Accionamientos de Motores de Induccion

7/25/2019 Accionamientos de Motores de Induccion

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ACCIONAMIENTOSACCIONAMIENTOSDE MOTORES DE INDUCCIDE MOTORES DE INDUCCINN

Herman FernHerman FernndezndezDepartamento IngenierDepartamento Ingeniera Electra Electrnicanica

Centro de ElectrCentro de Electrnica de Potencia y Accionamientos (CEPAC)nica de Potencia y Accionamientos (CEPAC)Junio 2005Junio 2005

hfernandezhfernandez@@poz.unexpo.edu.vepoz.unexpo.edu.ve


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CONTENIDOCONTENIDO

Fundamentos de los accionamientos de motoresFundamentos de los accionamientos de motores DefiniciDefinicinn Diagrama de bloques genDiagrama de bloques genrico de un accionamientorico de un accionamiento ClasificaciClasificacinn Tipos de cargasTipos de cargas Dispositivos semiconductores e inversoresDispositivos semiconductores e inversores El transistor bipolar de compuerta aislada (IGBT) y el IGCTEl transistor bipolar de compuerta aislada (IGBT) y el IGCT La mLa mquina de inducciquina de induccinn

Estudio de la mEstudio de la mquina en rquina en rgimen permanentegimen permanente Estudio dinEstudio dinmico del motor de induccimico del motor de induccinn Control escalarControl escalar Diagrama de bloques de un accionamiento de controlDiagrama de bloques de un accionamiento de control

escalarescalar LimitacionesLimitaciones Principios del control vectorial de motores de inducciPrincipios del control vectorial de motores de induccinn Control vectorial directoControl vectorial directo Control vectorial indirectoControl vectorial indirecto Diagrama de bloques de accionamientos comercialesDiagrama de bloques de accionamientos comerciales AplicacionesAplicaciones


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ACCIONAMIENTO DE MOTORESACCIONAMIENTO DE MOTORES

Un accionamiento para motores esUn accionamiento para motores esun sistema electrun sistema electrnico capaz denico capaz deregular la variable de procesoregular la variable de procesocomo la velocidad, par o posicicomo la velocidad, par o posicin,n,

en concordancia a la referencia oen concordancia a la referencia oseseal de comando solicitada, aal de comando solicitada, anncuando se presenten cambios encuando se presenten cambios en

la demanda de la carga y sela demanda de la carga y seregistren perturbaciones en elregistren perturbaciones en elsuministro de energsuministro de energa ela elctrico.ctrico.


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PROPIEDADES DE UN ACCIONAMIENTO

Excelente dinExcelente dinmicamica

Exactitud en la velocidad, par a desarrollar oExactitud en la velocidad, par a desarrollar ofijacifijacin de la posicin de la posicinn

Amplio margen para la regulaciAmplio margen para la regulacin de lan de lavelocidadvelocidad

Funcionamiento en los cuadrantes deFuncionamiento en los cuadrantes de

operacioperacin requeridos por el tipo de aplicacin requeridos por el tipo de aplicacinn Tolerancia a perturbaciones mecTolerancia a perturbaciones mecnicas que senicas que se

registren en el eje del motor, esto es,registren en el eje del motor, esto es,demandas en el par de arranque y de servicio,demandas en el par de arranque y de servicio,frecuencias de oscilacifrecuencias de oscilacin en el sisteman en el sistema

mecmecnico, etc.nico, etc. Posibilidad de operaciPosibilidad de operacin sin sensores den sin sensores de

velocidad manteniendo un buen factor develocidad manteniendo un buen factor deregulaciregulacin.n.


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DIAGRAMA GENERICO DE UN ACCIONAMIENTO

Fuente

energa

elctrica

AC o DC

Convertidores

Electrnicos de

Potencia

CEP

Mquina

elctrica

rotativa

Sensores de

velocidad,

posicin, trmico(Opcional)

Prdidas por

armnicos en el

CEP

Prdidas por

conduccin y

conmutacin CEP y

redes Snubber

Prdidas en arrollado, ncleo, acoplamiento mecnic

carga y motor

Carga

mecnica

Medicin de la

variable de

proceso(Opcional)

Sensores de

variableselctricas

Sensores de

variableselctricas

Unidad de control

adquisicin y supervisin

Unidad de regulacin

modelo y estimadores

del motor

Sealesde

comando

Unidad de interfase

Control local

Puertos entrada - salida

analgicos y digitales

Control remoto

Mquina como motor

Mquina como generador

Comunicacin


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DIAGRAMA GENERICO DE UN ACCIONAMIENTO AC

InversorMquina

ACFiltroRectificador

Controlador

Variables Medidas

Fuente AC de1 3 Fases

Comando de

Velocidad

Rectificador: Convierte la tensin alterna en una tensin de corriente continua. Puede ser del tipo no controlado(diodos) o controlado (SCRs). De accionamientos de ms sofisticados, el rectificador est implementado con IGBTs

para fijar un factor de potencia unitario y devolver energa a la red durante el frenado regenerativo.Filtro: Etapa que elimina el rizado generado por el rectificador. Almacena energa en un banco de condensadores

para reducir efecto de pulsacin y suplir de energa al motor durante una demanda considerable de la carga. Se

conforma por un arreglo de bobina y condensador o solamente condensador cuando se gobiernan motores de muybaja potencia.Inversor: Convierte la tensin continua de entrada en tensin alterna a la salida de voltaje y frecuencia variable.Se compone de transistores o tiristores con control de encendido y apagado por compuerta. Actualmente seemplean los inversores de tres niveles.Controlador: Seccin de control y regulacin encargada de optimizar par desarrollado por el motor en un ampliorango de velocidad en funcin de la consigna de entrada. Acopla y genera los patrones de conmutacin a los

dispositivos del inversor basado en tcnicas de modulacin: SPWM, MSPWM, HIPWM, SVPWM, etc. Comanda alrectificador de entrada cuando se trata de dispositivos con control de compuerta. Decide el cuadrante de operacinen funcin de la seal de referencia y el comportamiento dinmico de la carga.


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Accionamientos AC vs. DC


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METODOS DE CONTROL DE VELOCIDADDE MOTORES DE INDUCCION

Mtodos de Control

Frecuencia Variable

Control Escalar Control Basadoen Vectores

LinealizacinRealimentacin

Control

Directo de Par(DTC)

Control

OrientacinCampo

(FOC)

V / FConstante

Control

basadoPasividad

(PBC)

Orientando

Flujo

Rotor

Orientando

Flujo

Estator

Control Directo

Par

Neuro-Borrosa

Trayectoria

Circular

Flujo

(Takahashi)

Trayectoria

Hexagonal

Flujo

(Depenbrock)

Directo(Blaschke)

Indirecto(Hasee)

Orientacin

NaturalCampo

(Jonsson)


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DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIAUSADOS EN ACCIONAMIENTOS AC

Diodos rpidosSCR (Rectificador Controlado de Silicio)

PBJT (Transistor Juntura Bipolar)MOSFET (Transistor de Efecto de Campo de Metal Oxido de Silicio)

IGBT (Transistor Bipolar de Compuerta Aislada)GTO (Tiristor de Apagado por Compuerta)

IGCT (Tiristor con Circuito Compuerta Integrado)MCT (Tiristor Controlado por MOSFET)MTO (Tiristor de Apagado por MOSFET)


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EL TRANSISTOR BIPOLAR DE COMPUERTA AISLADA

IGBT

IGBT Canal N

C

G

E

Colector

Compuerta

Emisor

N+

N

Capa - Epi

N+

Capa de SiO2

P

Substrato P+

Metal

P

J1

J2

Smbolo y estructura


11/98


Colector

Compuerta

Emisor

N+

NCapa - Epi

N+

Capa de SiO

2

P

Substrato P+

Metal

P

Inyeccin dePortadoresMinoritarios

CorrientePr

incipal

J1

J2

VGE

RL

CompuertaEmisor

Colector

Mosfet

Diodo

Resistencia

deEmisor

Corriente

Principal

TiristorPa

rsito

Transistor en conduccin


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Caractersticas:Controlado por tensinCapacidad para manejar niveles de potencia considerables

Fcil de conectar en paraleloVelocidad de conmutacin rpidaTiempos de conmutacin ajustablesPrdida en conduccin inferior a la del MOSFET

Alta densidad de corriente en un rea reducida del chip

Alta impedancia de entradaCircuito de compuerta sencilloSin zona de segunda ruptura

Aplicaciones

Accionamientos AC de Control Escalar, Vectorial y DTCConvertidores DC/DC y DC/AC de propsito generalFuentes ininterrumpidas de potencia (UPS)

Filtros Activos de PotenciaCompensadores de Energa Reactiva


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Driver IGBTs

IHD215/280/680 CONCEPT


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Tendencia de los IGBTs


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Mdulos para accionamientos AC/DC/AC


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Inversor compacto


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IGCT

En el campo de aplicaciones en alta potencia s esta experimentando connuevos dispositivos semiconductores desarrollados. Por un lado, el IGBT seencuentra disponible en mdulos que manejan niveles de corrientes por

arriba de 1800 amp. a tensiones de bloqueo de 4.5 kV. La alta demandade aplicaciones en sistemas de traccin requiere de dispositivos de granconfiabilidad. Debido a las prdidas elevadas del IGBT a media tensin, laconfiabilidad del mismo en los sistemas de traccin no figura como laideal. Por otra parte, se ha concebido un nuevo dispositivo basado en elTiristor de Apagado por Compuerta, GTO, llamado Tiristor con Controlde Compuerta Integrado, IGCT. Aplicando un manejo fuerte en lacompuerta hard driven, es capaz de conmutar al apagado para bloquearvalores de tensin por arriba de 10 kV, en un arreglo de variossemiconductores en serie sin redes snubbers, lo que garantiza prdidasreducidas durante la conduccin, el apagado y la conmutacin. En mediapotencia se prefiere la utilizacin del IGBT, mientras el IGCT se hacedominante para potencias mayores a 1 MW.


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IGCT

Anodo

Ctodo

Compuerta

A

K

G

A

K

G

A

K

G

(a) (b) (c) (d)

GCT

Fig.1 Smbolos que representan al IGCT: (a) GCT con diodo de libre

circulacin, (b) GCT con circuito de compuerta (IGCT con diodo de librecirculacin), (c) IGCT con seal de compuerta bidireccional, y (d) smbolosimplificado del tiristor


19/98

IGCT


20/98

IGCT


21/98

Comparacin Dispositivos


22/98

Comparacin Dispositivos


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Par / Potencia

Velocidad

Par

Potencia

Bombas de SuccinVentiladores

Tn

Pn

w n

Par / Potencia

Velocidad

Par

Potencia

Sistemas deTransporte Elctrico

Pn

Tn

w n 2.5 w n

Par / Potencia

Velocidad

Par

Potencia

Mquinas HerramientasRobots

Pn

Tn

w n 4 w n

Par / Potencia

Velocidad

Par

Potencia

Desenrrollador

PnTn

w n 3 w n

Par / Potencia

Velocidad

Par BajaVelocidad

Potencia

Elevadores

PnTn

w n

Par AltaVelocidad

Curvas Caractersticas de Par y Potencia

en Funcin de la Velocidad para Distintas Cargas

Par / Potencia

Velocidad

Par

Potencia

Excavadoras

Pn

Tn

w n

TIPOS DE CARGA


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Caracterstica Par - Velocidad

( ) ( ) ( )T t J t T te r L= +


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Perfil de Movimiento - Tiempo

( ) ( ) ( )T t J t T te r L= +

Velocidad

Posicin

Par

Carga


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Caracterstica Par - Velocidad

Mxima Velocidad Motor DirectoFrenado Directo

Motor ReversoFrenado Reverso

Velocidad Nominal

Velocidad Nominal


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INVERSORES (DC/AC)

Los convertidores de cd a ca se conocen como Inversores. La funcin deun inversor es cambiar un voltaje de entrada en cd a un voltaje simtricode salida en ca, con la magnitud de frecuencia deseada. Tanto el voltajede salida como la frecuencia pueden ser fijos o variables. Si se modifica elvoltaje de entrada de dc y la ganancia del inversor se mantiene constante,es posible obtener un voltaje variable de salida. Por otra parte, si el voltaje

de entrada en cd es fijo y no es controlable, se puede obtener un voltajede salida variable si se varia la ganancia del inversor; esto por lo generalse hace controlando la modulacin del ancho de pulso (PWM) en elinversor. La ganancia del inversor se define como la relacin entre elvoltaje de salida en ca y el voltaje de entrada en cd.


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Inversores

19/08/2003 Accionamientos Elctricos

CONVERTIDORES D.C. - A.C. (INVERSORES)

Inversor PWM Fuente de Voltaje (VSI)

a.- Configuracin bsica

b- Ondas de salidas

Motor AC

Vo

Flujo de P otencia

Bidireccional

Flujo de P otencia

Resistencia de Frenado

Unidireccional

+

-

SemiconductorFrenado

DinmicoFiltro

Capacitivo

Voltaje de lnea PWM

Corriente de

Fase


29/98

Inversores


Motor AC

Io

Flujo de Potencia Bidireccional

AC

Rectificador

Controlado

SCRs

+

-


Inversor como Fuente de Corriente (CSI)

a. Configuracin bsica

b. Ondas de salida ideales

a.)

b.)Motor de Induccin Motor Sincrnico Sobre-excitado(sin capacitor o diodos)


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Accionamiento con Control del Factor de Potencia


AC

Motor AC

Inversor

Fuente Voltaje

PWM


Accionamiento AC con bus DC con


(dual), por convertidor a.c. - d.c.

con factor de potencia unitario y

corriente seno de entrada.

Voltaje

Corriente

(Motor)

Corriente

(Generador)

Siemens lo llama Active Front End: AFE


31/98

Accionamiento con FP =1


32/98

INVERSORES (DC/AC)

Vo

Vs

/ 2

Vs

/ 2

R

Q1

Q2

io

t

t

t

Vo

Vs

/ 2

- Vs

/ 2

To/2 T

o

Q1

Q2

io

VT

Vdt

Vo

T

S=F

H

GGG

I

K

JJJ

=z2 4 20 02

0

0 2

1 2

/

/

Factor armnico de la ensima componente, HFn. El

factor armnico (correspondiente a la ensima

armnica), es una medida de la contribucin armnicaindividual y se define como

HFV

Vn

n=1

Distorsin total armnica THD. La distorsin

armnica total, es una medida de la similitud entre la

forma de onda y su componente fundamental, sedefine como

THDV

Vn

n

x

=F

H

GG

I

K

JJ

=1

1

2

2 3

1 2

, ...

/

Factor de distorsin DF. El valor THD proporciona

el contenido armnico total, pero no indica el nivel decada uno de sus componentes.

DFV

V

n

n

n

x

= FHG

IKJ

F

H

GG

I

K

JJ

=1

12

2 3

21 2

, ...

/


33/98

INVERSORES (DC/AC)

INVERSOR TIPO PUENTETRIFASICO

V V

I I

T d

T

=

=mx

mx2 0


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INVERSORES (DC/AC)

Tcnicas de Control

Tcnicas Analgicas:Muestreo Natural

Muestreo Natural Modificado

Tcnica Digital basada en Microprocesadores:PWM uniformePWM senoidal

Modulacin por Posicin de PulsoModulacin DeltaEliminacin Selectiva de ArmnicosTcnica de Control PWM ptimo basada en Microprocesadores:PWM ptimoPWM ptimo con varios modos de controlModulacin por Ancho del Pulso del Vector en el Espacio (SVPWM)


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INVERSORES (DC/AC)

Generacin PWM para inversores

2 Generalidades sobre modulacin


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2. Generalidades sobre modulacin

Secuencia de disparo

TA+ y TA- no puedenestar cerrados a la

vez

TA +

TA -

A

DA+

DA -

0

N

VD

/2

VD

/2

VD

TA+ y TA- no deben

estar abiertos a lavez

TA+ y TA- trabajarn

de forma

complementaria

2 Generalidades sobre modulacin


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Modulacin senoidal-triangular

TA +

TA -

A

DA+

DA -

0

VD

/2

VD

/2

Cul cerramos?

Cunto tiempo?

t

TA+ si VControl>VTriangular

TA- si VControl


38/98


Modulacin continua-triangular

TA +

TA -

A

DA+

DA -

0

VD

/2

VD

/2

TA+ cerrado si VControl>VTriangular

TA- cerrado si VControl


39/98



TA +

TA -

A

DA+

DA -

0

VD

/2

VD

/2




40/98



TA +

TA -

A

DA+

DA -

0

VD

/2

VD

/2




41/98



TA +

TA -

A

DA+

DA -

0

VD

/2

VD

/2




42/98

Ge e a dades sob e odu ac


TA +

TA -

A

DA+

DA -

0

VD

/2

VD

/2




43/98


TA +

TA -

A

DA+

DA -

0

VD

/2

VD

/2




44/98


TA +

TA -

A

DA+

DA -

0

VD

/2

VD

/2




45/98


TA +

TA -

A

DA+

DA -

0

VD

/2

VD

/2

t

VControl

VA0VD/2

-VD/2

-

- -

El valor medio de latensin es positivo

El valor medio de latensin es positivo



46/98


TA +

TA -

A

DA+

DA -

0

VD

/2

VD

/2

t

VControl

VA0VD/2

-VD/2

Tensin media nulaTensin media nula

- -

-



47/98


TA +

TA -

A

DA+

DA -

0

VD

/2

VD

/2

tVControl

VA0VD/2

-VD/2

Tensin media negativaTensin media negativa

- - -

+ + +

INVERSORES (DC/AC)


48/98

SPWM BipolarT1

T4

Circuitos decomando

Comparador

+

-

Referencia

Tensin

Referencia

Frecuencia

GeneradorModulante

Generador

Portadora(a)

PortadoraModulante

Vc

Vm

t

t

(b)

vo1

PWM Bipolarvd

- vd

1 ( 1)o d

V mV m=

1

4 ( 1)>d o dV V V m

seno control m

triangular tri c

V V Vm

V V V

= =

INVERSORES (DC/AC)


49/98

INVERSORES (DC/AC)

SPWM Unipolar

PortadoraModulante

Vc

Vm

t

t

Van

vo1PWM Unipolar

t

Vbn

Vd

Vd

Vd

-Vd

Vo

t

o AN BN v v v=

1 4

2 3

1 3

2 4

0

0

0

0 0 0

AN d BN o d

AN BN d o d

AN d BN d o

AN BN o

T T v V v v V

T T v v V v V

T T v V v V v

T T v v v

= = =

= = =

= = =

= = =

INVERSORES (DC/AC)


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Generador SPWM para inversor trifsico

T1

T4

Circuitos de

comandoComparador

+

-

Referencia

Tensin

Referencia

Frecuencia

Generador

Modulante

Generador

Portadora

T3

T6

Circuitos de

comandoComparador

+

-

Generador

Modulante

T5

T2

Circuitos decomando

Comparador

+

-

Generador

Modulante

Va*

Vb*

Vc*

Sa+

Sa -

Sb+

Sb -

Sc+

Sc -

1

3 ( 1)2 2

o dV m V m=

1

3 6 ( 1)2 2

>d o d

V V V m

INVERSORES (DC/AC)


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( / )

SPWM Inversor Trifsico

Portadora

vcontrol A

Vc

t

Van

vLL1

t

Vbn

Vd

Vd

Vd

-Vd

Vo

o AN BN v v v=

t

Vm

vcontrol B

vcontrol C

t


52/98

MAQUINA DE INDUCCION


53/98

d

q

A

CB

C B

A

Ibs

Ias

Ics

( / )synp

rad segp

=

60( / min)

syn

p

n f rp

=

( / )sl syn M

rad seg =

1sl M

syn syn

s

= =

El campo giratorio velocidad angular sincrnica de:

La velocidad sincrnica del campo en revoluciones por minuto es:

La diferencia de la velocidad del rotor,

M, y la velocidad sincrnica,synest dada por,

El deslizamiento, s, es:

Rgimen Permanente:



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Circuito equivalente:

j XlsRs

jX

m

Is

Vs

Im

Is- I

m

Transformador

Ideal

Es Err

j Xlrr Rrr Irr

f f

Circuito

Rotor

Circuito

Estator

Rotor

M

Circuito equivalente por fase en rgimen permanentede un motor de induccin detenido

j Xls

Rs

j Xm

Is

Vs

Im

j Xlr Rr / s Ir

f

mrs jEE == sj rj

M

Rotor

RL

Circuito equivalente del motor de induccinmostrando la resistencia equivalente de carga

Corriente rms del rotor, Irr :( )

22

rrrr

rr lrr

s EI

R s X

=+

Dividiendo por s : 22

rr

rr

rrlrr

E

IR

Xs

= +

MAQUINA DE INDUCCIONCi it i l t


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Circuito equivalente aproximado por fase

j XlsRs

j Xm

Is

Vs

Im

j Xlr Rr / s Ir

f

rssEEV ==

M

Rotor

El par promedio desarrollado est dado por: ou tM

M

P

T =

Debido a que las prdidas ohmicas por el cobre en el rotorocurren en la resistencia Rr, la resistencia Rr/s aparece en elcircuito como un factor separado de Rr por lo que:

1 1L r

R Rs

=

La potencia de salida transferida a la carga. es: 2

3out L r P R I=El par es:

23L r

M

M

R IT

=

Las corrientes en el estator y en el rotor requeridas para la expresin definitiva del parse determinan por la ecuacin matriz:

0

s s mss

rm r r

R jX jXIV

RjX jX I

s

+ = +

MAQUINA DE INDUCCIONCi it i l t


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Circuito equivalente aproximado por fase

j XlsRs

j Xm

Is

Vs

Im

j Xlr Rr / s Ir

f

rssEEV ==

M

Rotor

La reactancia del estator y reactancia del rotor

respectivamente y estn dadas por:

s ls mX X X= +

r lr mX X X= +

El valor rmsde la corriente del rotor es:

2

2

s

rr

ss l

VI

RR X

s

= + +

l ls lr X X X= +

La expresin de par en rgimen permanente es:

2

2

2

1.5

r

p

M s

rs l

R

p sT Vf R

R Xs

=

+ +

El par de arranque se puede obtener haciendo s = 1

( )2

2 21.5

ST

p rM s

s r l

p RT Vf R R X

= + +



57/98

El par mximo, TM,max

llamado par pull-out,se corresponde al valor crtico deldeslizamiento, scr, el cual se determina considerando que el par mximo ocurre cuando lapotencia del entrehierro es mxima. La potencia del entrehierro es la misma que lapotencia absorbida por la resistencia equivalente del rotor Rr/s. Se puede considerar queel resto del circuito va ser una fuente equivalente con una impedancia interna igual a Rs+ j(Xls + Xlr ). La potencia transferida a travs del entrehierro ser mxima al

deslizamiento crtico scr para el cual Rs / scr es igual a la impedancia interna:

2 2

r

cr

s l

Rs

R X=

+

2

,max2 2

0.75 p sM

s s l

p VT

f R R X=

+ +

TM

Rr

Rr

Rr

Incremento de

Resistencia delRotor

Deslizamiento s = 1

TM,Max

Tst

scr

Par

Caracterstica Par Deslizamiento del motorde induccin para varios valores deresistencia del rotor.

CURVAS DE PAR VELOCIDAD POR CONTROL v/f


58/98

Esta tcnica gobierna al inversor mediante PWM para obtener la caracterstica de

salida V1/f1. El voltaje V0 es nesesario para reducir el efecto de la resistencia del

estator.

1f01 fKVV +=

Control Escalar ( v/f )

a.) Caracterstica V1/f1b.) Curva Te/r

(1b) (1 mx)

f1 disminuyendo f 1 aumentando

Zona de

flujo mximo

f1b

(1b) r

Zona debilitamiento

de campo

f1mx

V0 = 0

V0 0

f1mxf1b

V1

f1

Vn

PARA OPERACION CON FLUJO DEL ROTOR CONSTANTE LA

FAMILIA DE CURVAS PAR VELOCIDAD SON LINEALES


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FAMILIA DE CURVAS PAR VELOCIDAD SON LINEALES

( )r

r1

2

0re

rp

23T =

Curvas de Par Velocidad para flujo del rotor constanterb

= ct.hasta la frecuencia nominal 1b; voltaje constante y frecuenciavariable por arriba de 1b

Tensin y frecuencia

variable

Frecuencia variable y

tensin constante

( )2

0

2VK3


60/98

( )2

1

0s

rr

sek

V

'r2

Kp

2

3T

b11

=>

Curvas de Par - Velocidad para amplitud de flujo estatricoconstantes hasta1b y tensin constante por arriba1b

ACCIONAMIENTO DE CONTROL ESCALAR


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Comando de

VelocidadWm*

Retardo

K

Lm.Corriente

Is

Is

f

m

RbGTO

C

L

Fuente AC

++ Kf

1 2

+ -

V0

Vc

Inversor

PWM

M

V0

V1

F

Accionamiento defrecuencia variablea lazo abierto conlimitacin de

corriente y frenadodinmico.

ACCIONAMIENTO DE CONTROL ESCALAR


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Accionamiento defrecuencia variablea lazo cerrado

Comando de

Velocidad

Wm*

K

Is

Is*f

m

+

+ Kf

1 2

+

-

V0

RbGTO

C

L

Fuente AC

Vc

Inversor

PWM

M

V0

V1*

F

X

f

f

ewm

ewm

Signo de +/- 1

+

-

eI

e I

Wm

Dt

V1

Tacogenerador

Wm

Regulador

VelocidadGenerador

Funciones

Limitador Corriente

ReguladorVoltaje



63/98

El modelo en rgimen permanente y el circuito equivalente desarrollado en laseccin anterior es muy utilizado para estudiar la prestacin de la mquina deinduccin operando en rgimen permanente. Este anlisis no toma en cuentalos cambios transitorios de origen elctrico durante cambios que se producenen la carga acoplada al motor, as como tambin, no considera las variacionesen la frecuencia del estator. Tales efectos se observan frecuentemente en losaccionamientos de frecuencia variable.

Comportamiento Dinmico

El modelo dinmico del motor debe tomar en consideracin los efectosinstantneos de las variaciones de voltaje corriente, la frecuencia del estator,y las perturbaciones de par. El modelo dinmico del motor de induccin esdivulgado usando el modelo del motor en dos fases determinados por los ejes

directo y en cuadratura.

Control Vectorial de Motores de InduccinFundamentos de la Orientacin de Campo


64/98

Fundamentos de la Orientacin de Campo

El concepto de orientacin de campo, propuesto por Hasse en 1969 y Blaschkeen 1972, constituye discutiblemente, en el paradigma ms popular en la teora yprctica en el control de motores de induccin. En esencia, el objetivo de laorientacin de campo es hacer que el motor de induccin emule al motor decorriente continua de excitacin independiente con una fuente de par ajustable.Por tanto, es primero conveniente revisar los fundamentos de la produccin ycontrol de par en la mquina d.c.

N S

d

qia

f

f

ktTe

if

ia

e t f aT k i=



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Las corrientes de las tres fases pueden ser convertidas a las corrientes en los ejesd qal sistema de referencia sincrnico usando la transformacin:

2 2sin sin sin

3 32

3 2 2cos cos cos

3 3

e asf f f

qs

bse

dsf f f cs

ii

ii

i

+ = +

( ) ( )2 2

e e

s qs dsi i i= +

1ta n

e

qs

s e

ds

i

i

=

Escribiendo las ecuaciones del flujoabarcado del rotor y el par en trminos de

estas componentes obtenemos:

r fi

e r T f T T i i i



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El problema radica en la implementacin del control vectorial para obtener laadquisicin de la posicin del fasor de flujo del rotor, f. El ngulo del campopuede ser escrito como:

Los esquemas de control vectorial son clasificados de acuerdo a como elngulo de campo es adquirido. Si el ngulo de campo es calculado usando losterminales de voltaje y corrientes o empleando sensores de efecto Hall o

devanados para medicin del flujo, se le llama Control Vectorial Directo(Direct Field Orientation - DFO). El ngulo puede ser obtenido usandounidades captoras de la posicin del rotor y por la estimacin parcial de losparmetros de la mquina, sin recurrir a la medida de otras variables como sonel voltaje y la corriente. Esta estrategia es denominada Control Vectorial

Indirecto(Indirect Field Orientation IFO).

f r sl = +

( )f r sl sdt dt = + =



67/98


El algoritmo para implementar el Control Vectorial se resume a continuacin:

Obtener el ngulo del campo, Calcular la componente de flujo producido por la corriente, para un

determinado flujo abarcado del rotor, r. Controlando solamente stacorriente de campo, se controla el flujo abarcado en el rotor. De manerasimilar al control de un motor d.c. de excitacin independiente, el control dela corriente de campo no impacta a la corriente de armadura,

A partir de y el requerido , calcular la componente de corriente en el estatorque produce el par, . Controlando la componente de corriente que produce el

par cuando el flujo abarcado en el rotor es constante, garantiza un control

independiente del par electromagntico. Con los pasos (II) y (III) se tiene undesacoplamiento del flujo y el par en la mquina de induccin.



68/98


Calcular la magnitud del fasor de corriente en el estator, , a partir de la sumavectorial de e .

Calcular el ngulo del par empleando las seales de comando de lascomponentes de flujo y par, ,

Sumar T y f para obtener el ngulo del fasor de corriente de estator, s , Utilizando el ngulo del fasor de corriente del estator y su magnitud, s e , se

hallan las seales de referencia del estator mediante la transformacin qdo avariables abc.

Imponer estas intensidades usando el inversor. Cuando se alcanza estosvalores de corriente en el estator, se producen los valores deseados de par y

flujo abarcado en el rotor.

Continuacin:



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p

sin

2sin

3

2sin

3

as s s

bs s s

cs s s

i i

i i

i i

=

=

= +

T

f

r

s

slds

v

dsi

edsv

e

ds fi i=r

e

qs Ti i=qs

i

e

qsv

si

qsv

sv

Sistema

Referenciadel Rotor

SistemaReferencia

del Estator

f sl r

s f T

= += +



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p

Control Vectorial Directo (DFO)

+

-

+

-

+

-

Clculo

Magnitud

y

Angulo+

+

Sntesis

Comando

Corriente

Procesador

Flujo y Par

Controlador

Corriente

InversorMI

Fem inducida por medicin devoltaje en los terminales obobinas sensores

EntradaDC

Tacogenerador

r

Regulador PI

velocidad Limitador

Generadorde funcinpara el flujo

Regulador

PI de par

Regulador

PI de flujo

f

T

si

Ti

fi

eT

eT

r

r

r

r

ig1

-ig6

, ,as bs cs

i i i

asi

bsi



71/98

Procesador de Flujo y Par:

Rs L

m

Rs

Lm

Ls

Lr+

-T

abc

Tabc

+

-

+

-

+

-

Lm

Ls

1/Lm

1/Lm Lr

+

+

+

+

X

ClculoMagnitudy Angulo

X

r

r

-

+

3

2 2

P Te

vas

vbs

ias

ibs

vqs

vds

iqs

ids

iqr

idr

qr

dr

Medicin de los voltajes en los terminales del motor.

Medicin de la f.e.m. inducida por inductores sensores o sensores de efecto Hall.



72/98

Clculo del Flujo de Estator:

( )

( )

( ) ( )

( )

2 2

1tan

3

2 2

ds ds s ds

qs qs s qs

s qs ds fs

qs

fs

ds

e qs ds ds qs

v R i dt

v R i dt

PT i i

=

=

= +

=

=

En ste caso, el lazo del flujo puede completarse a partir del flujo abarcado del estator envez del flujo abarcado del rotor. La precisin del algoritmo no es muy alta, an cuandodepende solamente de la resistencia del estator y no de otros parmetros. La sensibilidad

en la variacin de la resistencia del estator y su impacto en el clculo del flujo abarcado enel estator, as como tambin, en el par electromagntico es alta, cuando el voltaje en elestator es bajo y de magnitud comparable a la cada de tensin en la resistencia delestator. Por tanto es necesario a baja velocidad la dinmica de sta configuracin es muypobre.



73/98

Control Vectorial Indirecto (IFO):

Para simplificar el estudio, se asumir que se dispone de un CSI. En stecaso, las corrientes de fase del estator sirven como entradas, por lo quese puede despreciar la dinmica del estator.Las ecuaciones del rotor de la mquina de induccin donde participa elflujo abarcado como variable son:

0e e er qr qr sl dr

R i p + + =

0e e er dr dr sl qr

R i p + + =

sl s r =

e e e

qr m qr r qsL i L i = +e e e

dr m ds r dr L i L i = + ( ) ( )

3 3

2 2 2 2

e e e e e em m

e dr qs qr ds dr qs

r r

e

te r qs te r T

L LP PT i i i

L L

K i K i

= =

= =



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Control Vectorial Indirecto (IFO):

2 2

3

e e er r

T it

te r r m r m

T T TL Li K

PK L L

= = =

( )1rf rm

i pTL

= +

( ) ( )2 2

e e mr T

sl it it r

r r rr r

T T LL iK K R

T T

= = =

sin

cos

sin

2sin

3

2sin

3

qs s s

ds s s

as s s

bs s s

cs s s

i i

i i

i i

i i

i i

=

=

=

= = +

Las referencias de corriente en losejes dy qy abc son:

s f T r sl T

= + = + +



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Accionamiento de Control Vectorial Indirecto:

El comando de par es generado a partir de la seal de correccin delregulador PI de velocidad encargado de anular el error de velocidad. Laestrategia para generar el comando de flujo se lleva a cabo con la

velocidad medida definida por:

( )

min

max

0r b r no al

b

b b r r br

r

y

=

=

donde b y b son el flujo nominal abarcado y la velocidad del rotorrespectivamente. El flujo se mantiene en su valor nominal hasta la velocidadbase del motor; por arriba de la misma, el flujo se debilita para mantener lapotencia constante al igual que un accionamiento d.c. En ste caso, se

requiere hacer una tarea compleja de procesamiento. Para la obtencin de lascorrientes absorbidas por el motor, se muestrean dos fases nicamente; latercera variable se reconstruye gracias a las dos intensidades procesadas. Atravs de un codificador digital se puede determinar la velocidad y/o posicindel rotor.



76/98

Accionamiento de Control Vectorial Indirecto:

+

-

+

+

Generador

CorrienteEstator

InversorMI

Entrada

DC

CodificadorVelocidad

y

Posicin

Generadorde funcin

para el flujo

ReguladorPI de Par

r

Ti

fi

eT

r

r

r

ig1

-ig6

, ,as bs cs

i i i

asi

bsi

Modulador

r

dT

d t

1

mL

e

r

T

r

m

L

L

rR r

r

R

sl

Control Directo de Par


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Fundamentos del Control Directo de Par (DTC)Adicionalmente a los sistemas de control vectorial, se puede producir unarespuesta rpida de par electromagntico empleando Control Directo dePar. El controldirecto de par fue desarrollado hace mas de una dcada porinvestigadores de Japn y Alemania (Takahashi y Noguchi en 1984, 1985;

Depenbrock en 1985). Los accionamientos de control directo de par tomarongran inters lo que motivo a ABB a desarrollar el accionamiento de controldirecto de par para mquinas de induccin, que puede operar segn ABB avelocidad cero y alto par. Despus de la aparicin del accionamiento DTC,otros fabricantes han elaborado accionamientos DTC basados en inteligenciaartificial.En un accionamiento DTC, el flujo del entrehierro y el par electromagntico

son controlados directamente e independientemente por la seleccin ptimade los modos de conmutacin del inversor. La seleccin se realiza

restringiendo los errores del flujo y par electromagntico dentro de unabanda de histresis, para obtener una rpida respuesta de par, una bajafrecuencia de conmutacin en el inversor y prdida reducida debido a lasarmnicas.

Control Directo de ParEntrada AC Las principales


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+

-

Comparador de

Flujo conHistresis

Estimador deFlujo Mutuo y

Par Electromag.

sref d

s

Comparador de

Parcon Histresis

+

-

ConmutacinOptima del

Inversor

dte

teref

te

s

INVERSORVSI

RECTIFICADOR

Motorde

Induccin

IsA

IsB

UsA

UsB

Las principalescaractersticas del DTCson:Control directo del flujo deestatorControl directo del parelectromagnticoControl indirecto de lascorrientes y voltajes delestator

Corrientes de estator y delflujo del estatoraproximadamentesinusoidalesOscilaciones reducidas de

parExcelente dinmica en el parFrecuencia del inversor quedepende de las bandas dehistresis del flujo y del par

Accionamiento DTC

Entrada AC


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1

-1

Regulador PID

yCompensacin con

Ace leracin

+

-

+

-

Comparadorde Flujo con

Histresis

Modelo Adaptivo

de lMotor de Induccin

s

s

r

srefi

d

te

sf1

f

f2

f

f3

f

Controlador del

Flujo de Referencia

ON/OFFOptimizacin

Flujo

ON/OFF

Flujo de Frenado

ON/OFFReduccin Flujo

Comparador dePa r

con Histresis

+

-

Tabla de ConmutacinOptima del Vector

en el Inversordte

terefi

te

te

s

INVERSORICGTs

RECTIFICADOR

Motor

deInduccin

teref

rref

Controlador de

Referencia de Par

Ud

IsA

IsB

Diagrama de bloques esquemtico del

Accio namiento DTC de ABB para Motore s de Induccin

Motor Jaula Ardil la(media tensin)

Procesador Digital de Seales TMS320x240


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NUCLEO DSP20 MIPS

T320C2xLP

MEMORIAFLASH ROM16 Kw x 16

Tres Temporizadores

Doce SalidasPWM

Nueve RegistrosComparadores

Lgica TiempoMuerto

Cuatro entradas concaptura y dosinterfases con

cuadratura de pulsos

Gestor de EventosEVM

Doble ConversorADC 10 Bits

Detector BajoVoltaje

TemporizadorPerro Guardin

SPI y SPC

Cuatro PuertosE/S

RAM DATOS544 w x 16

A (15-0)

D (15-0)

Salidas PWM

para control de

convertidores de energa

DC/DC y DC/AC.

Permite implementar

tcnicas como PWM

rectngular, SPWM y

SVPWM con control

programable del tiempo

muerto, para proteger a losdispositivos del convertidor.

Captura seales de pulsos

emitidas por Encoder o por

Optoacopladores

Procesa sealesanalgicas provenientes de

sensores de efecto Hall,

Shunt, Transformadores,

Tacogeneradores

Adems dispone de:

detector de bajo voltaje,

interfase de comunicacin

serial, temporizador devigilancia, y puertos de

entrada - salidas digitales.

Interrupciones por final de

conversin, proteccin de

la seccin de potencia,

conversin ADC, etc.

Control Vectorial de Motores de Induccin

Accionamiento de Control Vectorial Comercial:


81/98

Accionamiento de Control Vectorial Comercial:

Generador del

Vector de Voltaje

(sin carga)

Compensador

con

Carga

Modelo

del

Motor

fs

Motor

de

Induccin

Udc

ISX

ISY

fs

t

PWM-ASIC

3

2

Lgica deConmutacin

+

+

+

+

xy

ab

RECTIFICADOR

Entrada

AC

INVERSORIGBTs

+

+

Compensacin

del

Deslizamiento

xy

ab

Tc

On/Off

fs

Us

U

f

UL

ISXO

ISYO

f

f

UComp

IU

IV

IW

L

s

f



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Parmetros de un Accionamiento:

Funcionamiento y Display:

Idioma del displayTipo de Control: Local o RemotoReferencia LocalTabla de operacin: tabla de parmetros asignadaPresentacin de variables en el displayModo de operacin: lazo abierto o lazo cerradoParada, velocidad JOG, cambio de giro y reset local



83/98


Carga y Motor:

Tipo de configuracin:

Lazo Abierto de VelocidadLazo Cerrado de VelocidadLazo Cerrado de Proceso (regulador PID)Modo de Par (control velocidad a par constante)Modo de Par con Control Velocidad a Lazo Cerrado

Tipo de Carga: par constante alto, par constante normal, parvariable bajo, alto o medio, motor especial, par variable normalcon par de arranque alto, medio o bajoDatos del motor: potencia, tensin, frecuencia, intensidad yvelocidad nominal del motorPrueba de Identificacin del motor (Rs, Xs) en forma automtica

Parmetros manuales de RS y XsMagnetizacin del motor



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Carga y Motor:

Compensacin de carga en baja y en alta velocidad (V/F ptimo)Compensacin del DeslizamientoTiempo de aplicacin del par altoFuncin de arranque:

Freno DC en el arranqueFreno DC con retardo en el arranqueInercia

Funcin de Parada:InerciaDC mantenidaComprobacin del motor

PremagnetizacinTiempo y frecuencia de frenado por DCProteccin trmica del motorFrecuencia y tensin de Arranque



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Referencias y lmites:

Rango de frecuencia de salida y sentido de giroLmites de frecuenciaLmite de referencia y realimentacinReferencia mnima y mximaTipo de rampa: lineal y senoidal

Tiempo de aceleracin y deceleracin local o remotoRampa y frecuencia del JOGTipo de referencia suma o relativaLmite de par en funcionamiento y en parada del motorAdvertencias de intensidad, frecuencia y realimentacin

Frecuencias de By-Pass



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Entradas y salidas:

Asignacin de funciones de entradas digitales:Arranque paradaCambio de giroResetArranque por pulsosInversin

Entrada de pulsosArranque - inversinAsignacin de funciones de entradas analgicas (voltaje o corriente):

ReferenciaSeal de realimentacinLmite de par



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Entradas y salidas:

Termistor

Referencia relativaFrecuencia de par mximoAsignacin de funciones de salidas analgicas (corriente):

Velocidad, Potencia, Intensidad, Frecuencia o Par del motorAsignacin de funciones de salidas digitales:

Convertidor listoConvertidor en funcionamientoFalla del equipoInversin de giroFuera del rango de frecuencia, corriente o parBus DC OKFreno



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Funciones Especiales:

Referencia de pulso en HzRealimentacin de pulsos en HzFuncin de freno:

Sin frenoResistencia de frenado

Control por sobretensinControl por sobretensin y parada

Resistencia de frenado en ohmiosPotencia trmica de la resistencia de frenoComprobacin del frenoFuncin del reset



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Funciones Especiales:

Tiempo de re-arranque automticoDescarga rpida del bus DCRetraso de desconexin del parFrecuencia de conmutacin

Factor de sobremodulacinUnidad de procesoAjustes del PIDValores V/F de motor especialMotor en giro


d


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Parmetros de un Accionamiento:Comunicacin:

Direccin asignada

Velocidad BaudiosParmetros a enviar o recibir

Otras funciones adicionales:

Horas ejecutadasEnerga consumida KWhRegistro de fallosDatos de funcionamiento: arranques, paradas, corriente,temperatura, par, etc.Reset


Advertencias y Fallas tpicas en Accionamientos AC


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Fallo del inversorCortocircuito

Fallo de la redDefecto a tierra

Fallo en comunicacinSobreintensidad

Prdida de fase del motor U o V o WLmite de par

Sobretemperatura en el disipadorSobretemperatura en el motor

Fallo del transistor de frenoSobrecarga del inversor

Falla de resistencia de frenoSobretensin en el circuito intermedio

Falla de prueba de frenoTensin baja en el circuito intermedio

Motor demasiado pequeoTensin alta en el circuito intermedio

Motor demasiado grandePrdida de fase de la red

Fallo de identificacin del motorSin motor

Error de EEPROMFalla en la fuente de alimentacinSMPS

PRIMER SISTEMA A CONTROLAR:PRIMER SISTEMA A CONTROLAR:

CribaCriba


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CribaCriba

Mquina Induccin

Acoplam.

Tolvacon

Pellas

Mecanismode

Vibracin

Transportede

Entrada

Transportede

SalidaFig.1 Diagrama simplificado de la Criba

CARACTERISTICAS DEL SISTEMA DURANTE LACARACTERISTICAS DEL SISTEMA DURANTE LA

FASE DE ARRANQUEFASE DE ARRANQUE


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La criba entra enLa criba entra en

oscilacioscilacin a bajan a bajafrecuencia; en un valorfrecuencia; en un valor

apraprxx. de 10 Hz. Esto. de 10 Hz. Esto

obliga a la utilizaciobliga a la utilizacinnde saltos en lade saltos en la

frecuencia del inversorfrecuencia del inversor

a baja velocidada baja velocidad Alto par de arranqueAlto par de arranque

Amplitud

S

wo

3wo

6wo

w

Fig. 2 Comportamiento de la criba a baja frecuencia

SEGUNDO SISTEMA A CONTROLAR:SEGUNDO SISTEMA A CONTROLAR:

Plato GiratorioPlato Giratorio


94/98

Plato GiratorioPlato Giratorio

Mquinas

Induccin

Sistema

Transporte

Salida

Tolva

Mineral

Hierro

Sistema

Transporte

Entrada

Reductor

comn

Disco

Giratorio

Fig.1 Plato de Dosificacin

CARACTERISTICAS DEL SISTEMACARACTERISTICAS DEL SISTEMA


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El par diferencial es entonces:El par diferencial es entonces:

La expresiLa expresin anterior nos indica que para mantener el Parn anterior nos indica que para mantener el Parconstante la velocidad de los motores debe regularse conconstante la velocidad de los motores debe regularse con

gran precisigran precisin.n.

La diferencia de velocidad entre los motores debe ser loLa diferencia de velocidad entre los motores debe ser lomms peques pequea posible, para evitar el efecto de regeneracia posible, para evitar el efecto de regeneracinn

del motor que es arrastrado.del motor que es arrastrado.

( )desliz

n

nMnnM

212=

Inversor de Dos Niveles


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Accionamientos Especiales


97/98

Rectificador PWM e

Inversor de TresNiveles

Inversor de Tres Niveles


98/98

Accionamientos de Motores de Induccion

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