Sistemas de control de velocidad de motores

Zulayka ArroyoPaolo ArteagaBelén Cevallos

MOTORES DC – CARACTERÍSTICAS Y OPERACIÓN

• Los motores dc son importantes en el campo industrial porque son más adaptables que los motores ac de campo rotatorio a sistemas de velocidad ajustable

• La combinación del motor, los tiristores controladores y los componentes electrónicos asociados se conocen como Sistemas de control de velocidad o sistema operador

Motor Shunt dc

• El devanado del campo está compuesto por muchas vueltas de alambre delgado enrolladas alrededor de los polos de campo, que son núcleos de metal ferromagnético adheridos al estator de la máquina.

• La alta resistencia del devanado de campo limita la corriente de campo a un valor razonablemente pequeño, permitiendo que pueda conectarse directamente a las líneas de alimentación dc.

• La corriente de campo puede encontrarse a partir de la Ley de Ohm:

– Vs: Fuente de voltaje aplicado al devanado de campo.– Rf: resistencia dc del devanado.

• El devanado de la armadura está constituido en el rotor cilíndrico de la máquina y la corriente es llevada desde y hacia él por medio de escobillas de carbón que hacen contacto con los segmentos del colector. Se constituye de pocas vueltas de alambre más grueso, de modo que su resistencia dc es baja.

• A medida que el motor comienza a acelerarse comienza a inducir una FCEM debido a que simultáneamente opera como generador.

• La FCEM generada por el devanado de la armadura depende de dos factores:– La fuerza del campo magnético. A mayor fuerza de

campo magnético, mayor FCEM.– La velocidad de rotación. A mayor velocidad,

mayor FCEM.

• Dependencia que tiene la FCEM de la fuerza del campo y la velocidad de rotación:– Ec = kB (RPM)

• La suma de las caídas de voltaje en el devanado de la armadura es igual a la FCEM sumada con la caída de voltaje resistiva IR, despreciando los efectos de las escobillas.– Vs = Ec + IARA

Variación de la velocidad de un motor Shunt dc

• Ajustando el voltaje (y corriente) aplicado al devanado de campo. A medida que el voltaje de campo se incrementa , la velocidad del motor disminuye.

• Ajustando el voltaje (y corriente) aplicado a la armadura. A medida que el voltaje de la armadura se incrementa , la velocidad del motor aumenta

Control por tiristor de voltaje y corriente de armadura

• La fuente ac es rectificada para proporcionar potencia dc al devanado del campo. El SCR proporciona control y rectificación de media onda al devanado de la armadura. Cebando tempranamente el SCR el promedio de voltaje y corriente de la armadura se incrementan y el motor gira más rápido.

Sistema de control de velocidad monofásico y de media onda para un

motor Shunt dcA medida que le pot es movido hacia arriba crece la velocidad del motor. Esto sucede debido a que el voltaje de puerta respecto a tierra se hace una porción más grande del voltaje de línea ac permitiendo que el voltaje de puerta a cátodo alcance el voltaje de disparo del SCR más pronto en el ciclo.

Relación entre velocidad y el ángulo de disparo. Se denomina realimentación de FCEM a la característica que tiende a estabilizar la velocidad del motor aún frente a cambios de carga.

Velocidad del motor vs torque

La habilidad del sistema de control de velocidad para mantener la velocidad del motor ligeramente constante frente a variaciones en la carga se denomina regulación de carga

OTRO SISTEMA MONOFÁSICO DE CONTROL DE VELOCIDAD

La potencia de ac de entrada es rectificada por un puente rectificador de onda completa, la corriente directa pulsante de salida y el voltaje pulsante de salida del puente se aplica al circuito de control de armadura. También proporciona realimentación de FCEM, y por consiguiente tiene una buena regulación de carga.

Cuando el plot de ajuste de velocidad está posicionado de tal manera que produce una velocidad al eje de 2000 rpm a un cierto torque resistivo. Si por alguna razón aumentase la carga, lo primero que el motor hace es bajar un poco su velocidad para admitir más corriente de armadura. Cuando esto sucede, la FCEM de la armadura decrece un poco.

A medida que la FCEM disminuye , aumenta el voltaje disponible para cargar el capacitor C. Esto sucede debido a que el voltaje disponible para cargar el capacitor es la diferencia entre el voltaje pulsante del puente y la FCEM creada por la armadura. Con más voltaje disponible para cargar C, es natural que C se cargará más pronto al voltaje de disparo, de este modo aumenta el voltaje promedio entregado a la armadura. Esto corrige la tendencia del motor a girar más lento y lo lleva de regreso prácticamente a la misma velocidad de antes.

CONTROL REVERSIBLE DE VELOCIDAD

Algunas aplicaciones de control de velocidad en la industria requieren que la rotación de un motor sea reversible. La inversión de la dirección de rotación puede efectuarse de dos maneras:-Invirtiendo la dirección de la corriente de campo, manteniendo la misma dirección de la corriente de armadura.-Invirtiendo la dirección de la corriente de armadura, manteniendo la corriente la misma dirección de la corriente de campo.

El contactor DIR se energiza al presionar el botón pulsador ARRANQUE DIRECTO. Mientras el contactor REV se encuentra fuera en este momento, el contactor DIR se energizará y enclavará gracias a su contacto N.A. en paralelo con el botón pulsador. El operador puede entonces liberar el botón ARRANQUE DIRECTO, y el contactor energizado hasta cuando se presione el botón pulsador PARADA.

Se puede ver en esta figura que cuando están cerrados los contactos DIR, la corriente fluye a través de la armadura de abajo hacia arriba con esto produce rotación en una cierta dirección (asumamos en el sentido de las manecillas del reloj). Cuando están cerrados los contactos REV, la corriente de armadura fluye de arriba hacia abajo, de este modo produce rotación en el sentido contrario de las manecillas del reloj. La velocidad de rotación se controla por el ángulo de disparo de los SCR.

El control de onda completa reversible sin utilizar dispositivos con contactos con el circuito de la figura. La dirección de rotación está determinada por el circuito de disparo que esté habilitado. Si está habilitado el circuito de disparo directo, los dos SCR de la parte de arriba se cebarán en semiciclos alternativos de la línea ac, y enviarán corriente a través de la armadura de derecha a izquierda. Si está habilitado el circuito de disparo invertido, los dos SCR de abajo se cebarán en semiciclos alternados de la línea ac, y enviarán corriente a través de la armadura de izquierda a derecha, como se indica.

SISTEMAS OPERADORES TRIFÁSICOS PARA MOTORES DC

El sistema manejador trifásico más simple posible es el que está en la figura. Aunque este sistema solamente proporciona control de media onda, es capaz de mantener continuamente flujo de corriente por la armadura. Puede hacerlo porque cuando una cualquiera de las fases es negativa, al menos una de las otras fases es positiva. Si una cierta fase está manejando la armadura, al instante que cambia de polaridad, una de las otras dos fases está lista para entrar a operar.

Sistema manejador trifásico sin conductor neutro. Los diodos rectificadores completan la malla del circuito de armadura.Durante el tiempo que el voltaje de línea AB está manejando la armadura, el camino del flujo de la corriente es hacia debajo de la línea A, a través del diodo Db hacia la línea B. Cuando el voltaje de línea de está manejando la armadura, la corriente de armadura pasa a través del SCRB y el diodo Dc. En el instante que el voltaje de línea CA está manejando la armadura, la corriente pasa a través del SCRC, a través de la armadura, y regresa a la línea A a través del diodo Da.

EJEMPLO DE UN SISTEMA OPERADOR TRIFASICO

• La Figura nos muestra el diagrama esquemático completo de un sistema operador trifásico. La potencia trifásica a 230 V, esta localizada por la parte superior izquierda de esta figura. A través de cada una de las tres fases

CONTROL DE VELOCIDAD DE LOS MOTORES DE INDUCCION.

• Los motores de inducción rotan a una velocidad q es un poco menor que la velocidad sincrónica del campo rotatorio. La velocidad sincrónica del campo rotatorio esta determinada por el numero de polos del devanado del estator y de la frecuencia del voltaje ac aplicado.

• En el control electrónico de velocidad de los motores ac, la frecuencia del voltaje aplicado al estator se varia para cambiar la velocidad sincrónica.

• El cambio en la velocidad sincrónica produce entonces un cambio en la velocidad del eje del motor

Hay dos maneras de obtener un voltaje ac de frecuencia variable para un sistema operador de un motor ac:

a) Cambiando potencia dc en ac de frecuencia variable. Un circuito que puede hacerlo es denominado inversor.

b) Cambiando potencia ac de 60 Hz en ac de frecuencia variable. Un circuito que pueda hacer esto es denominado convertidor.

• Tanto los inversores como los convertidores se construyen con SCR.

• La siguiente figura nos muestra los tres SCRson cebados en secuencia , uno inmediatamente despues del otro. Cada SCR es cebado y luego BLOQUEADO por su circuito de control de disparo y bloqueo

• De esta manera SCRA es cebado por su circuito de control y un cierto tiempo después es BLOQUEADO por dicho circuito. En el instante que SCRA es BLOQUEADO, el SCRB es cebado por su circuito de control. El SCRB permanece en CONDUCCION durante el mismo tiempo que el SCRA estuvo en conducción ; luego es BLOQUEADO. En ese instante en que el SCRB es BLOQUEADO, el SCRC es cebado por su circuito de control.

• Después de una cantidad de tiempo igual, el SCRC es BLOQUEADO, y el SCRA es cebado de nuevo y se repite el ciclo. Puede verse que la frecuencia efectiva del voltaje aplicado a los devanados del estator puede variarse variando la cantidad de tiempo que un SCR es mantenido en CONDUCCION.

• Si el SCR permanece en CONDUCCION durante largo tiempo, la frecuencia efectiva del estator es baja, la velocidad sincrónica del campo rotatorio es baja, y el eje del motor gira lentamente. Si el SCR permanece en CONDUCCION solamente durante un corto tiempo la frecuencia del estator se aumenta y la velocidad sincrónica aumenta y la velocidad del eje del motor aumenta

• El funcionamiento de un convertidor de frecuencia variable es basicamente la misma que la de un inversor. La frecuencia del voltaje aplicada al estator se determina por la cantidad de tiempo que los SCR se mantienen en CONDUCCION.