Convertidores y Selección de Motores Eléctricos

Introducción a los Convertidores de Regulación en Máquinas de CA

El motor asíncrono crea un campo magnético. Este campo alcanza al disco. Si hacemos girar el imán, también girará el disco. La velocidad del rotor es ligeramente inferior a la de sincronismo, lo que se conoce como deslizamiento. Esta característica constructiva del motor expresa la diferencia entre la velocidad de sincronismo y la del rotor.

Arranque directo / Arrancador estático – Rampas

La orden de marcha produce el cebado de los tiristores con un ángulo de retardo α. Durante el tiempo de rampa, el retardo se va reduciendo. Al final del tiempo de rampa, el retardo es 0, llegando toda la tensión a bornes del motor.

Convertidores Estáticos de Potencia para Accionamientos de CA (AC-AC)

Cicloconvertidores

Inconvenientes: Caros, mal factor de potencia, restricciones en la conversión de frecuencia.

(AC-DC-AC): Rectificador – etapa DC – inversor.

Convertidores DC-AC (Inversores)

Inversor Trifásico

El inversor trifásico puede estar compuesto por semiconductores controlados, fundamentalmente de:

Tiristores (conmutado por red): Ángulo α entre 90° y 180°.

IGBT’s (autoconmutado o inversor PWM): Es posible controlar a voluntad el factor de potencia de la intensidad inyectada a la red.

Inversor trifásico totalmente controlado (autoconmutado)

Resumen de Convertidores

Convertidores Autoconmutados

• Completamente controlados.
• Basados en la tecnología de IGBT’s o IGCT’s.
• Potencias de 100 MW y aumentando.
• Rendimiento del 96-98%.

Convertidores Conmutados por Línea

• Basados en la tecnología de tiristores.
• Pobre factor de potencia.
• Elevada THD: grandes filtros.
• Potencias de más de 10 MW.

Convertidores Electrónicos para Control de Generadores

Ejemplos: GAMMA 60, ENERCON E40.

Convertidores Electrónicos: Futuro

Convertidor back to back

Inconvenientes: Presencia del condensador en la etapa DC, elevadas pérdidas en la conmutación.

Tipos de Back to Back

*MATRICIAL

Topología: Combina interruptores conectando convenientemente las entradas y salidas del convertidor, para obtener la intensidad, voltaje y frecuencia deseadas.

Ventajas: Los interruptores están aprovechados por igual: menos estrés térmico, no necesitan condensador.

Inconvenientes: El voltaje de salida está limitada a 0,866 veces la de entrada. Para dar la misma potencia, se debe aumentar la intensidad en 1,15 veces la del back to back (aumentan las pérdidas por conducción). Al no tener condensador, si el voltaje está desequilibrado, se distorsionan las intensidades.

*MULTINIVEL

Clasificación de Topologías

Ventajas: Para la misma distorsión, la frecuencia de conmutación se reduce hasta el 25%. Aunque hay más pérdidas por conducción, aumenta la eficiencia global.

Inconvenientes: Desequilibrios entre los voltajes DC obligan a realizar más medidas, desigual estrés de los semiconductores.

*RESONANTE

Ventajas: Menos pérdidas por conmutación.

Inconvenientes: Hardware y software más complejos (más sensores para mantener la resonancia), desequilibrios entre las tensiones DC.

Controladores y Moduladores

El inversor autoconmutado puede proporcionar una salida controlada en voltaje (1) o una salida controlada en intensidad (2).

1- Salida Controlada en Voltaje

Posibles esquemas:

1.1 Rectificador controlado o chopper + inversor en onda cuadrada (six steps)

Control del inversor en onda cuadrada: disparo de interruptores de modo que el voltaje aplicado a la fase a resulta: El voltaje de fase está delimitado por los 6 estados activos del puente. Ejemplo: fase a. Cuyo primer armónico es: Uan1=2*Udc*senwt/pi. Máxima amplitud: 2*Udc/pi. Los voltajes ub y uc son iguales a la ua desplazadas +120° y -120°. Inconvenientes: elevada THD; precisa fuente de voltaje continua variable.

1.2 Rectificador de diodos + inversor PWM: A partir de una fuente de voltaje fija, proporcionan un voltaje de amplitud y frecuencia variables. Control: comparando la referencia de voltaje deseada (señal moduladora) con una señal Δ de mayor frecuencia (señal portadora). Por cada fase, los pulsos de control de los semiconductores resultan pulsos como los de la figura. El primer armónico del voltaje fase neutro resulta: Uan1=Ma*Udc*sen(wt)/2. Máxima amplitud: Udc/2. Siendo Ma el índice de modulación de amplitud o relación entre las amplitudes de la onda moduladora y de la portadora. Ma ∈ [0,1].

2- Salida Controlada en Intensidad

Cuando la referencia que se impone sobre el inversor es de una señal de intensidad (amplitud y frecuencia), el convertidor se comporta como una fuente de intensidad. Modos de control: comparación con histéresis y comparación a frecuencia fija.

2.1 Comparación con banda de histéresis

2.2 Comparación a frecuencia fija: Se genera una referencia de voltaje (moduladora) a partir de la salida de un regulador de intensidad.

Selección y Dimensionamiento del Motor Eléctrico

Los motores eléctricos son conversores de energía para procesos cinemáticos, como los que tienen lugar en la tecnología de la mayoría de las máquinas accionadas. He aquí algunos ejemplos:

Aplicaciones de motor: máquinas herramienta, grúas, elevadores, vehículos, bombas, ventiladores, compresores, prensas, máquinas de curvado, laminadores, calandrias, etc.

Procesos actuadores: correderas y válvulas, dispositivos de alimentación, aplicaciones robóticas, procesos cinemáticos en enlaces de control.

Todos los procesos cinemáticos implican las variables fuerza – par – potencia – energía y tiempo. Los sólidos, líquidos o gases cambian de posición en función del tiempo. Pero otros conceptos como la velocidad, aceleración, rendimiento, etc. también desempeñan un papel. Los motores eléctricos toman su energía de fuentes de alimentación de utilidad y la convierten en energía mecánica.

Un motor subdimensionado no dará buenos resultados con un servicio continuo. Un motor sobredimensionado origina gastos innecesarios, su funcionamiento es poco económico (> coste de adquisición, inferior rendimiento en su funcionamiento, mayores pérdidas y necesidad de más refrigeración) y puede cargar la máquina con un par acelerador excesivamente elevado.

Factores Importantes

• Transmisión de potencia: Como accionamiento único, el motor puede acoplarse directamente a la carga o mediante una transmisión, o bien puede utilizarse como motor central conectado a ejes intermedios, transmisiones por correa y por cadena, etc.
• Condiciones de funcionamiento: Las condiciones de funcionamiento, como la capacidad de sobrecarga, frecuencia de arranque, modo de funcionamiento, pares máximos, temperatura ambiente, etc., no solo afectan a las dimensiones requeridas para el motor, sino también a la selección de los accesorios del mismo.
• Condiciones de espacio: Estas condiciones y las posibilidades de disposición del sistema completo influyen sobre todo en la selección de los accesorios del motor.

Capacidad del Motor

El motor de inducción trifásico se utiliza con más frecuencia en las tecnologías de accionamiento debido a su sencilla estructura mecánica y eléctrica y a su alta fiabilidad. Su aplicación solo está limitada por sus características de par y velocidad.

Capacidad del Motor

El paso de la intensidad por el bobinado del estator y el rotor genera calor. Este calor no puede exceder las temperaturas especificadas para los materiales de aislamiento clase IP. Las temperaturas que se generan dependen del nivel de carga del motor, su variación con el tiempo y las condiciones de enfriamiento:

• El par necesario para acelerar la masa centrífuga aumenta el tiempo de aceleración del motor. La intensidad de arranque que fluye en este momento calienta el bobinado de forma dramática.
• La máxima frecuencia de conmutación, es decir, el número de arranques consecutivos, es limitada. Cuando los procesos de arranque son frecuentes, el motor alcanza el límite de temperatura permitido, incluso sin el par de carga y sin una masa centrífuga adicional.
• El ciclo de servicio es otro factor importante en la selección del motor. El tiempo de enfriamiento en los intervalos de conmutación debe ser suficiente para que el límite de temperatura no se exceda con el siguiente arranque. Si el ciclo de servicio es corto, el motor puede aceptar una carga mayor, dado que no puede calentarse hasta el límite de temperatura durante ese corto periodo de tiempo y se enfría de nuevo durante los intervalos.
• Los motores subdimensionados pueden sobrecargarse térmicamente debido a un tiempo de arranque demasiado largo, mientras que los motores sobredimensionados sobrecargarían la transmisión y la máquina accionada durante el proceso de arranque.

Datos de Catálogo y Parámetros de Aplicación

La mayoría de los requisitos de aplicación recurren al denominado “motor estándar”, que suele ser un motor de inducción. A fin de seleccionar un motor apropiado que se ajuste a las especificaciones del fabricante, es necesario establecer una serie de requisitos mínimos relacionados con:

• Suministro eléctrico.
• Características eléctricas y mecánicas del motor.
• Condiciones de funcionamiento.
• Costes de inversión, funcionamiento y mantenimiento.
• Vida útil.
• Medidas de protección medioambientales y contra accidentes.

FACTORES DE SELECCIÓN: TIPO DE MOTOR Y POTENCIA NOMINAL

Factor de selección / Característica del motor: par > potencia, momento de inercia > tiempo de arranque, pares de carga típicos > par motor, análisis de diseño según: (par de carga, par acelerador, tiempo de aceleración, frecuencia de inversión) > optimización (par motor, tiempo de arranque, capacidad de aceleración, calentamiento del motor), modos de funcionamiento > calentamiento del motor, condiciones de arranque > características del par, frenado e inversión > calor de frenado, procesos térmicos > capacidad.

FACTORES DE SELECCIÓN: TIPO DE MOTOR Y POTENCIA NOMINAL

Factor de selección / Característica del motor: par > potencia, momento de inercia > tiempo de arranque, pares de carga típicos > par motor, análisis de diseño según: (par de carga, par acelerador, tiempo de aceleración, frecuencia de inversión) > optimización (par motor, tiempo de arranque, capacidad de aceleración, calentamiento del motor), modos de funcionamiento > calentamiento del motor, condiciones de arranque > características del par, frenado e inversión > calor de frenado, procesos térmicos > capacidad.

Determinación del Valor Nominal Unitario

El valor nominal unitario de un motor puede determinarse según varios aspectos, ya que cada requisito de aplicación es diferente.

Datos de Catálogo

El grado con el que un motor individual cumple los requisitos puede determinarse comparando el motor con los datos de catálogo del fabricante:

• Diseño del rotor y, por consiguiente, la característica del par.
• Sistema de refrigeración.
• Tipo de aislamiento de los bobinados.
• Estilo.
• Tipo de instalación.
• Grado de protección y dispositivos protectores, además de otros datos.

Condiciones de Funcionamiento

Datos importantes para el diseño del motor:

DATOS PARA DEFINIRSE / OBS:

• Par antagonista Nm (constante, aumento cuadrático, curva espacial) / convertir para eje de motor, si es necesario, hablar con fabricante si es necesario.
• Momento de inercia de carga kgm^2 / convertir para máxima velocidad del motor.
• Tipo de arranque (estrella-triángulo, arranque a plena carga, arranque sin carga, otros métodos) / arranque estrella-triángulo intensificado si es necesario, arrancador suave o controlador de carga si es necesario.
• Frenado eléctrico / frenado de contramarcha o dinámico.
• Modo de funcionamiento: S1 funcionamiento continuo, S2 minutos, servicio temporal, S3 %, tipo de servicio periódico intermitente sin arranque, S4 %, c/h, servicio periódico intermitente con arranque, S5 %, c/h, servicio periódico intermitente con arranque y frenado eléctrico, S6 %, tipo de servicio de funcionamiento continuo, S7 c/h, servicio de funcionamiento continuo con arranque y frenado eléctrico, S8 %, c/h, servicio periódico de funcionamiento continuo con cambios de carga/velocidad relacionados, S9 servicio con variaciones de carga y velocidad no periódicas.
• Temperatura ambiente °C.
• Altura msnm.
• Sentido de rotación: a la derecha, a la izquierda, o ambos.
• Ajuste de velocidad: método y desde … y …
• Influencias climáticas: considerar humedad relativa.

Carga de rodamiento y axial: (fuerza axial N, dirección de fuerza respecto a posición de eje), (fuerza radial N, indicar distancia respecto al saliente del eje), (fuerzas rotativas N).

Procedimiento para Seleccionar Motores

El primer punto que debe considerarse es la potencia de salida obtenida con el servicio continuo. Dado que la vida útil de las máquinas eléctricas depende en gran medida de la temperatura de funcionamiento continua.

El segundo punto que debe tenerse en cuenta es si el motor es apropiado para las condiciones de arranque en lo que a tiempo o par de arranque se refiere. En el caso de los motores con modos de funcionamiento complejos (S2 … S9), las consideraciones son básicamente las mismas, aunque suele ser necesario consultar con los proveedores debido a las condiciones variables de la carga y a las temperaturas fluctuantes del bobinado.

Datos de catálogo para motores: datos a definir / obs:

• Requisitos eléctricos (tipo de intensidad, intensidad trifásica, intensidad monofásica, frecuencia) / (voltaje de funcionamiento, para los motores multivoltaje indicar todos los valores y tolerancias posibles).
• Datos catálogo: (designación de tipo, valor nominal, velocidad, intensidad nominal, intensidad nominal/arranque mínima, par, par nominal/mínimo, par nominal/desincronización, para nominal/arranque máximo) / (especificaciones del fabricante, para motores con varias velocidades valor por velocidad, para motores con varios polos velocidad por potencia de salida, especificaciones del fabricante, especificaciones del fabricante, para aplicaciones especiales, especificaciones del fabricante (x3)) // (momento de inercia kgm^2, rendimiento en %, tiempo bloqueo máximo s, tiempo arranque máximo s, tolerancias) / (especificaciones del fabricante x4, establecidas por normas).
• Tipo de diseño: (conmutación, triángulo estrella, tipo de rotor, rotor jaula de ardilla, rotor bobinado, modelo, tipo de protección, tipo de enfriamiento, enfriamiento interno manual, enfriamiento automático exterior, enfriamiento de circuito cerrado independiente, tipo de aislamiento, B, F, H) / (para arranque estrella triángulo, especificar siempre triángulo, IEC 34-7 pieza 7 x2, indicar límite de temperatura si es necesario).
• (Amplitud de vibración, nivel de ruido, normas especiales, caja de bornas extremos axiales, componentes exteriores e interiores, frenos, tacogenerador, calentador de espacios, ventilación independiente, herramientas medidoras de temperatura, protección del termistor, interruptor bimetálico, resistores PTC) / (normal o reducida, dB, normas eléctricas y mecánicas, indicar tipo de protección y diseño si es necesario, indicar interruptor o enchufe si es necesario, para rodamientos o bobinados del estator, contactos de conexión o corte).

Arranque directo

Arrancador estático – Rampas

Tiristores (conmutado por red)

IGBT’s (autoconmutado o inversor PWM)

Inversor trifásico totalmente controlado (autoconmutado)

matricial / multinivel

Rectificador controlado o chopper + inversor en onda cuadrada (six steps)

Rectificador de diodos + inversor PWM