Accionamientos Eléctricos

Introducción a los Accionamientos Eléctricos

Objetivo: Conseguir una respuesta determinada de un sistema mecánico, que puede ser:

• Una velocidad de referencia
• Un par de referencia
• Una posición de referencia

Objetivos de los Accionamientos Eléctricos:

• Fijar, mantener velocidad
• Arrancar y parar suavemente
• Ajustar parámetros mecánicos
• Sincronizar velocidad de motores
• Control de aceleración

Partes de un Accionamiento:

• Sistema de regulación
• Fuente y convertidor electrónico
• Motor eléctrico
• Sistema de transmisión
• Carga mecánica

Aplicaciones de los Accionamientos:

• Procesos industriales
• Maquinaria
• Acondicionamiento frío y calor
• Industria acero, papel
• Transporte
• Industria textil, alimentaria
• Industria gas, petróleo, minería
• Residencial

Tipos de Motores:

• Media y gran potencia: Motores de inducción (MI) de jaula de ardilla, controlados con convertidores electrónicos.
• Motores síncronos (MS) de imanes permanentes (media potencia), debido al desarrollo de nuevos materiales (imanes) y su rendimiento.
• Media y baja potencia: Motores de corriente continua (MCC) controlados con puentes rectificadores o troceadores (choppers), sin embargo su uso es cada vez menor.

Requerimientos del Sistema Mecánico

Dinámica

• Control de aceleración
• Tiempos cortos en arranque, paro e inversión
• Tiempos cortos en cambios de velocidad

Precisión

• Mantener la velocidad constante
• Suministrar par a bajas velocidades
• Parar en posición

Ventajas de los Accionamientos Eléctricos y Motores

Par Resistente: Oposición de la carga a ser movida, en general, es función de la velocidad de giro (en algunos casos también depende de la posición).

Categorías

• Pares invariables con la velocidad
• Pares linealmente dependientes de la velocidad
• Pares que dependen del cuadrado de la velocidad
• Pares que dependen inversamente de la velocidad

Sistemas Típicos

• Momento de inercia de sistemas rígidos (En un sistema mecánico rígido todas las masas se mueven a la misma velocidad y, si hay reductores de velocidad, la relación entre las velocidades es fija. / Si no hay reductores de velocidad el momento de inercia total es la suma de las inercias de las masas).
• Movimiento rotativo: aceleración
• Cajas de engranaje o reductores de velocidad (El momento de inercia es la suma de los momentos de inercia de los distintos elementos del sistema).
• Sistemas con movimiento giratorio y lineal (Si el accionamiento incluye una conversión mecánica entre un movimiento giratorio y uno lineal, a través de poleas, husillos, tornillos sin fin, etc.: se ha de tener en cuenta la masa de los elementos en traslación para calcular el momento de inercia total visto desde el motor).

Accionamiento

Conjunto interactuante constituido por una carga, un motor impulsor, elementos de acoplo y equipo de comando, todo inmerso dentro del ámbito general que es el sistema de suministro de energía.

Su Estudio

Se enfoca al conocimiento, cálculo, diseño y aplicación de:

• Las características electromecánicas de los diferentes tipos de motores
• La carga a ser impulsada y su relación con el motor
• Los elementos de acoplo entre el motor y carga
• Los elementos y sistemas de control y comando necesarios para que el motor satisfaga los requerimientos de la carga según las especificaciones de operación

Características Electromecánicas de los Motores Eléctricos

De acuerdo con lo anterior, resulta posible ir desplazando la zona de torque máximo a fin de aplicar mayor torque dinámico a la carga durante el periodo de aceleración, lo que se puede hacer desde el arranque.

Tiempo de Rotor Bloqueado

Es aquel necesario para que los bobinados de la máquina, cuando por ellos circulan corrientes de arranque, alcancen su temperatura límite según su aislante, depende del diseño de la máquina.

Elementos de Acoplo

Rígidos

• Sistemas de correa-poleas
• Cajas reductoras
• Cadenas y piñones

Flexibles

• Acoplamientos hidráulicos
• Acoplamientos de corrientes parásitas

Torque o Momento de Carga

Torques de Carga

Torque Constante

• Compresores de pistón
• Bombas de pistón
• Grúas
• Cabestrantes
• Correas transportadoras

Torque Lineal o Proporcional a la Velocidad

• Laminadoras
• Pulidoras
• Esmeriles

Torque Tipo Cuadrático o Parabólico

• Bombas
• Ventiladores

Torque de Tipo Inverso o Hiperbólico

• Máquinas bobinadoras de hilo, papel
• Tornos

Torques No Definidos

Energías Asociadas al Arranque

Energía disipada en el motor durante el arranque.

Métodos para Reducir Pérdidas de Arranque

• Empleo de motores de la mitad de potencia
• Reducción del momento de inercia de la carga
• Arranque en dos velocidades (motor de dos velocidades)

Frenado

Implica dos modalidades de operación:

• Freno de inmovilización
• Frenado o retardamiento eléctrico (regenerativo, dinámico o reostático, por contracorriente)

Estabilidad de un Accionamiento

Un accionamiento se encuentra en equilibrio cuando el torque desarrollado por el motor es igual al requerido por la carga en el punto de operación.

Condición de Estabilidad: Curva T-n (Tl pendiente +, Tm pendiente -) es estable.

Calentamiento y Efectos Térmicos en Máquinas Eléctricas

• S1: Servicio permanente
• S2: Servicio de corta duración
• S3: Servicio intermitente periódico sin influencia del proceso de arranque
• S4: Servicio intermitente periódico con influencia del proceso de arranque
• S5: Servicio intermitente periódico con influencia del proceso de arranque y con frenado eléctrico
• S6: Servicio permanente o ininterrumpido con periodos con y sin carga
• S7: Servicio periódico ininterrumpido con frenado eléctrico
• S8: Servicio periódico ininterrumpido con variaciones de carga y velocidad
• S9: Servicio ininterrumpido con cambio no periódico de la carga y de la velocidad
• S10: Servicio con cargas constantes distintas

Convertidores Electrónicos para Motores DC

Máquinas de corriente continua: pueden operar en los 4 cuadrantes.

Controladores CA/CC

• Rectificadores de potencia
• Variadores de velocidad de motores de corriente continua

Convertidores CC/CC

• Troceadores
• Variadores de velocidad de motores de corriente continua
• Tracción eléctrica

Controladores CA/CA

• Arrancador suave
• Compensador estático SVC SVS

Convertidores CA/CA CC/CA

• Inversores
• Variadores de velocidad

Transistores Bipolares

• Son muy fáciles de controlar
• Las pérdidas en conducción son reducidas, ya que la caída de voltaje en conducción se encuentra normalmente entre 1 y 2 V
• Las pérdidas de conmutación son moderadas, por lo que la frecuencia máxima de conmutación está alrededor de 3 kHz
• No soporta potencias muy elevadas: las máximas tensiones e intensidades disponibles son 1.400 V y 300 A.

Transistores MOSFET

• Muy fáciles de controlar
• Presenta unas pérdidas de conmutación reducidas, por lo que la frecuencia de conmutación puede ser superior a 100 kHz
• Por el contrario, sus pérdidas en conducción son elevadas
• Con los transistores MOSFET se pueden alcanzar tensiones de unos cuantos centenares de voltios e intensidades de decenas de amperios.
• El transistor MOSFET es más caro que el transistor bipolar, pero son una alternativa en aplicaciones de baja tensión en caso de que se desee una elevada frecuencia de conmutación.

Transistores IGBT

La frecuencia máxima de conmutación de los IGBT es de 20 kHz.

• Otro inconveniente consiste en su reducida capacidad para soportar derivadas de tensión elevadas.
• Las tensiones e intensidades límites de los IGBT son 3300 V y 1200 A.
• Se utilizan donde sea necesario aumentar la frecuencia de conmutación
• Combinación de un MOSFET y un bipolar
• Precisa sólo dos pequeños impulsos de corriente para encenderlo o apagarlo
• La caída de tensión en conducción es reducida e independiente de la corriente, por lo que sus pérdidas en conducción son también bajas, aunque casi de valor doble de las que se dan en un transistor bipolar.
• Las pérdidas de conmutación de los IGBT son algo mayores que las de los otros tipos de transistores mencionados debido a la corriente de cola en el bloqueo.

Tiristores

Es el semiconductor de potencia más robusto y fiable, ya que, a diferencia del transistor, puede soportar elevadas sobreintensidades durante tiempos reducidos.

Ventaja: Soporta grandes tensiones e intensidades

Inconveniente: No se puede apagar directamente mediante una señal de puerta, por lo que precisa de una red de apagado que someta al tiristor a una tensión inversa

Su aplicación ha quedado limitada al caso de convertidores de potencia elevada en los que la conmutación de los tiristores es auxiliada por la carga.

Tiristor GTO

Ventaja: Se puede apagar mediante un impulso de corriente negativo en su puerta.

Inconveniente: Está en las elevadas pérdidas de conmutación, ya que el impulso que se ha de proporcionar para su apagado tiene una amplitud 5 veces menor, aproximadamente, que la corriente a bloquear. Por el contrario sus pérdidas en conducción son reducidas. Es capaz de manejar grandes tensiones y corrientes.

Tiristor IGCT

Tiristores controlados de puerta aislada combinan las cualidades de los tiristores (como la baja resistencia en conducción, o su robustez) con las de los IGBT (capacidad de apagado por puerta o los niveles de corriente de saturación).

Convertidores Electrónicos CA/CC

Rectificador

Pueden ser controlados o no controlados. La tensión alterna de entrada puede ser de magnitud fija o variable. Los rectificadores controlados permiten variar y controlar el valor medio de una tensión continua a partir de una tensión alterna. Se construye con tiristores (o diodos) de potencia. Pueden rectificar e invertir potencia. Son equipos de gran eficiencia.

Ventajas

• Control rápido de tensión continua o de la corriente continua (según el control)
• Regulación de tensión continua (aceleración-frenado suave de motores de corriente continua)
• Regulación de velocidad con menores pérdidas
• Fácil mantenimiento

Desventajas

• Genera contaminación armónica hacia el sistema de corriente alterna
• Necesidad de filtros y/o condensadores de compensación de factor de potencia
• Necesidad de personal especializado para el mantenimiento y control
• Costos

OJO: Mediante un rectificador controlado de IGBT’s es posible controlar dos variables del sistema.

• Además, con una adecuada modulación de los pulsos de disparo de los transistores del puente, es posible conseguir una corriente en la máquina con un contenido en armónicos muy reducido.
• El convertidor es reversible, es decir la transferencia de potencia puede ser en ambos sentidos.

Convertidores Electrónicos CC/CC

En muchas aplicaciones se dispone de una fuente de corriente continua constante y se requiere una tensión de corriente continua variable. Puede ocurrir que se disponga de una fuente de corriente continua pobremente regulada y se desee, a partir de ella, obtener una tensión regulada de forma precisa.

• La aplicación más típica es la regulación de motores de corriente continua (trenes, metros y otras aplicaciones). En general se suele rectificar la tensión alterna de la red de media tensión por medio de puentes rectificadores (trifásicos, hexafásicos o dodecafásicos). De esta manera se establece una red de corriente continua fija a partir de la que se genere una tensión variable y regulada con la finalidad de controlar la velocidad o el par de los motores de corriente continua.
• La regulación de una tensión continua fija (o pobremente regulada) se realiza mediante troceadores o choppers de corriente continua. Existen tipos de choppers que difieren entre sí según sea el número de cuadrantes del diagrama tensión-corriente en los que son capaces de trabajar.

Chopper

Permite variar y controlar el valor medio de la tensión continua de salida con la que alimentamos una carga, mediante una entrada de tensión continua constante o variable.

• Pueden trabajar en los 4 cuadrantes (1 o en el 1 y 2)
• Es un equipo que puede manejar altas potencias y de gran rendimiento

Ventajas

• Regulación continua de la tensión (aceleración-frenado suave)
• Regulación de velocidad con menores pérdidas
• Posibilidad de regeneración
• Control prácticamente constante
• Fácil mantenimiento

Desventajas

• Necesidad de filtros (de continua)
• Personal especializado para el mantenimiento, control
• Costos

Tipos

• Chopper directo 1 cuadrante
• Chopper inverso 2 cuadrantes
• Chopper de 2 cuadrantes 1 y 2
• Chopper de 4 cuadrantes

Regulación de la Máquina de Corriente Continua

Relación Par-Velocidad

• Motor de corriente continua de excitación independiente en régimen permanente
• Máquina de corriente continua de excitación serie

Los accionamientos modernos de motores de corriente continua suelen llevar:

• Puentes rectificadores controlados: Regulación en 2 cuadrantes
• Puentes rectificadores dobles o duales: Regulación en 4 cuadrantes
• Choppers directos e inversos: Regulación en 1 cuadrante
• Choppers de 2 y 4 cuadrantes: Regulación en 2 cuadrantes

En máquinas de corriente continua de excitación independiente:

• Región 1 (que cubre el intervalo de velocidad cero a velocidad nominal) la regulación se hace por control de la tensión aplicada al inducido.
• Región 2 la regulación se hace por control de la corriente de excitación.

En casos de máquinas de corriente continua serie, solo se puede controlar la tensión aplicada a la máquina o la corriente en todo el margen de velocidades.

carga

pérdidas eléctricas

temperatura