3) se obtiene:

wkdtdi

LRiu amamaaa ⋅⋅+⋅+⋅= φεε (6)

y dtdwJMik ca εφ +=⋅⋅ (7)

donde:

εJ : Momento de inercia equivalente en el eje del motor. ( 2segmKg ⋅ )

Diagrama en bloques del motor shunt de CD excitado independientemente

Para obtener los diagramas de bloques y las funciones transferenciales aplicamos la

transformada de Laplace a las ecuaciones (6) y (7), y haciendo algunos arreglos en las

ecuaciones se obtienen las expresiones siguientes:

( ) ( ) ( ) )(sEsIsLRsIsU aamamaaa +⋅⋅+⋅= εε (8)

( ) ( ) ( )sTRsIsEsU emaaaa +⋅⋅=− 1)( ε (9)

( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+⋅

−=+⋅

−=

sTRsEsU

sTRsEsU

sIema

aaema

aaa 1

11 εε

(10)


aplicando la transformada de Laplace a la ecuación (7) se obtiene:

( ) ( ) ( )( )φ

ε

ksTR

sIsIsWm

maca ⋅

−= (11)

donde:

ma

mae R

LT

ε

ε= : constante de tiempo electromagnética del motor. (12)

φ⋅

=kM

I cc : corriente de armadura equivalente a la carga mecánica. (13)

( )2φ

εε

⋅

⋅=

kRJ

T mam : constante de tiempo electromecánica del motor. (14)

En la práctica, todos los motores eléctricos poseen la propiedad de que su velocidad

disminuye con el aumento del momento. Esto se relaciona con todos los motores eléctricos

utilizados en la industria, tanto de CD como asincrónicos. Sin embargo, el grado de

variación de la velocidad con el momento es diferente y está caracterizado por la rigidez de

sus características mecánicas (w vs M).

Figura.2 Características mecánicas de los motores eléctricos

La característica (1) corresponde a un motor shunt o de excitación paralela de CD; la (2), a

un motor asincrónico de CA; la (3), a un motor sincrónico de CA y la (4), a un motor serie

de CD. La constante de tiempo electromecánica del motor puede ser expresada también en

función de dicha rigidez:

βεJ

Tm = (15)

donde:


maR

c

ε

β2

= : Rigidez de la característica mecánica. (16)

φ⋅= kc (17)

Con estas expresiones se lleva a cabo el esquema estructural o diagrama de bloques del

motor de CD que aparece en la figura 3.

Figura. 3 Diagrama de bloque del motor de CD excitado independientemente de I vs U.

Este diagrama muestra la estructura de un lazo de control en el que la variable controlada es

la velocidad w, que se realimenta con fuerza electromotriz inducida ea. La variable de

referencia es voltaje inducido Ed y la variable perturbadora es la corriente de armadura

equivalente a la carga mecánica. El circuito de armadura (elemento retardador de primer

orden) constituye en este caso el controlador y la parte mecánica (elemento de acción

integral) representa el sistema controlado.

La relación e

m

TT

M = determinará las propiedades dinámicas del motor, o sea, la relación de

amortiguamiento y el nivel de oscilaciones en la respuesta transitoria de velocidad entre

una variación brusca del voltaje de armadura.

Analizando las funciones transferenciales del motor de CD excitado independientemente

debe hacerse una observación importante. Este motor puede considerarse como un

elemento cuyo eslabón matemático es de segundo orden. Esto se debe a que en el motor

existen dos elementos almacenadores de energía: la inductancia de la armadura y la inercia

del motor y la carga.

Existen otros diagramas de bloques utilizados para representar el motor de CD, los cuales

se obtienen de manera similar al anterior, uno de ellos se muestra a continuación:


Figura. 4 Diagrama de bloque del motor de CD excitado independientemente M vs U.

( ) ( ) ( ) ( )⎥⎦⎤

⎢⎣

⎡+

−=sTR

csEsUsMema

aaa 1ε

( ) ( ) ( ) ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⋅

−=sT

sMsMsWm

ca β1

Modelo matemático y diagrama de bloques del convertidor a tiristores

El convertidor a tiristores constituye uno de los elementos fundamentales en los SAD de

accionamientos eléctricos modernos. Se hace por tanto necesario conocer cómo puede

representarse matemáticamente como un eslabón de los esquemas de regulación. Una de las

principales ventajas del Convertidor a Tiristores (CT) sobre el generador de CD, como

componentes de un SAD, es precisamente su mayor rapidez de respuesta ya que no tiene

elementos que introduzcan retardos de tiempo apreciables. Este retardo de tiempo es en

realidad variable ya que depende de la configuración del convertidor y de los componentes

de su circuito de disparo. Para facilitar los cálculos vamos a suponer que el convertidor es

3φ y totalmente controlado y representa un eslabón de primer orden cuya constante de

tiempo Tc ≈ (1 ÷10) mseg.

La variable de entrada al convertidor es el voltaje de mando aplicado al circuito de disparo

(Uy), la variable de salida es el voltaje medio rectificado en vacío (Ed), tal como se muestra

a continuación:

Figura. 5 Esquema simplificado del convertidor a tiristores.


La función transferencial del convertidor queda entonces, de la siguiente forma:

sTK

UE

e

c

y

d

+=

1 (18)

El valor de la ganancia Kc es igual a:

απ

senU

UK

y

tc ⋅

⋅⋅⋅

=max

2

235,1

(19)

Como se ve, el eslabón correspondiente al convertidor a tiristores no es lineal ya que la

ganancia Kc depende del ángulo de disparo α. Si se investiga el comportamiento del

sistema alrededor de un punto de trabajo, puede seleccionarse el valor de ganancia que

corresponde a dicho punto. En caso contrario se escoge el valor promedio de los valores de

ganancia correspondiente al diapasón de ángulos de disparo con que trabajará el sistema.

Debe señalarse que existen circuitos de disparo (como el mando cosenoidal), para los

cuales Kc es constante.

max

max

dc

y

EKUΔ

= (20)

Sistema del convertidor a tiristores-Motor de corriente directa

Por tanto, ya tenemos todos los elementos necesarios para comenzar a conformar el

diagrama de bloques del sistema CT– MCD.

aa

tataad edtdi

LRie +⋅+⋅= εε (21)

Aplicando transformada de Laplace:

( ) ( ) ( ) )(sEsIsLRsIsE aatataad +⋅⋅+⋅= εε (22)

( ) ( ) ( )sTRsIsEsE etaaad +⋅⋅=− 1)( ε (23)

( ) ( ) ( )( )sTR

sEsEsI

eta

ada +⋅

−=

1ε

(24)

donde:

ta

tae R

LT

ε

ε= : constante de tiempo electromagnética del sistema (25)


taR ε : resistencia total del circuito de armadura, está dada por:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ Δ⋅+++⋅+

⋅⋅

=nom

armat

tta I

UnRRRn

XmR εε π2

1.1 (26)

π⋅

⋅2

tXm: resistencia debido a la conmutación en el convertidor

tX : reactancia de las fases del transformador

m : número de brazos del convertidor

tR : resistencia activa de las fases del transformador

nom

a

IUn Δ⋅ : resistencia en la conducción de los tiristores

aUΔ : caída de voltaje en los tiristores

n : número de fases o tiristores por los que circula la corriente de carga

nomI : corriente nominal del motor

rR : resistencia de la bobina de alzamiento

maR ε : resistencia de armadura del motor

taL ε : inductancia total del circuito de armadura, está dada por:

trmata LnLLL ⋅++= εε (27)

maL ε : inductancia de armadura

rL : inductancia del reactor de alimentación

tL : inductancia de fase del transformador

El coeficiente 1,1 tiene en cuenta la resistencia de los cables.

Tabla 1 Valores de m y n para los diferentes tipos de rectificadores.

Rectificador n(fase del T que trabaja). m(# de pulsaciones)

1φ O.C puente 1 2

1φ O.C center-tap 1 2

3φ nulo 1 3

3φ puente 2 6


La ecuación de la parte mecánica del sistema queda:

cdwM M Jdtε− = (28)

Aplicando Laplace:

( ) ( ) ( )sWsJsMsM c ⋅=− ε (29)

( ) ( ) ( )sJ

sMsMsW c

ε

−= (30)

Realizando las mismas transformaciones que para el caso del diagrama de bloque del motor

se pueden obtener los siguientes diagramas de bloques del CT-M:

Figura. 6 Diagrama de bloque del sistema CT-MCD

La función transferencial del sistema CT-MCD queda:

sT

KUE

c

c

y

d

+=

1 (31)

multiplicando la expresión anterior en el numerador y en el denominador por la constante c:

( )

sTK

Uc

cE

c

c

y

d

+=

1 (32)

obtenemos:

sT

KU

cw

c

c

y +=

10 (33)

de donde:

sTc

K

Uw

c

c

y +=

10 (34)


Figura. 7 Diagrama de bloque del sistema CT-M.

donde:

c

KK cc =' (35)

taR

c

ε

β2

= : rigidez de la característica mecánica del sistema CT-MCD (36)

Los sistemas CT-MCD se distinguen por su rápida velocidad de respuesta y por su alta

eficiencia. Las pérdidas de energía en los tiristores, cuando por los convertidores fluye la

corriente nominal, es de 1 ÷ 2% de la potencia del convertidor. Por este motivo, teniendo en

cuenta incluso las pérdidas en el reactor y en el transformador, estos tienen una alta

eficiencia.

No obstante el sistema CT-MCD tiene limitaciones en sus posibilidades técnicas en lo que

respecta al frenaje y la inversión del sentido de giro, por lo que se hace necesario utilizar

otro convertidor en antiparalelo con el primero para que de esta forma se pueda utilizar uno

en régimen de rectificación y el otro en régimen de inversión (cuatro cuadrantes).

Otra insuficiencia de estos sistemas es la disminución del factor de potencia y el incremento

de los armónicos en la línea para un incremento del ángulo de disparo (α ). Para incrementa

el factor de potencia se utilizan instalaciones filtro-compensadoras; no obstante, estas

instalaciones aumentan de 1,5 a 2 veces el tamaño y el peso del sistema e incrementan su

costo.

Modelo matemático de un CT– MCD de regulación automática con realimentación

negativa de velocidad


Figura. 8 Modelo matemático de un lazo de regulación de velocidad.

Ahora a este diagrama se le han insertado dos lazos de control, uno interno, el de corriente

o momento y otro externo de velocidad. La señal de corriente es tomada a través de un

shunt de la armadura y realimentada al regulador de corriente y comparada con la salida del

regulador de velocidad. La señal de salida del regulador de momento es la entrada al

circuito de mando del convertidor a tiristores (este pulso de mando lo que provoca es una

variación del ángulo de disparo lo cual trae consigo una transición del voltaje en los

terminales del convertidor). En el lazo de velocidad la señal del tacogenerador es

realimentada al regulador de velocidad donde se compara con la referencia lo que provoca

que cuando ocurra un aumento de la carga y disminuya la velocidad de rotación del motor

disminuye el voltaje del taco y aumenta la señal de error, esto hace que varíe la salida del

regulador trayendo consigo que varíe el ángulo de encendido de los tiristores y, por lo

tanto el voltaje en los terminales del motor aumentando su velocidad.

La función del lazo interno de corriente es aumentar la rapidez de respuesta del sistema y

limitar la corriente en el circuito de fuerza. Este lazo se subordina al de velocidad ya que la

entrada del mismo depende de la salida del de velocidad.

Si el amplificador operacional del regulador de velocidad se satura, su voltaje de salida no

se puede aumentar aunque aumente su entrada, tendiendo el lazo de regulación interno a

limitar la corriente.

Para una buena selección de los parámetros del regulador de corriente, debe coincidir la

saturación del amplificador operacional con el valor de corriente máxima deseada en el

circuito de fuerza.


La calidad de un sistema de control depende de su comportamiento en los regímenes

transitorios y permanente; un buen sistema deberá cumplir con las siguientes tres

condiciones.

• La desviación de la magnitud regulada, respecto al valor deseado, deberá ser, en

régimen estable la más pequeña posible, ante todas las posibles perturbaciones

• El sistema debe ser estable

• Si se produce una perturbación, deberá conseguirse el mismo estado estable lo mas

rápido posible

Cálculo de los parámetros del regulador de corriente o de momento

Figura. 9 Lazo interno de corriente

Figura. 10 Modelo matemático del lazo de corriente

Como se puede apreciar en la figura el regulador de corriente o momento es un regulador

proporcional integral el cual ajustaremos sobre la base del modulo óptimo, lo cual consiste

en:

El coeficiente de amortiguamiento (ξ) sea igual a 0.7 para esto: a =2⇒ μττ 7.4=r

El máximo sobreimpulso o sobrecresta debe ser igual a un 43%


0aμ

ττ

= (37)

donde:

μτ ⇒Suma de las constantes de tiempo no compensadas.

0τ ⇒ Constantes de tiempo a compensar.

a ⇒ Es un indicador de las oscilaciones del sistema, o sea, que la selección de 0τ en el

regulador y el valor de μτ inciden directamente en los procesos transitorios, (oscilaciones).

Las ecuaciones para el ajuste son las siguientes:

cef ττττ μ =+= (38)

intI c

Ia t

K K aR μ

ε

τ τ⋅= ⋅ ⋅ (39)

int

epIK τ

τ= (40)

Cálculo de los parámetros del regulador de velocidad

Figura. 11 Esquema general del sistema CT- MCD con lazo de regulación interno de

momento y un lazo externo de regulación de velocidad.


La compensación del lazo de regulación de velocidad se puede hacer por dos métodos

diferentes: uno es sobre la base del módulo óptimo (reguladores proporcionales) y el otro

sobre la base del módulo simétrico (reguladores proporcionales – integrales).

El primer método es muy usado en los accionamientos eléctricos, resulta satisfactorio para

la inmensa mayoría de ellos, no obstante, la exactitud de la regulación para pequeños

momentos de inercia resulta menor que para el caso de lazo abierto. Para incrementar la

exactitud de la regulación es necesario aumentar el orden del término integral. Una de las

formas de incrementarla es mediante la utilización de un tercer lazo de regulación de

velocidad sobre la base del módulo óptimo. Este segundo lazo de velocidad se diseña de la

misma forma que el primero.

Ajuste del regulador de velocidad por módulo óptimo (P)

a =2

μτβ

⋅⋅⋅⋅⋅

=MVW aaK

KmKpv mτ (41)

cKKm I= (42)

Rac 2

=β (43)

oWvUzKw max,

= (44)

max,vUz : voltaje de mando para el cual el voltaje en los terminales del convertidor es

máximo.

0w : velocidad de vacío del motor

Ajuste del regulador de velocidad por módulo simétrico (PI)

Analicemos otras de las formas de incrementar la exactitud de regulación de la velocidad,

empleando el criterio ingenieril basado en la optimización por simetría.

Con este método de compensación, se busca que la función transferencial deseada del

accionamiento eléctrico en general, posea la forma siguiente:


( )1221

212

11

1

+⋅⋅⋅⋅⋅⋅

⋅⋅

+⋅⋅= −+

+

ssss

W iii

t

laxμμμ

μ

ττττ

(45)

Cuando aplicamos el método de compensación por módulo simétrico a la regulación de

velocidad, se emplean dos lazos, uno externo de velocidad y uno interno subordinado de

corriente, por lo que i=2 (número de lazos).

( )124

1

818

+⋅⋅⋅⋅⋅⋅

⋅⋅

+⋅⋅=

ssK

ss

W wlax

μμμ

μ

ττττ

(46)

Para realizar la síntesis del regulador de velocidad, empleando el nuevo método, es

necesario basarse en el diagrama de bloques del sistema.

Figura. 12 Diagramas de bloques para la síntesis del regulador por módulo simétrico.

cs

Rsa

KWm

ta

I

Irv ⋅⋅

⋅+⋅⋅

=ττ

ε

μ

,0 1

1 (47)

( )

( )

ta

Im

wrv

lavrv R

KcssssKs

sWW

W,

00

00

0

12124

18

18

ε

μ

μμμ

μ τττττ

τ ⋅⋅⋅⋅+⋅⋅⋅

+⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅

⋅⋅

+⋅⋅==

4484476

4434421

ss

ss

KR

cKW k

w

mta

I

rv ⋅⋅+

=⋅⋅

⋅⋅+⋅

⋅⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⋅

=int

2, 1

3281

ττ

τ

ττ

μ

με (48)

donde:


mta

I

wnt

k

RcK

K

τ

ττ

ττ

ε

μ

μ

⋅⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⋅

⋅⋅=

⋅=

,

232

8

(49)

La función transferencial de dicho regulador es la siguiente:

sT

Kpvs

vWr ivK +=⋅

+=intint

1,ττ

τ (50)

Datos

Motor de corriente directa Al-506 y del rectificador a utilizar.

VVyKcv

segradVoltKrv

msmKgje

RaRaAIa

segradWnomVVnom

C

10max5.0

/0052.0

101/108.8

76.123

/1800200

23

==

=

−=⋅=

Ω===

==

−

τ

ξ

Técnica operatoria

1. Simular en el Matlab (Simulink) el modelo matemático de un CT- MCD (figura 1),

obtener la respuesta del sistema para una entrada paso en la referencia. Analice la

repuesta

2. Obtener la respuesta del sistema de la figura1 ante una entrada paso en la

pertubarción. Analice la repuesta

3. Simular a lazo abierto el sistema de CT-MCD de regulación de automática con el

principio de la realimentación de velocidad negativa. Ajustando el regulador de


velocidad por el módulo óptimo. Poner el paso por la entrada de referencia con

valor unitario.

4. Simular a lazo abierto el sistema de CT-MCD de regulación automática con el


velocidad por el módulo óptimo. Poner el paso en la perturbación con valor unitario

5. Simular a lazo cerrado el sistema de CT-MCD de regulación automática con el


velocidad por el módulo óptimo. Poner el paso por la entrada de referencia con

valor unitario


principio de la realimentación de velocidad negativa. Ajustar el regulador de

velocidad por el módulo óptimo. Compare la respuesta con la del inciso anterior.

Poner el paso en la perturbación



velocidad por el módulo simétrico. Poner el paso por la entrada de referencia con

valor unitario.


principio de la realimentación de velocidad negativa. Ajustar el regulador de

velocidad por el módulo simétrico. Compare la respuesta con la del inciso anterior.

Poner el paso en la entrada en la perturbación.



velocidad por el módulo simétrico. Colocar una entrada al paso por la referencia

con valor unitario.



velocidad por el módulo simétrico. Colocar una entrada al paso por la perturbación

con valor unitario.

11. Compare ambas respuestas con las simuladas en los incisos 5 y 6 y seleccione el

mejor método de ajuste para estas condiciones.


Informe a presentar



contener:


Objetivos del mismo

Desarrollo


Comparar los resultados



Práctica de laboratorio 9 “Operación a lazo cerrado del sistema rectificador

controlado – motor de corriente directa”

Objetivos

1. Determinar experimentalmente las características mecánicas (velocidad-corriente y

velocidad-momento).


• 1 máquina de CD AL-506 (motor)

• 1 máquina de CD AL-1006 (generador)

• 1 tacogenerador

• 1 voltímetro T-372 (voltaje terminal del generador) (escala 250V)

• 1 voltímetro T-372 (voltaje terminal del motor) (escala 500V)

• 1 amperímetro T-377 (corriente de armadura del motor) (escala 5A)

• 1 amperímetro T-370 (corriente de campo del motor) (escala 2,5A)

• 1 amperímetro T-370 (corriente de campo del generador) (escala 2,5A)

• 3 módulos TTD-321

• 1 módulo TENS-310

• 6 módulos GI-212

• 2 módulos CTF-60

• 2 módulos PI-36

• 1 módulo MEDID-210

• 1 módulo RECTIF

• 1 conmutador 3/3

• 1 módulo pulsador

• 1 módulo CONT-153

• 1 módulo RT-311

• 1 módulo de MEDIDA RPM-3000

• 2 reóstato 3300 Ω (campo del motor y generador)

• 1 REOSTATO-3500 (carga del generador)


Medidas de seguridad:


profesor.

• No energizar el circuito hasta que no sea revisado por el profesor.

• No efectuar cambios de escala en el lazo de velocidad con el accionamiento

funcionando.


• No golpear ni apoyarse en los instrumentos.

Técnica operatoria

o Montaje el circuito de la siguiente figura 1

1.1 montar el circuito de la figura 6, 7 y 8 del anexo1 para las conexiones de

los motores, el campo y la carga respectivamente


1.3 montar el circuito de la figura 9 para el rectificador trifásico del anexo1

1.4 montar el circuito de la figura 10 del anexo 1 para el disparo de los

tiristores

1.5 montar el circuito de la figura 23 del anexo 1 para el regulador de

voltaje

o Colocar el potenciómetro correspondiente a la saturación del regulador de

voltaje en 10

o Colocar el potenciómetro correspondiente con la ganancia proporcional del

regulador de voltaje en 9

o Colocar un capacitor de un Fμ1 (todo esto se realiza en el módulo PI-36)


Figura. 1 Sistema de regulación automática con realimentación de velocidad

o Varíe la carga para tres valores diferentes del voltaje de referencia y tome

lectura de velocidad, corriente y voltaje de armadura. Determine para cada

valor de corriente el momento (tener en cuenta que la corriente nominal del

motor es 3A)

o Trace las características mecánicas para las condiciones del inciso anterior

o Montaje del circuito de la siguiente figura 2

7.1 montar el circuito de la figura 24 del anexo 1 para montar el regulador

de momento

o Colocar el potenciómetro correspondiente con la saturación del regulador de

momento en 6

o Colocar el potenciómetro correspondiente con la ganancia proporcional del

regulador de momento en 3.8

o Colocar un capacitor de un Fμ10 (todo esto se realiza en el módulo PI-36)

o Variar la carga para tres valores diferentes del voltaje de referencia y tome

lectura de velocidad, corriente y voltaje de armadura. Determine para cada

valor de corriente el momento (tener en cuenta que la corriente nominal del

motor es 3A)

o Trazar las características mecánicas para las condiciones del inciso anterior

o Comparar dichas características y arribar a conclusiones


Figura.2 Sistema de regulación de velocidad con un lazo de corriente subordinado a él

Informe a presentar



contener:


Objetivos del mismo

Desarrollo


• Tabulación de los datos obtenidos para cada una de las condiciones dadas

Comparar los resultados


Nota:

Se ha de aclarar que los ajustes de los reguladores usados en esta práctica no coinciden con

los calculados por el módulo óptimo y usados para la simulación en la práctica anterior


porque se ha hecho un ajuste fino, es decir, se han tomado de punto de partida los ajustes

calculados y se han ido modificando hasta encontrar la respuesta requerida.

En este caso por no haber los instrumentos requeridos para esto, se ha tomado como

premisa que el sistema sea lo menos oscilatorio y lo más rápido posible.

Conclusiones

CONCLUSIONES

1. En el presente trabajo se confeccionó un manual que permite preparar al futuro ingeniero electricista para la vida laboral, ya que en el mismo se ofrecen prácticas de laboratorio de mucha utilidad para nuestra especialidad.

2. El manual está elaborado en correspondencia con el plan de estudio de la carrera de

ingeniería eléctrica.

3. El material elaborado constituye una guía para todos aquellos que cursen o impartan cualquier asignatura de la disciplina de Accionamiento Eléctrico.

4. La carencia de instrumentos, dispositivos y materiales no permitió el montaje y

realización de algunas prácticas de laboratorio que inicialmente habían sido concebidas.

Conclusiones

RECOMENDACIONES

1. Se recomienda la utilización de este manual a los profesores y alumnos vinculados

con las asignaturas de Accionamiento Eléctrico

2. Enriquecer este trabajo con la realización de nuevas prácticas de laboratorio que

contribuyan a perfeccionar el aprendizaje de esta asignatura.

3. Elaborar prácticas de laboratorio para el control de motores asincrónicos en lazo

cerrado, las cuales no fue posible realizar por no existir condiciones materiales

necesarias.

4. Realizar pedidos de instrumentos y materiales para que, cuando existan las

posibilidades económicas, se pueda disponer de condiciones idóneas para realizar

otras prácticas de laboratorio que, actualmente no fue posible concretar y que serían

de suma importancia para los estudiantes.

Bibliografía

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] Alger, P.: “The Nature of Inductions Machines”, Gordon and Breach Science

Publishers, New York-London, 1972.

[2] Chillikin, M.: “Accionamientos Eléctricos”, Pueblo y Educación, 1972.

[3] Costa A.: “Conceptos fundamentales del Accionamiento Eléctrico”, Editorial Pueblo y

Educación, La Habana, 1990.

[4] Costa, A. y Bonne, F.: “Principios Fundamentales de Accionamiento Eléctrico”,

Pueblo y Educación, 1989.

[5]Costa, A.: “Manual de laboratorio de Accionamiento Eléctrico”, ENPES, La Habana,

1986.

[6] Costa, A.: “Variadores de Velocidad por Variación de la Frecuencia de los Motores de

Inducción”, Monografía, CIDEL, La Habana, 2000.

[7] Molina, Jesús: “Curso de autómatas programables”, Madrid, 2001.

[8] Morera, M.:“Accionamiento Eléctrico”, Pueblo y Educación, La Habana, 1988.

[9] Morera, M.: “Accionamiento E. Automatizado I”, Editorial Pueblo y Educación, La

Habana, 1998.

Bibliografía

BIBLIOGRAFÍA

1. Alger, P.: “The Nature of Inductions Machines”, Gordon and Breach Science

Publishers, New York, 1972.

2. Brosan, G.: “Electrical Power Machines”, ISAAC Pitman and Sons, London, 1966.

3. Chapman, S.:“Máquinas Eléctricas”, McGraw-Hill, 1994.

4. Chee-Mung, O.:“Dynamic Simulation of Electric Machinery”, Prentice Hall PTR, New

Jersey, 1998.

5. Chillikin M.: “Accionamientos Eléctricos”, Moscú, Mir, 1972.

6. Costa A.: “Conceptos fundamentales del Accionamiento Eléctrico”, Editorial Pueblo y

Educación, La Habana, 1990.

7. Costa, A. y Bonne, F.: “Principios Fundamentales de Accionamiento Eléctrico”,

Editorial Pueblo y Educación, 1989.

8. Costa, A., “Variadores de Velocidad por Variación de la Frecuencia de los Motores

9. de Inducción”, Monografía, CIDEL, La Habana, 2000.

10. Dewan, S., Slemon, G., Straughen, A.: “Power Semiconductor Drives”, Edición

Revolucionaria, 1986.

11. Ellison, A.:“Generalized Electric Machines”, Wellington, London, 1967.

12. Falcón, Y.: “Efecto de la variacion del voltaje y la frecuencia en los motores

asincrónicos trifásicos, Villa Clara, Universidad Central,1989. Trabajo de Diploma.

13. Fitz Gerald, A.:“Electric Machinery”, McGraw-Hill, 4TA Edición.

14. Fuchs, E. y otros:“Magnetizing Current, Iron Losses and Forces of Three-Phase

Inductions Machines at Sinusoidal and Nonsinusoidal Terminal Voltage”, IEEE Trans,

P. A. S., vol 103, No 11,Nov 1984.

15. Hindmarsk, J.: “Electrical Machines and Drives Worked Examples”, Pergamon Press,

2da Edición, New York, 1985.

16. Ivanov-Smolensky:“Máquinas Eléctricas” Tomo II, Mir Moscú, 1984.

17. Jalal, T.: “Simulations of Controlled-Slip Variable speed Inductions Motors Drive

Systems”, IEEE Trans IGA, vol-7, No 2, March/April 1971

Bibliografía

18. Jayawant, B., “Inductions Machines”, McGraw-Hill, London 1968.

19. Kostenko M y Piotrosky: “Maquinas Eléctricas”, Editorial Pueblo y Educación, La

Habana, 1968.

20. Kostenko, M. y Piotrovsky, L.:“Máquinas Eléctricas”, Tomo II, Editorial Pueblo y

Educación.

21. McPherson, G.: “An Introduction to Electrical Machines and Transformers”, Edición

Revolucionaria.

22. Molina, Jesús: “Curso de autómatas programables”, Madrid, 2001.

23. Morera M: “Accionamiento E. Automatizado I”, Editorial Pueblo y Educación, La

Habana, 1998.

24. Morera, M.:“Accionamiento Eléctrico”, Editorial Pueblo y Educación, La Habana,

1988.

25. Murphy, J. and Turnbull, F.: “Power Electronic Control of AC Motors”, Pergamon

Press, New York.

26. Nasar, S.: “Electromechanical and Electric Machines”, John Wiley and Sons, New

York, 1979.

27. Vinogradov, H.Ñ: “Proyecto de Máquinas Eléctricas”, Editora Estatal de Energética,

Moscú, 1956..

28. Voldek, A.:“Máquinas Eléctricas” Tomo II, Editorial Pueblo y Educación.

Anexo1

Anexo 1

Figura 1. Circuito para realizar para la operación del motor MA en los cuatro cuadrantes.

Figura 1.2. Montaje en el Alecop del interruptor doble polo-doble tiro S2

Anexo1

Figura 1.3. Montaje en el Alecop del interruptor S3

Figura 1.4. Montaje en el Alecop del campo de ambos motores y del interruptor doble polo-doble

tiro S1

Anexo1

Figura 2. Conexión en delta del motor asincrónico trifásico de rotor bobinado AL-306 con un

reóstato variable en el circuito del rotor

Figura 3. Conexión en delta de un motor asincrónico trifásico jaula de ardilla AL-1106

Anexo1

Figura 4. Circuito para accionar un motor trifásico en el Alecop

Figura 5. Circuito de control para arranque y parada por tiempo de un motor de corriente directa

en el Alecop

Figura 6. Montaje de dos motores de corriente directa AL-506 trabajando, uno como motor y el

otro como generador

Anexo1

Figura 7. Montaje del campo de los dos motores de corriente directa

Figura 8. Conexión del REOSATO-3000 para la carga del generador

Figura .9 Puente rectificados trifásico totalmente controlado en el Alecop

Anexo1

Figura. 10 Circuito de mando del rectificador en cuestión

Anexo1

Figura. 11 Circuito de arranque y parada de un motor de corriente directa en el Alecop

Figura. 12 Circuito para comprobar el funcionamiento del relé instantáneo en el Alecop

Anexo1

Figura. 13 Circuito para comprobar el funcionamiento del relé de mecanismo

de relojería

Figura.14 Conexiones de un motor Al-1106 para un frenaje dinámico

Anexo1

Figura. 15 Circuito de control de un semáforo y su montaje en el Alecop

Anexo1

Figura. 16 Circuito de control del arranque secuencial de dos motores en el

Alecop

Anexo1

Figura17. Circuito de arranque y parada secuencial de dos motores de en el Alecop

Anexo1

Figura 18. Circuito de control de arranque y franje dinámico de un motor asincrónico trifásico en el Alecop

Anexo1

Figura 19. Circuito de control para arrancar un motor usando el autómata y su montaje en el Alecop

Anexo1

Figura 20. Circuito de control para el arranque secuencial de motores usando el autómata

y su montaje en el Alecop

Anexo1

Figura 21. Circuito de control para el arranque y parada secuencial de motores usando el

autómata y su montaje en el Alecop

Anexo1

Figura22. Circuito arranque y frenaje dinámico de un motor asincrónico con el autómata y

su montaje en el Alecop

Anexo1

Anexo1

Figura 23 Circuito de un regulador de velocidad (PI) para un lazo de regulación el Alecop

Anexo1

Figura 24 Circuito de un lazo de regulación automática de velocidad con un lazo interno de corriente

Anexo 3

ANEXO 2 Resultados de la práctica 1

radsegvoltwEgk

VEgsegradw

⋅===

==

139.01650229

229/1650

φ

Tabla.1 Tabulación de los valores de velocidad y corriente de los dos motores para la obtención de la característica de momento de pérdidas

w 250 475 550 950 1660 IP 0.25 0.29 0.31 0.36 0.44

Sentido Positivo

w 250 475 550 950 1660 IP 0.25 0.29 0.31 0.36 0.44

Sentido Negativo

Figura.1 Característica de momento de pérdidas

Para la obtención de dicha característica se utilizó una función llamada IP en el Matlab que a continuación anexamos.

Anexo 3

Tabla.2 Valores de velocidad y corriente de los dos motores para la obtención de la característica mecánica en los cuatro cuadrantes

w aI PI Mvn

1740 0.5 -0.4501 0.0069 1710 0.4 -0.4466 0.0065 1675 0.3 -0.4425 0.0198 1625 0.1 -0.4367 0.0468 1590 0 -0.4326 0.0601 1750 -0.1 -0.4279 -0.0734 1500 -0.2 -0.4221 -0.0865 1485 -0.3 -0.4203 -0.1001 1475 -0.4 -0.4192 - 0.1139 1400 -0.5 -0.4104 -0.1265 -160 -1.12 0.2088 -0.1239 -240 -1.3 0.2768 -0.1422 -620 -1.41 0.3195 -0.1516 -725 -1.5 0.3317 0.1624 -1750 -0.1 0.4279 0.0734 -1500 -0.2 0.4221 0.0865 -1485 -0.3 0.4203 0.1001 -1475 -0.4 0.4192 0.1139 -1400 -0.5 0.4104 0.1265

La característica que describe esta tabla es la siguiente:

Figura. 2 Fragmento de la característica en los cuatro cuadrantes de un motor asincrónico

de rotor bobinado

Anexo 3

Resultados de la práctica 2 Tabla.3 Valores obtenidos para cada régimen de carga

Figura. 3 Régimen de carga continuo

Figura. 4 Régimen de carga intermitente

R. Continuo t(min) V(V) I(A)

R. Corta duración t(min) V(V) I(A)

R. Intermitente t(min) V(V) I(A)

2 215 1 1 215 1.5 2 215 1.5 4 215 1.25 4 0 0 4 0 0 3 215 1.5 1 215 1 3 215 1 1 215 2 3 0 0 1 0 0 2 215 0.9 1 215 2 2 215 2

Anexo 3

Figura. 5 Régimen de carga discontinuo

Resultados de la práctica 4 Tabla 4. Datos obtenidos referentes a la característica mecánica natural del motor


1660 0.8

1650 1.5

1625 2

1620 2.5

1590 3

1560 3.5

Tabla 5. Datos obtenidos referentes a la característica mecánica con una resistencia externa en el circuito del rotor de un 5% del motor


1550 0.7

1460 0.8

1385 1.5

1310 2

1285 2.5

1160 3

Tabla 6. Datos obtenidos referentes a la característica mecánica con una resistencia externa en el circuito del rotor de un 15% del motor


1340 0.7

1225 0.8

Anexo 3

1060 1.5

875 2

650 2.5

560 3

Figura. 6 Fragmento de la característica mecánica con varios valores de resistencia externa

para un motor asincrónico trifásico de rotor bobinado

Como se puede apreciar en la figura anterior, solo se obtuvo un segmento de las

características mecánicas del motor pero en ellas se ve la disminución de la velocidad para

las diferentes resistencias colocadas en el rotor de la máquina.

Resultados de la práctica 3

Tabla.7 Valores de la característica mecánica natural

V (taco) 7.16 6.93 6.83 6.76 w(rpm) 1376.92 1332.69 1313.46 1300 Ia(A) 0.3 1.4 2 3 Va(V) 220 220 220 220

Anexo 3

Tabla. 8 Valores de corriente y voltaje para diferentes ángulos de disparo (α)

Se ha de aclarar que los valores de velocidad obtenidos en esta prueba no son a los que

realmente giraba el motor, ya que el tacómetro estaba desajustado, pero vale reconocer que

los resultados obtenidos son válidos para cumplir el objetivo de este laboratorio.

En la figura que se muestra a continuación se aprecia el desplazamiento paralelo de las

características mecánicas para cada valor de voltaje en la armadura

Para 1α = 44.96 V (taco) 6.57 6.55 6.45 6.36 w(rpm) 1263.46 1259.61 1240.38 1223.07 Ia(A) 1.4 2 2.5 3 Va(V) 210 210 210 210

Para 2α =47.63 V (taco) 6.33 6.18 6.05 5.95 w(rpm) 1217.3 1188.46 1163.46 1144.23 Ia(A) 1.4 2 2.5 3 Va(V) 200 200 200 200

Para 3α =50.19 V (taco) 6.03 5.86 5.78 5.74 w(rpm) 1159.62 1126.92 1111.54 1103.85 Ia(A) 1.4 2 2.5 3 Va(V) 190 190 190 190

Para 4α =52.66 V (taco) 5.71 5.53 5.45 5.39 w(rpm) 1098.01 1063.46 1048.1 Ia(A) 1.4 2 2.5 3

Anexo 3

Figura.7 Familias de curvas de velocidad contra corriente de armadura variando voltaje

terminal para un motor shunt de corriente directa manteniendo el flujo constante

Resultados de la práctica 8 Calculo del ajuste de los reguladores Para el regulador de momento

FKR

C e μτ

110

01.0=

Ω== Ω= KR 10

μτε

τ

2

5.011005.0

int

int

,

,

⋅⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ ⋅=

=

=⋅⋅=⋅⋅=

tRaKcKT

TK

RR

KRshK

I

eP

cr

czTCDI

donde msc 5.5== ττ μ

Anexo 3

77.00129.0

01.0

0129.0105.5276.12305.0 3

int

==

=⋅⋅⋅⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ ⋅

= −

PK

T

Ω≈Ω

=== KKKRRR

Pcrcz 13

77.010

,,

Para el regulador de voltaje

int

int,

1

TK

KT

w

kP

Pwr

τ=

+=

( )

FC

CRCRT

wV

K

cK

K

KK

T

vmáxzw

IM

mM

w

μ

τβτ μ

1943.038.1061010

1

138.10611

0438.09640.0

22010

5187.0

0094.012.01028.75187.0

0438.0105.53232

3

22int

0

,

2

232

int

≈=⋅⋅

=

⋅==

⋅=

===

==

=⋅⋅⋅

⋅⋅⋅=

⋅⋅

⋅⋅= −

−

Figura.9 Circuito en el Simulink del conjunto rectificador trifásico a tiristores y un motor

de corriente directa excitado independiente (CT-MCD)

Anexo 3

Figura.10 Repuesta en el tiempo ante una entada paso en la entrada de referencia del

CT-MCD

Figura.11 Circuito en le Simulink del conjunto CT-MCD con la entrada paso en la

perturbación

Figura.12 Repuesta en el tiempo ante una entada paso en la entrada de perturbación del

CT-MCD

Anexo 3

Figura.13 Circuito para la simulación del CT-MCD en lazo abierto, con la entrada paso en

la referencia.

Figura.14 Respuesta en el tiempo del circuito de la figura anterior (los reguladores han sido ajustado por el módulo óptimo)

Figura. 15 Circuito para la simulación del CT-MCD en lazo abierto, con la entrada paso en

la perturbación.

Anexo 3


Figura. 17 Circuito para la simulación del CT-MCD en lazo cerrado, con la entrada paso en

la referencia

Anexo 3


Figura.19 Circuito para la simulación del CT-MCD en lazo cerrado, con la entrada paso en

la perturbación

Anexo 3

Figura.20 Respuesta en el tiempo del circuito de la figura anterior (los reguladores han sido

ajustado por el módulo óptimo)

Figura.21 Circuito para la simulación del CT-MCD en lazo abierto, con la entrada paso en

la referencia


ajustado por el módulo simétrico)

Anexo 3

8

Figura. 23 Circuito para la simulación del CT-MCD en lazo abierto, con la entrada paso en la perturbación



Figura.25 Circuito para la simulación del CT-MCD en lazo cerrado, con la entrada paso en

la referencia

Anexo 3



Figura. 27 Circuito para la simulación del CT-MCD en lazo cerrado, con la entrada paso

en la perturbación

Anexo 3


ajustado por el módulo simétrico) Resultados de la práctica 9 Tabla.9 Resultados obtenidos usando el regulador de velocidad

Voltaje de referencia(V)

Voltaje en el motor(V)

Corriente por la armadura(A)

Velocidad(rpm)

175 1 1250 4 187 1.5 1250 185 1 1455 4.5 187 1.5 1455 209 1 1605 5 211 1.5 1605

Anexo 3

Figura.29 Comportamiento del regulador de velocidad

Estas curvas muestran las gráficas mecánicas ideales para dos valores de voltaje en la

referencia de un sistema CT-MCD, pues en la realidad estas curvas siguen siendo paralelas

hasta un cierto punto donde la recta toma una ligera pendiente negativa que surge a partir

de que se sature el regulador de voltaje.

Tabla.10 Resultados obtenidos usando el regulador de velocidad con un lazo interno de

corriente subordinado a él

Voltaje de referencia(V)

Voltaje en el motor(V)

Corriente por la armadura(A)

Velocidad(rpm)

220 1.4 1651 222 2.5 1550 225 3 1500

6

229 3.5 1400

Anexo 3

Figura.30 Comportamiento del regulador de velocidad con un lazo interno de corriente

subordinado a él

Como se aprecia en la figura anterior hay delimitadas tres regiones fundamentales, estas se

corresponden con las diferentes etapas que atraviesa la operación del sistema CT-MCD

operando a lazo cerrado con un lazo de corriente subordinado al lazo de voltaje.

1. Región correspondiente a la operación del regulador de voltaje, como se aprecia la

velocidad no varía para este intervalo de carga.

2. Corresponde con el comienzo del proceso de saturación del regulador de voltaje,

como se aprecia ha ocurrido un cambio de la pendiente de la recta, trayendo consigo

que la velocidad del motor disminuya.

3. Corresponde con la operación del lazo interno o de corriente, es significativo

apreciar que la pendiente de la recta ha cambiado bruscamente lo que provoca

también una brusca caída de la velocidad debido a que aparece el límite de

corriente, el cual se puede variar bajando o subiendo el nivel de la saturación en el

dicho regulador.

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