Modulos Didactico para EP y Control

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Proyecto Electrnico Arranque progresivo para motores asincrnicos de pequea potencia1. Resumen2. Introduccin3. Teora de los motores elctricos4. Arranque de motores asincrnicos trifsicos5. Clculo de la etapa de potencia6. Etapa de control y resultados obtenidos en los ensayos7. Conclusiones Generales8. Referencias Bibliogrficas9. ApndicesResumen

En este trabajo se presenta el estudio e implementacin de un sistema alternativo, simple, confiable y de bajo costo para el arranque progresivo de motores asincrnicos con rotor en cortocircuito. Orientados a pequeos aprovechamientos hidroelctricos, en los cuales se utilizan generadores a induccin.

El sistema se implement utilizando semiconductores de potencia, cuyo gobierno se efecta mediante circuitos integrados (C.I.) que realizan el control por ngulo de fase. Adems se detallan el diseo y anlisis de las protecciones necesarias, as como tambin se calculan los disipadores trmicos que se requieren para administrar la potencia especificada.

Tambin se describe la construccin de tres prototipos, dos monofsicos y uno trifsico, que fueron ensayados en el laboratorio. De las implementaciones monofsicas se obtuvieron importantes conclusiones sobre el funcionamiento de los C.I. de control. Mientras que el prototipo del circuito trifsico fue logrado a partir de conocer estas conclusiones fundamentales, los resultados obtenidos en el laboratorio son presentados al finalizar este trabajo. Lista de Simbolos y Abreviaturas

Introduccin

En la provincia de Misiones, generar energa renovable y a bajo costo puede lograrse empleando micro turbinas. Estas representan una solucin alternativa y ecolgicamente aceptable, es por ello que surge la necesidad constante de mejorar el funcionamiento de las partes que componen el sistema de generacin.

Las PCH [9] [12] (pequeas centrales hidroelctricas) en las que se utilizan generadores a induccin existen varios inconvenientes, entre otros se pueden citar los siguientes:

Perdida de excitacin del sistema, debido a la insercin de cargas que producen picos de corriente importantes [10] [11].

El control de tensin no es sencillo.

En este trabajo se presenta la implementacin de un sistema de arranque progresivo, que se conecta entre el generador y la carga, para lograr que el sistema de generacin sea perturbado de forma mnima. La carga considerada es un motor asincrnico tipo jaula de ardilla (o de rotor en cortocircuito) muy difundido en la industria. La implementacin representa una solucin til y aplicable a distintos campos de la industria donde se necesite un arranque progresivo, como ser sistemas de bombeo donde se quiere evitar el deterioro de las tuberas o procesos donde intervienen cintas transportadoras, y no es recomendable una aceleracin brusca.

El objetivo final se consigui mediante la implementacin de un sistema electrnico capaz de mejorar el funcionamiento de las PCH que trabajan aisladas de las redes comerciales, representa una solucin eficaz, confiable y con un costo final reducido. Adems el mantenimiento es simple debido a la carencia de microcontroladores en la implementacin, por todo esto resulta un sistema alternativo ideal para pequeas centrales y distintas aplicaciones industriales. En el captulo uno se expone la teora de motores elctricos, y se estudian sus principales caractersticas: principio de funcionamiento, circuito equivalente, anlisis de las curvas, estudio del comportamiento segn la carga mecnica, etc. Luego en el capitulo dos se analiza el proceso de arranque, se presentan y comparan los diferentes mtodos de arranque con el fin de comprender los parmetros que intervienen en este rgimen transitorio.

A continuacin en el tercer captulo se realiza el diseo de la etapa de potencia considerando la seleccin de semiconductores, protecciones y el clculo de los disipadores trmicos necesarios para construir los prototipos del arranque progresivo. En el captulo cuarto, se describe el diseo de la etapa de control y se detallan los ensayos realizados sobre los prototipos.

Teora de los motores elctricosEl motor elctrico XE "motor elctrico" que se estudiara es el asncrono, este es ampliamente utilizado en entornos industriales (mquinas-herramientas, gras, ascensores, compresores, ventiladores, etc.) debido a su robustez, escaso mantenimiento, precio y tipo de alimentacin (red trifsica disponible a travs de la red de suministro de energa elctrica). Se realizara primeramente un repaso general de motores antes de introducirnos en el arranque suave de motores asncronos XE "motores asncronos" .

2.1. Mquinas Elctricas Rotativas

Son dispositivos elctricos cuyo funcioamiento depende de la induccin electromagntica, constituido por elementos que pueden efectuar movimientos relativos de rotacin y destinado a la transformacin de energa.

Una mquina elctrica rotativa XE "mquina elctrica rotativa" es una mquina reversible, como puede observarse en el siguiente diagrama:

2.2. Clasificacin de las mquinas elctricas rotativas

A continuacin se enumeran las distintas maquinas en funcin del mtodo empleado para generar el campo magntico:

Mquinas sncronas XE "Mquinas sncronas" XE "Mquinas sncronas" : Alternador

-Intensidad contina inyectada en las bobinas del rotor.

-Corriente alterna en las bobinas del estator.

Mquinas de induccin XE "Mquinas de induccin" XE "Mquinas de induccin" : Motor

-Corrientes alternas en las bobinas del estator y/o del rotor.

-Intensidades en el rotor inducidas por el estator (Motor).

Mquinas de corriente continua XE "Mquinas de corriente continua" : Ambos

-Alimentadas en continua.

Las mquinas elctricas rotativas de corriente alterna pueden ser monofsicas XE "monofsicas" o trifsicas (sncronas y de induccin); a continuacin se enfocara el estudio sobre las maquinas de induccin.2.3. Mquina de Induccin. Aspecto ConstructivoUna mquina elctrica rotativa XE "mquina elctrica rotativa" posee una estructura bsica compuesta por:Un Rotor XE "Rotor" (parte giratoria): Es una pieza cilndrica montada sobre el eje mvil, posee las ranuras sobre la superficie externa.

Un Estator XE "Estator" (parte fija): Es una pieza cilndrica hueca que envuelve al rotor y est separada de ste por el entrehierro, posee las ranuras en la superficie interna.

Ambos, tanto el estator como el rotor alojan bobinas (circuitos elctricos). Existen dos circuitos elctricos concatenados por un circuito magntico.

Figura 21 Corte transversal del motor de induccin

Figura 22 Motor con rotor tipo jaula de ardilla

En las mquinas asncronas existe en todo momento una diferencia de velocidad o deslizamiento al no coincidir la velocidad del inductor con la del inducido. Estas maquinas se emplean casi exclusivamente como motores ya que como generador poseen muy bajo rendimiento.

Los motores asncronos o de induccin estn basados en el accionamiento de una masa metlica por la accin de un campo giratorio. Estn formados por dos armaduras con campos giratorios coaxiales, una es fija (estator) y la otra mvil (rotor).

Hay dos tipos diferente de rotores de induccin que pueden utilizarse dentro del estator. Uno es rotor de jaula y el otro rotor devanado.

Rotor de Jaula XE "Rotor de Jaula" : esta constituido de una serie de barras conductoras dispuestas dentro de ranuras construidas en la cara del rotor y que se ponen en cortocircuito en sus extremos mediante anillos. Lleva este nombre porque si se examina por si solo los conductores parecen una de las ruedas de ejercicio donde las ardillas corren.

Su simplicidad y gran robustez son las ventajas ms destacadas.

Rotor Devanado XE "Rotor Devanado" : posee un conjunto de devanados trifsicos en idntica disposicin que los devanados del estator. Las tres fases del rotor se encuentran conectadas en estrella y cada extremo de los alambres del rotor esta unido a anillos rozantes en el eje del rotor, sobre los anillos rozantes existen escobillas que cortocircuitan los devanados del rotor.

Los motores de induccin de rotor devanado son menos utilizados, debido a su mayor costo, y a que requieren mayor mantenimiento que los de jaula de ardilla.

Figura 23 Rotores y bobinas

Figura 24 Rotor de un motor con anillos rozantes

Los motores de induccin son motores que se caracterizan porque son mecnicamente sencillos de construir, lo cual los hace muy robustos y sencillos, apenas requieren mantenimiento, son baratos y, en el caso de motores trifsicos, no necesitan arrancadores (arrancan por s solos al conectarles la red trifsica de alimentacin) y no se ven sometidos a vibraciones por efecto de la transformacin de energa elctrica en mecnica, ya que la potencia instantnea absorbida por una carga trifsica XE "carga trifsica" es constate e igual a la potencia activa. Estas son las principales ventajas que hacen que sea ampliamente utilizado en la industria.

2.4. Principio de Funcionamiento. Fundamentos Tericos

Si se aplica un sistema trifsico de intensidades en 3 bobinas desfasadas entre s 120, se inducen flujos magnticos en cada bobina, perpendiculares al plano de la bobina respectiva y variables en el tiempo al igual que las intensidades que los producen, a este fenmeno se lo denomina generacin del campo magntico giratorio XE "campo magntico giratorio" .

Las corrientes trifsicas equilibradas introducidas por cada uno de los devanados del motor son:

Figura 25 Estator y rotor con eje coaxial

Si se cambia las intensidades de dos devanados entre s cambia el sentido de giro.

El devanado rotrico est inmerso en un campo magntico giratorio (B) que induce una fem en el devanado del rotor .sta fem a su vez provocan la circulacin de corriente (i) en el devanado del rotor.

Aparece entonces un par motor sobre el rotor. Este par tiene una fuerza dada por la siguiente ecuacin; donde la magnitud, direccin y sentido de la fuerza acta sobre los conductores del rotor:

Si aumentamos el nmero de polos magnticos en el rotor, se puede conseguir que las bobinas del estator vean un flujo giratorio de velocidad superior a la de giro del rotor.

Figura 26 Generacin de los polos

As para conseguir 50 Hz se requiere una velocidad de giro de:3000 rpm XE "rpm" si tiene dos polos (un par de polos)

1500 rpm si tiene cuatro polos (dos pares de polos)

1000 rpm si tiene seis polos

750 rpm si tiene ocho polos

600 rpm si tiene diez polos

Resumiendo lo expuesto se tiene un estator (con devanado trifsico simtrico, a 120, alimentado con sistema trifsico equilibrado XE "sistema trifsico equilibrado" de tensiones desfasadas a 120) y un rotor (espiras en cortocircuito). Al aplicar las tensiones se produce un campo giratorio y por la Ley de Faraday se induce una fem por el campo giratorio en los conductores del rotor, las espiras en corto circuito quedan sometidas a una tensin y circula entonces una corriente por las espiras del rotor y segn la ley de Biot y Savart se induce una fuerza sobre las espiras del rotor (interaccin i y B), producindose un par XE "par" sobre el rotor que provoca su giro.

2.5. Deslizamiento

En una mquina asncrona existe en todo momento una diferencia de velocidad o deslizamiento, es decir, no coinciden la velocidad del inductor con la del inducido.

En la barra del rotor se induce un voltaje, este depende de la velocidad del rotor en relacin con los campos magnticos, as aparece el concepto de velocidad relativa. Se tienen dos trminos utilizados para definir el movimiento relativo del rotor y los campos magnticos.Uno es la velocidad de deslizamiento XE "deslizamiento" , que es la diferencia entre la velocidad sincrona y la velocidad del rotor:

El otro trmino usado para describir el movimiento relativo es el deslizamiento, que es igual a la velocidad relativa expresada como una fraccin de la unidad o un porcentaje:

Todas las velocidades normales del motor caen dentro de los dos siguientes extremos:

Si el rotor gira a velocidad sincrona s = 0.

Si el rotor esta estacionario s = 1

La velocidad mecnica XE "velocidad mecnica" del eje del rotor en trminos de la velocidad sincrona XE "velocidad sincrona" y del deslizamiento la podemos expresar como.

En las siguientes graficas se observan la tensin inducida y la corriente rotrica en funcin de los valores de deslizamiento. Adems se marcan los dos valores extremos particulares de deslizamiento (s=0 y s=1).

Figura 27 Tensin inducida vs. velocidad

Figura 28 Corriente rotorica vs. deslizamiento

En la curva de corriente se tienen dos puntos particulares, en el punto 1 el valor de corriente es de aproximadamente seis veces el valor nominal, considerando que el arranque se produce con el motor sometido a plena carga. Mientras que en el punto 2 el motor se encuentra en rgimen de marcha XE "rgimen de marcha" y a plena carga por lo que el valor de corriente es el nominal.

2.6. Circuito Equivalente de un motor asincrnico trifsico

El circuito equivalente XE "circuito equivalente" de un motor asincrnico XE "motor asincrnico" es similar al de un transformador, debida a la accin de transformacin que ocurre por las corrientes del estator (primario) que se inducen en el rotor (secundario).

Se analiza un circuito equivalente de transformador por fase, de un motor de induccin:

Figura 29 Circuito equivalente con principios de transformador

Donde R1 es la resistencia del estator y X1 su respectiva reactancia, mientras que E1 es el voltaje primario del estator acoplado al voltaje del secundario Er mediante el transformador ideal con relacin de vueltas aef. El voltaje Er inducido en el rotor produce un flujo de corriente en el rotor. Rc representan las prdidas en el ncleo y la reactancia Xm de magnetizacin. Adems Rr y jXr es la impedancia del rotor XE "impedancia del rotor" .

Adems I1 es la corriente de lnea, I2 es la corriente rotrica, Im la de magnetizacin y la Ir es el flujo de corriente XE "flujo de corriente" en el rotor.

2.7. Circuito equivalente. Modelo del Rotor

Cuanto mayor sea el movimiento relativo entre los campos magnticos del rotor y estator, mayor ser el voltaje resultante y la frecuencia del rotor. El mayor movimiento relativo ocurre cuando el rotor se encuentra en estado estacionario, condicin llamada de rotor detenido o de rotor bloqueado, de modo que en esta condicin se induce el mximo voltaje y la mxima frecuencia. El mnimo voltaje (0V) y la mnima frecuencia (0Hz) ocurre cuando el rotor se mueve a la misma velocidad que el campo magntico del estator, es decir, a la velocidad de sincronismo, y por lo tanto no hay movimiento relativo.

El voltaje y la frecuencia del rotor son directamente proporcionales al deslizamiento del rotor. Por lo que el voltaje y la frecuencia inducidos para cualquier deslizamiento son:

Finalmente el circuito equivalente XE "circuito equivalente" del rotor que obtenemos es el siguiente:

Figura 210 Circuito del rotor

El flujo de corriente en el rotor se calculo como:

Figura 211 Circuito del rotor modificado2.8. Circuito equivalente finalPara obtener el circuito equivalente por fase, es necesario referir en el estator, el modelo del rotor.

Se obtiene as el circuito equivalente por fase:

Figura 212 Circuito equivalente final

Analticamente se deduce un circuito equivalente con parmetros a rotor parado, en el que la resistencia que representa la del rotor es funcin del deslizamiento. Los valores necesarios para obtener analticamente los parmetros del circuito equivalente se obtienen de dos ensayos de laboratorio: Ensayo de vaco y ensayo de rotor bloqueado.

2.9. Potencia y Prdidas de potencia en motores asincrnicos

Un motor de induccin es bsicamente un transformador rotatorio cuyos devanados secundarios (el rotor) estn en cortocircuito, por lo que no hay salida elctrica desde los motores normales de induccin. En cambio la salida es mecnica.

Figura 213 Diagrama de flujo de potencia. Motor de induccin

2.10. Potencia y par en un motor de induccin

Del circuito equivalente total por fase de un motor de induccin se deducen las ecuaciones de potencia y par XE "par" . La corriente de entrada al motor por fase es:

Una vez conocida la potencia en el entrehierro la potencia mecnica XE "potencia mecnica" tiene la siguiente ecuacin:

Tambin denominado par desarrollado XE "par:par desarrollado" por la maquina. Reemplazando el numerador y denominador de la ecuacin anterior se tiene:

2.11. Separacin de las prdidas y la potencia convertida. Circuito equivalente total

Analizando el circuito equivalente total se tiene:

Figura 214 Circuito total con separacin de potencia y prdidas

Figura 215 Balance de potencias motor de induccin

2.12. Curva Par-Velocidad en un motor asncrono trifsico

Analizando las curvas de par-velocidad del motor de induccin obtenemos las siguientes informaciones:

El par inducido del motor es cero a la velocidad sincrnica.

La curva par-velocidad es aproximadamente lineal entre vaco y plena carga, ya que cuando crece el deslizamiento, crece linealmente la corriente rotrica, el campo magntico del rotor y el par inducido.

El par mximo o de desviacin equivale 2 a 3 veces el par nominal, y no puede ser excedido.

El par de arranque es mayor al par de plena carga.

Para un deslizamiento dado, el par inducido varia con el cuadrado del voltaje aplicado.

La maquina de induccin opera como generador cuando la velocidad del rotor opera a una velocidad mayor a la sincrnica. Entonces la direccin del par inducido se invierte, convirtiendo potencia mecnica en elctrica.

Para frenar con rapidez el motor, se invierten dos fases, que significa invertir la direccin de rotacin del campo magntico.

Figura 216 Curva caracterstica de un motor a induccin

Figura 217 Curva caracterstica par-velocidad2.13. Tipos de cargas mecnicas. Par resistente

Se debe tener en cuenta que tipo de carga mecnica XE "carga mecnica" con que el motor va a trabajar ya que el par resistente XE "par resistente" depende de esta:

Figura 218 Pares resistentes vs. velocidad2.14. Clases XE "Clases" para diseo de los motores de induccin

Se pueden producir una gran variedad de curvas par-velocidad cambiando caractersticas del rotor de los motores de induccin. Para ayudar a la industria a seleccionar los motores apropiados para las diferentes aplicaciones la NEMA (en USA) y la IEC (en Europa) realizaron una clasificacin definiendo una serie de diseos estndar de rotores con diferentes curvas de par-velocidad.

La National Electric Manufacturers Association (siglas en ingles NEMA XE "NEMA" ) y la International Electrotechnical Comisin (siglas IEC), han desarrollado un sistema identificador mediante letras para los motores comerciales, segn las curvas par-velocidad para cada diseo como se observa en la siguiente figura:

Figura 219 Par de carga vs. velocidad

Diseo clase A.

Es un motor de jaula de ardilla para usarse a velocidad constante. Sus principales caractersticas son las siguientes:

Buena capacidad de disipacin de calor.

Alta resistencia y baja reactancia de arranque

El par mximo esta en 200% y 300% del par de plena carga y ocurre a un bajo deslizamiento.

Aceleracin bastante rpida hacia la velocidad nominal.

Presenta la mejor regulacin de velocidad en 2 y 4%.

Elevada corriente de arranque que varia entre 5 y 7 veces la corriente nominal.

En los ltimos aos han sido reemplazados por los de clase B.

Sus aplicaciones son en ventiladores, sopladores, bombas, tornos, etc.

Diseo clase B.

Se los denomina motores de propsito general y a este tipo pertenecen la mayora de los motores con rotor de jaula de ardilla. Entre sus caractersticas se pueden citar las siguientes:

- Par de arranque normal, baja corriente de arranque y bajo deslizamiento.

-Produce prcticamente el mismo par de arranque que el de clase A.

-El par mximo es mayor o igual al 200% del par de plena carga.

- Deslizamiento bajo (menor al 5%).

-tienen preferencia por sobre los de clase A debido a su menor corriente de arranque.

Diseo clase C.

Alto par de arranque (2 y 2.5 veces el nominal) con baja corriente de arranque (3.5 a 5 veces la nominal).

Son construidos con doble jaula en el rotor, por lo que son ms costosos.

Bajo deslizamiento (menos del 5%) a plena carga.

Debido al alto par de arranque tiene una aceleracin rpida.

Si es empleado con cargas pesadas, se limita la disipacin trmica del motor, ya que la mayor parte de la corriente se concentra en el devanado superior.

Tiende a sobrecalentarse con arranques frecuentes.

Se utilizan con cargas de alto par de arranque, bombas, compresores y transportadores.

Diseo clase D.

Normalmente son motores clase A, pero con barras ms pequeas y hechas de un material con resistencia ms alta:

Tambin como de alto par y alta resistencia.

Alto par de arranque (275% o mas del nominal) y baja corriente de arranque.

Alto deslizamiento a plena carga.

La alta resistencia del rotor desplaza el par mximo hacia una velocidad muy baja.

Diseado para servicio pesado de arranque, como ser grandes volantes utilizados en troqueladoras o cortadoras.

Otras clases existentes para motores de induccin son las E y F denominados de arranque suave pero casi obsoletas hoy en da.

2.15. Seleccin de un motor de induccin XE "Seleccin de un motor de induccin" [18]

1-Seleccionar carcasa y nivel de proteccin.

2-Seleccionar potencia en funcin de la potencia necesaria para arrastrar la carga.

3-Seleccionar velocidad n en funcin de la velocidad de carga.

4-Seleccionar forma normalizada de montaje (IM) en funcin de la ubicacin.

5-Seleccionar clase de aislamiento en funcin de la temperatura XE "temperatura" esperada y ambiente de trabajo.

6-Seleccionar caractersticas mecnicas en funcin del par de arranque y resistente de la carga.

Arranque de motores asincrnicos trifsicos3.1. Generalidades La intensidad de la corriente absorbida XE "corriente absorbida" por el motor de la red de energa y una no adecuacin de la cupla motora de arranque a las necesidades de la maquina accionada son los problemas mas comunes que se presentan en el arranque de los motores asincrnicos XE "arranque de los motores asincrnicos" .

Durante el arranque se induce una gran tensin en el rotor debido a esto es la existencia de una elevada corriente de arranque. Dicha tensin es elevada debido a que el campo giratorio del estator, que carece de masa y por lo tanto de inercia, acelera ms rpidamente que el rotor (de hecho el campo se acelera en forma instantnea). Esto conlleva a que durante el arranque exista gran velocidad relativa entre campo y rotor (deslizamiento 1), y por lo tanto mxima tensin inducida. Esta alta tensin inducida se genera sobre un circuito de baja impedancia (jaula de ardilla), provocando altas corrientes del rotor y por lo tanto las del estator y de lnea.

Luego el rotor se acelera y se acerca a la velocidad del campo del estator, baja la velocidad relativa o deslizamiento y por lo tanto se reduce la tensin inducida bajando la corriente (se estabilizara en un valor igual o menor a la corriente nominal en funcin del estado de carga mecnica).

El valor inicial que toma la corriente es independiente del estado de carga, influyendo este nicamente en el tiempo de arranque y por lo tanto en el tiempo con alta corriente demandada de la red.

Se puede analizar el problema expuesto estudiando el circuito equivalente reducido de la maquina (referido al estator): para deslizamiento 1 (arranque) la resistencia es mnima y por lo tanto la corriente es mxima.

Figura 31 Circuito equivalente para el arranque

Donde:

Si observamos la ecuacin anterior se concluye que la corriente de arranque puede reducirse:

Bajando la tensin inducida en el rotor (disminuyendo la tensin aplicada al estator).

Subiendo la resistencia retrica durante el arranque.

Impidiendo valores elevados de deslizamiento (Acelerando al campo junto con el rotor mediante un convertidor de frecuencia).

Se debe analizar cada situacin particular de arranque ya que puede darse situaciones en que se desee lograr un arranque suave desde el punto de vista mecnico y se busca reducir la cupla motora de arranque junto con la corriente de arranque. En otros casos se desea suavizar el arranque o controlar la aceleracin y no importa lograr una reduccin de corriente; finalmente existen aplicaciones altamente exigentes en donde se requiere reducir la corriente de arranque si perder cupla motora XE "cupla motora" , incluso si es posible se trata de aumentar la cupla de arranque XE "cupla de arranque" .

Se desea reducir la corriente de arranque por varias razones:

I. Para limitar las cadas de tensin en las lneas de alimentacin, que afectan a otros consumidores y al propio motor ya que prolongan el tiempo de arranque por perdida de cupla.

II. Para reducir las perdidas y el consiguiente calentamiento del motor (especialmente en aquellos motores que tienen arranques pesados o alta frecuencias de maniobras de marcha y parada).

III. Para prolongar la vida til del motor que se reduce por calentamiento excesivo y dilataciones y contracciones en las varillas de la jaula de ardilla que terminan por cortarlas o desoldarlas de los anillos de cortocircuito.

La cupla tambin es deseable reducirla en algunas aplicaciones para:

I. Lograr una aceleracin mas suave por disminucin de la cupla acelerante (Cm-Cr).

II. Evitar grandes esfuerzos de torsin sobre ejes y elementos de acoplamiento entre el motor y la maquina accionada (en particular en las maquinas de gran momento de inercia).

III. Para evitar que sistemas de transmisin como correas o engranajes patinen o se daen prematuramente.

3.2. Arranque de motores trifsicos asincrnicos con rotor jaula de ardilla3.3. Arranque Directo

En lo posible los motores de induccin se arrancan en forma directa. Es el ms sencillo de todos los mtodos de arranque ya que requiere de un nmero mnimo de elementos de maniobra, y a la vez el dimensionamiento de los mismos no presenta mayores dificultades. Bsicamente consiste en alimentar al motor en reposo con su tensin nominal.Aplicaciones con este tipo de arranque:Se utiliza en el arranque de motores de baja potencia (hasta 7,5 CV aproximadamente) en aquellas mquinas que no presentan riesgos de ruptura o patinaje en sus transmisiones. Se emplean en el accionamiento de bombas, vlvulas, mezcladoras, cintas transportadoras, ventiladores, etc. en forma descentralizada. Adems se puede realizar un mando a distancia mediante el contactor de este arranque, utilizando por ejemplo interruptores de flotadores, de fin de carrera o pulsadores. Se evita un nuevo arranque despus de una interrupcin de la tensin porque el contactor permanece abierto al retorna la tensin hasta que se accionan los pulsadores.

Tambin se recurre al arranque directo de grandes motores que se encuentran conectados a poca distancia de un transformacin de distribucin (sin problemas de cadas de tensin) y con acoplamientos directos a las maquinas accionadas que permiten soportar los esfuerzos de torsin.

Como ventaja ms sobresalientes tenemos que este tipo de arranque presenta un bajo costo inicial y simplicidad.

Desventajas de este arranque:

Las corrientes de arranque pueden llegar a siete veces el valor de la corriente nominal del motor, segn tipo de rotor, (altos picos de corriente) causando fuertes cadas de tensin, especialmente en lneas largas). Aceleracin brusca que puede traer inconvenientes mecnicos.

Presenta daos y costos de mantenimiento de las partes mecnicas de transmisin de movimiento. Contino mantenimiento del arrancador.

Figura 32 Circuito de potencia arranque directo

Circuito de potencia del arrancador:

El circuito de potencia del arrancador posee un elemento de seccionamiento que permite aislar a la alimentacin del resto del arrancador para poder realizar tareas de mantenimiento. El arrancador deber contar con un elemento de proteccin contra cortocircuitos que proteja a los conductores y a los propios elementos de maniobra y de proteccin contra sobrecargas XE "sobrecargas" del mismo, contra los efectos trmicos que provoca dicha falla.

Para la maniobra de puesta en marcha y parada se emplea un contactor en la mayora de los casos, aportando ventajas en cuanto a la posibilidad de vincular el arrancador a un automatismo de mando y sealizacin a distancia. Finalmente se completara el arrancador con un elemento de proteccin contra sobrecargas XE "sobrecargas" del propio motor (esta funcin en general tambin brinda proteccin contra falta de fase).

En casos especiales se pueden incorporar protecciones por baja tensin y sondas PTC o termistores que permiten censar la real temperatura XE "temperatura" de los arrollamientos del motor (sobre todo en casos de gran frecuencia de maniobras o frenados por contracorriente).

Dimensionamiento de los elementos del arrancador:

1-Para obtener los conductores de alimentacin se hace una eleccin por calentamiento XE "calentamiento" , es decir, en base a la corriente nominal del motor se elige un conductor que tendido en cuenta todos los factores de instalacin y de temperatura XE "temperatura" ambiente soporte dicha corriente (elegir mediante catlogos de fabricantes de cables). Luego de elegido el conductor se lo debe verificar por cada de tensin, ya que en general el cable adoptado por el criterio de la corriente admisible debe ser aumentado en seccin para cumplir con la mxima cada de tensin admisible. Si los valores de cada de tensin son muy grandes en el arranque, aun despus de subir en dos medidas comerciales la seccin de los conductores, indican que se debe recurrir a otro sistema de arranque que reduzca la corriente.

2-Fusibles: la tendencia es sustituir los fusibles por protecciones magnticas asociadas a los guardamotores, en algunos casos (grandes motores) se siguen empleando fusibles NH como proteccin de respaldo, es decir, los fusibles se lo sobredimensiona para evitar fusiones indeseables durante el arranque y entonces deben obligatoriamente ser acompaados por protecciones contra sobrecargas XE "sobrecargas" que acten para las corrientes de fallas menores a las que los fusibles son capaces de cortar.

El fusible debe soportar el arranque del motor, por lo que el punto determinado por el tiempo de arranque y la corriente de arranque, se debe encontrar por debajo y a la izquierda de la curva de operacin del fusible en un grafico tiempo/corriente; tomando un factor de seguridad de orden de 1,5 veces el tiempo de arranque del motor.

3-Contactor XE "Contactor" : se debe elegir de modo tal que su corriente de empleo (Ie) en categora AC3 sea mayor o igual a la corriente nominal del motor, o lo que es lo mismo que la potencia mxima que el contactor pueda manejar en categora AC3 y a la tensin nominal del motor sea mayor o igual a la potencia del motor.

4-Rele Trmico XE "Rele Trmico" : se debe elegir de modo tal que la corriente nominal del motor quede aproximadamente en el medio entre los mrgenes de regulacin de dicho rel. Forma de regularlo: poner en marcha el motor con su carga normal y si luego de algunos minutos no se produce el disparo del rel, reducir la corriente de disparo regulada. Nuevamente esperar un tiempo prudencial y si el rel sigue sin disparar reducir nuevamente la corriente, seguir operando de esta manera hasta que actu el rel. Finalmente se dejara ajustado el rel a un valor levemente superior al que produjo el disparo (nunca mayor a la corriente nominal indicada en la chapa de datos del motor).

5-Cada vez mas se emplean guardamotores magnetotrmicos ya que reducen los tiempos de montaje y el espacio ocupado dentro de los tableros ya que estos reemplazan al seccionador, los fusibles XE "fusibles" y el rel trmico, evitando problemas por mala coordinacin entre protecciones y disponiendo de elevadas capacidades de ruptura. Para su eleccin se procede de igual manera que en el caso de rel trmico. En un arranque tradicional (fusibles + contactor+ rel trmico) una mala coordinacin entre estos elementos puede ocasionar daos irreversibles a los bimetales o resistencias calefactores del rel trmico, con el guardamotor resolvemos este problema de coordinacin entre el elemento de proteccin contra cortocircuitos y el de proteccin contra sobrecargas XE "sobrecargas" . La coordinacin guardamotor y contactor no presenta mayores dificultades.

3.4. Arranque Estrella Tringulo XE "Arranque Estrella Tringulo"

Es un mtodo de arranque muy sencillo y relativamente de bajo costo por ello es muy difundido en los sistemas electromecnicos de arranque por tensin reducida.

Este mtodo de arranque se puede aplicar tanto a motores de rotor devanado como a motores de rotor en jaula de ardilla, la nica condicin que debe de cumplir el motor para que pueda aplicrsele este mtodo de arranque es que tenga acceso completo a los devanados del estator (6 bornes de conexin XE "bornes de conexin" ); situacin que no se da en todos los motores, como por ejemplo en las bombas sumergibles; y que la tensin para conexin triangulo coincida con la tensin de lnea de la red, o lo que es lo mismo, que la tensin para la cual fue calculado el arrollamiento de cada fase coincida con la tensin de lnea disponible. Por lo general este tipo de arranque se utiliza para motores pequeos.

Reducciones obtenidas mediante este arranque:

-Reduccin de la corriente de lnea: La tensin de lnea aplicada al motor en conexin estrella y triangulo es la misma, la diferencia en los valore de corriente para ambas conexiones esta dada por el distinto valor de impedancia que el motor presenta para cada situacin, entre los terminales de lnea. Veamos los siguientes esquemas:

Figura 33 Impedancias para el arranque estrella-tringulo

Se demuestra as como la corriente de lnea queda reducida 3 veces mediante un arranque estrella tringulo.

-Reduccin de la cupla motora:

Como el par queda reducido a la tercera parte, hay que tener esto en cuenta si el motor arranca con toda la carga, conviene que el motor arranque en vaco o con poca carga.

Aplicaciones: Este tipo de arranque se usa cuando se desea deliberadamente reducir la cupla de arranque para suavizar el arranque o en maquinas que arrancan en vaco o cuyo par resistente a baja velocidad es bajo y admiten esta fuerte reduccin de la cupla motora.

Aplicaciones tpicas: ventiladores centrfugos, las mquinas herramienta (arrancan en vaco), las bombas de agua centrfugas, compresores con sistema de descompresin durante el arranque y en general toda mquina del tipo centrifuga, con arranque en vaco o de los tipos con exponente 1 y 2 en su caracterstica de cupla resistente.

Desventajas de este arranque:

.La cupla de arranque que se obtiene a veces no es suficiente para hacer arrancar mquinas con mucho momento de inercia

El motor se deja de alimentar durante el cambio de la conexin de estrella a tringulo en los devanados del estator.

Aumenta el tiempo de arranque, como se analiza a continuacin.

Velocidad y Tiempo de conmutacin:Comparacin de la forma en que se modifica la cupla acelerante y por lo tanto el tiempo de arranque al efectuar un arranque estrella-triangulo cuando el motor acciona una maquina de cupla resistente del tipo parablico, con la forma suministrada por el mtodo de arranque directo.

En un arranque directo, se tiene una gran intensidad de arranque que se reduce rpidamente (tpicamente en menos de 5 segundos). Por otro lado la gran diferencia entre la cupla motora de arranque y la cupla resistente a velocidad cero, hace que se tenga una elevada cupla acelerante y por lo tanto un tiempo de arranque breve. En un arranque estrella triangulo planteando el mismo caso, la cupla acelerante se reduce notablemente y por lo tanto se prolonga el tiempo de arranque (tpicamente 2 a 4 veces mas tiempo que en arranque directo) resultando un arranque mas suave y con menor corriente demandada de la red.

El tiempo de conmutacin XE "tiempo de conmutacin" (paso de conexin estrella a conexin triangulo), se puede calcular si se dispone de datos suficientes para determinar cuantos segundos tarda el sistema motor-maquina accionada, alcanzar la mxima velocidad posible en conexin estrella. De lo contrario se proceder en forma prctica a la obtencin del mismo.

Uno de los mtodos prcticos consiste en dar arranque en conexin estrella y medir la velocidad del sistema, procurando medir cuanto se tarda en estabilizar su velocidad. Este ser el tiempo que se ajustara en el temporizador de conmutacin.

Otro mtodo consiste el ajustar un tiempo de 20 segundos y medir con una pinza amperomtrica la corriente de conmutacin; luego reducir el tiempo en pasos de 1 segundo y repetir la operacin.

Figura 34 Cupla vs. deslizamiento arranque directo

Figura 35 Cupla vs. deslizamiento arranque estrella-tringulo

Se debe tener presente que un tiempo de conmutacin muy corto genera una elevada corriente de conmutacin, y de mayor duracin, adems de una brusca aceleracin del conjunto motor-mquina accionada.

Circuito de potencia de un arranque Estrella-Triangulo por contactores: El circuito de potencia de un arranque estrella triangulo puede tener distintas combinaciones de proteccin. Una consiste en un guardamotor magnetotrmico como el encargado de las funciones de seccionamiento, proteccin contra sobrecargas XE "sobrecargas" y proteccin contra cortocircuito. La otra opcin es emplear un seccionador fusible tripular como elemento de seccionamiento y proteccin contra cortocircuito junto con un rel trmico asociado al contactor de la lnea y recorrido por la corrientes de fase del motor.

Funcionamiento: Con el circuito en reposo no tenemos ni conexin estrella ni triangulo. El contactor de lnea (KML) tiene la funcin de evitar que los bornes U1, V1 y W1 queden con tensin cuando el motor este en reposo. Para arrancar se cierra el centro de estrella, energizndose las bobinas del contactor de estrella (KM) y luego la del contactor de lnea. Pasado el tiempo de conmutacin se abre el centro de estrella y se cierra el contactor de triangulo (KM) recibiendo el motor a partir de ese momento la tensin nominal sobre cada una de sus bobinas. Se debe enclavar elctricamente los contactores KM y KM ya que si se produce un cierre simultaneo por quedar trabado un contactor, se producira un cortocircuito.

Dimensionamiento de los elementos del arrancador estrella-triangulo:

Se puede usar sin cometer mayores errores una aplicacin tipo AC2, ya que al elegir contactores en categora de empleo AC3 este esta manejando en realidad corrientes de arranque 3 veces menores a las definidas por la norma de dicha categora de empleo, por lo tanto tendrn una vida til mayor.

Figura 36 Circuito de potencia arranque estrella-tringulo

3.5. Arranque por autotransformador XE "Arranque por autotransformador:2.5. Arranque por autotransformador" \t "Vase" XE "Arranque por autotransformador" \t "Vase"

XE "autotransformador" \t "Vase" XE "autotransformador" \t "2.5. Arranque por autotransformador" Se aplica a motores cuya potencia nominal XE "potencia nominal" es mayor que 5KW. Este mtodo de arranque consiste en conectar un autotransformador trifsico alimentando al motor con una Ve (tensin de estator) menor de Vn de tal forma que la intensidad de arranque sea la deseada. Cuando el motor alcanza las condiciones de funcionamiento se desconecta el autotransformador y se alimenta al motor a su Vn. Este proceso suele hacerse en dos o tres pasos con tensiones no inferiores al 40-60 y 75% de la tensin nominal de alimentacin del motor.

Presenta inconvenientes como ser: El motor se deja de alimentar durante el cambio de una tensin a otra, aumento el tiempo de arranque.

3.6. Arranque por Variadores de velocidad XE "Arranque por Variadores de velocidad"

XE "Variadores de velocidad" \t "Vase" para motores asincrnicos

Variadores de velocidad (Convertidores de frecuencia):

Los convertidores de frecuencia son tambin llamados administradores o variadores de velocidad (siglas en ingles VSD) o administradores de frecuencia variable (VFD).

Estos administradores contienen dos partes principales:

Una primera parte que convierte corriente alterna (50 o 60 Hz) a corriente contina.

Y una segunda parte que convierte la corriente continua nuevamente en alterna pero con frecuencia diferente (0 a 250 Hz para productos ABB).

Como la velocidad del motor asincrnico depende de la frecuencia se hace posible el control de velocidad a partir de la frecuencia variable de salida del administrador. Este control brinda la ventaja de poder variar la velocidad del motor en forma continua durante el funcionamiento del mismo.

En muchas aplicaciones se utilizan a los variadores de velocidad para el arranque y la parada de los motores, aunque esto implique un costo ms elevado que si se utilizaran otros equipos de arranque. La ventaja del uso de variadores de velocidad radica en obtener regulacin de velocidad para los motores.

Los variadores de velocidad electrnicos eliminan los siguientes inconvenientes.

El pico de corriente en el arranque puede perturbar el funcionamiento de otros aparatos conectados a la red.

Las sacudidas mecnicas que se producen durante el arranque y parada pueden ser inaceptables.

Funcionamiento a velocidad constante.

Asegurando la aceleracin y desaceleracin progresivas, permitiendo adaptar la velocidad a las condiciones de explotacin de forma muy precisa.

Figura 38 Diagrama en bloques del convertidor AC-ACVentajas de la utilizacin del variador de velocidad en el arranque de motores asincrnicos:

Las funciones que poseen los variadores son amplias y cambian segn el fabricante, sin embargo algunas de estas son:

El variador no tiene elementos mviles, ni contactos.

La conexin del cableado es sencilla.

Permite el arranque suave, progresivo y sin saltos.

Tiene funciones de control para el arranque y la parada progresiva.

Limita la corriente de arranque.

Permite el control de rampas de aceleracin y desaceleracin, con tiempos regulables.

Puede controlar y detectar la falta de fase. Protege el motor.

Se obtiene un mayor rendimiento del motor.

Inconvenientes en la utilizacin del variador de velocidad en el arranque de motores asincrnicos:

Es un sistema caro, pero rentable a largo plazo.

Requiere del estudio de las especificaciones del fabricante

Requiere un tiempo para la realizacin de la programacin.

Funciones de los variadores de velocidad electrnicos durante el arranque y parada:

Aceleracin controlada: la aceleracin del motor se controla mediante una rampa de aceleracin lineal o en S. Generalmente esta rampa es controlable y permite elegir el tiempo de aceleracin adecuado para la aplicacin.

Desaceleracin controlada: cuando se desconecta un motor su desaceleracin solo depende del par resistente de la carga (desaceleracin natural). Los variadores de velocidad permiten controlar la desaceleracin mediante una rampa lineal o en S, normalmente independiente de la rampa de aceleracin. Esta rampa puede ajustarse de manera que se consiga pasar de la velocidad de rgimen fijada a una velocidad intermedia o nula.

Adems los variadores ofrecen la caracterstica de regulacin de velocidad.

Proteccin Integrada XE "Proteccin Integrada" :

Estos equipos aseguran tanto la proteccin trmica de los motores como su propia proteccin. Entre las principales funciones de proteccin estn las siguientes:

Cortocircuito entre fases y entre fase y tierra.

Sobretensiones y cadas de tensin.

Desequilibrio de fases.

Funcionamiento en monofsico.

3.7. Arranque con resistencias estatricas XE "resistencias estatricas" Insertando resistencias en el circuito del estator se logra reducir las corrientes de arranque, trayendo como consecuencia una fuerte reduccin del par motor disponible (reduccin en forma cuadrtica con la reduccin de la tensin aplicada en bornes del motor).

Arrancador del estator unipolar: cuando se intercala una resistencia en una de las fases, disminuye el par de arranque pero la corriente disminuye en esa fase nicamente. Este arranque se denomina KUSA (acrnimo de la denominacin alemana que traducido es arranque suave para rotor en cortocircuito). Este mtodo se emplea cuando se debe evitar un arranque brusco sin necesidad de reducir la corriente.

Arrancador del estator tripolar: este tipo de arranque solo podr emplearse cuando el funcionamiento se inicia con carga reducida, ya que se debe tener presente que el par de arranque disminuye la relacin casi cuadrtica con la reduccin de la corriente de arranque.

Figura 39 Arranque con conexin KUSA

3.8. Arranque suave electrnicoGracias al bajo precio y alta disponibilidad de semiconductores de potencia XE "semiconductores de potencia" y microprocesadores, se ha logrado la gran utilizacin de convertidores. Estos no poseen elementos en movimiento por ello tambin se los denomina convertidores estticos. Los convertidores estticos mas usados son los arrancadores suaves y los convertidores de frecuencia.

En la siguiente tabla se resumen como los variadores de velocidad y arrancadores suaves solucionan los problemas mecnicos y elctricos ms comunes en los motores asincrnicos.

Principio de funcionamiento:

Los arrancadores suaves basan su funcionamiento en la reduccin de la tensin de la alimentacin del estator del motor durante el arranque, reducindose la corriente de arranque en forma proporcional y la cupla de arranque en forma cuadrtica. Estos equipos presentan caractersticas diferentes a los otros mtodos convencionales de arranque, ya que regulan electrnicamente el voltaje hacia el motor por medio de tiristores, o algn otro semiconductor de potencia.Tipo de problemaVariadores de velocidadArranques suaves

Deslizamiento de correa y desgaste de cojinetesNONO

Alta CorrienteNONO

Desgaste y rotura de caja de engranajesNONO

Dao a productos durante la paradaNONO

Golpe de ariete en sistema de caeraMejor solucinReducido

Picos de TransmisinNONO

Tabla 31 Comparacion arranque suave y variadores de velocidadEn otras palabras los arrancadores suaves reducen los picos de corriente que se presentan durante el arranque, mediante la inyeccin progresiva de tensin.

Por lo que si gradualmente el voltaje y par se incrementan se logra que el motor comience a acelerarse. Un beneficio de este mtodo de arranque esta en poder ajustar el par de acuerdo a la necesidad.

As como los variadores de velocidad tienen la posibilidad de parada suave tambin los arrancadores suaves tienen esta funcin logrando las mismas ventajas descritas para los variadores.

Seguidamente se observa una clasificacin de arrancadores suaves, en general se utiliza en el orden dado a medida que crece la potencia del motor a arrancar.

Arrancador suave con circuito tipo KUSA XE "KUSA" :

Figura 310 KUSA unipolar

Arrancador suave con circuito tipo KUSA BIPOLAR XE "KUSA BIPOLAR" :

Figura 311 KUSA bipolar

Estos dos esquemas generan, al igual que el sistema KUSA convencional con resistencia, una alimentacin trifsica desequilibrada que da origen a un campo giratorio inverso en el estator del motor. Este campo reduce la cupla de arranque del motor y por lo tanto la cupla acelerante, suavizando el arranque desde el punto de vista mecnico. Al igual que los sistemas KUSA estos arrancadores no reducen la corriente de arranque (incluso la elevan respecto de un arranque directo sobre dos de las fases); por esto son aplicados en motores de baja potencia.

Arrancador suave con circuito smil Resistencia Estatricas:

Este esquema reduce en forma equilibrada la tensin de alimentacin del motor generando el mismo efecto que un arranque estrella-tringulo o por autotransformador. Estos arrancadores reducen la cupla y la corriente de arranque. Reducciones obtenidas con los arrancadores suaves:

Figura 312 Arranque similar a resistencias estatoricas

Reduccin de la tensin:

Los arrancadores suaves controlan el ngulo de conduccin XE "conduccin" de un par de tiristores por fase conectados en antiparalelo, es decir, reducen la tensin en bornes del motor por medio de controles con semiconductores (tiristores por ejemplo). A continuacin se ve como se va incrementando la tensin sobre el motor durante el proceso de arranque.

Figura 313 Tensin de linea incrementando ngulo de conduccin XE "ngulo de conduccin"

Reduccin de la corriente de arranque:

La corriente que demanda de la lnea un motor de induccin para un dado deslizamiento es directamente proporcional a la tensin aplicada al estator, pues bien, cuando la tensin de alimentacin se incrementa progresivamente se tiene el siguiente comportamiento de la corriente.

Figura 314 Corriente de linea durante el arranque

Reduccin de la cupla de arranque:

La cupla motora que produce un motor, para un dado deslizamiento, varia con el cuadrado de la tensin aplicada al estator, por lo tanto si la tensin de alimentacin se incrementa progresivamente la cupla motora se comporta como se muestra en la grafica siguiente:

Figura 315 Incremento de la cupla motora

Prestaciones que ofrecen los arrancadores suaves comerciales:

1. Ajuste del tiempo de arranque

2. Ajuste de la tensin inicial de arranque

3. Impulso de despegue o arranque (BOOST o KICK START)

4. Ajuste del tiempo de parada

5. Funcin limitacin de corriente de arranque

6. Optimizacin del factor de potencia XE "factor de potencia" y ahorro de energa con marcha en vaco

7. Deteccin de corriente mnima

8. Proteccin contra sobrecargas XE "sobrecargas" 9. Parada XE "Parada" rpida

10. By-Pass XE "By-Pass" 11. Inversin de marcha XE "Inversin de marcha" 1-Ajuste del tiempo de arranque. Rampa de Aceleracin:

El tiempo de arranque se define como el tiempo que tardara en subir la tensin de alimentacin del motor desde el valor de la tensin inicial de arranque hasta la tensin nominal del motor. En general este tiempo puede ajustarse entre 0.5 y 60 segundos. La mxima tensin que estos equipos pueden entregarle al motor es la tensin que ellos reciben desde la red, por lo tanto el motor debe tener una tensin nominal igual a la de la red.

El tiempo de arranque se ajustar en funcin de cuanto se quiere suavizar el arranque desde el punto de vista mecnico. Si en cambio lo que se quiere es reducir corriente se deber ir probando con distintas rampas y midiendo la corriente de arranque resultante. Tiempos muy cortos hacen que la tensin en el motor llegue al valor nominal cuando la velocidad es todava baja, producindose altas corrientes. Si lo que se busca es reducir la corriente de arranque y este es el criterio que define el arranque, entonces se usa la funcin limitacin de corriente que se encarga de ajustar la rampa en forma automtica.

Figura 316 Ajuste para el tiempo de arranque

2-Ajuste de la tensin inicial de arranque:

La tensin inicial es el valor de tensin a partir del cual comienza la rampa de tensin aplicada al motor en el arranque. Este valor esta ligado con el pico inicial de arranque (corriente) y la cupla de arranque. En la prctica se debe ir probando valores crecientes de la tensin inicial hasta que la cupla motora de arranque sea capaz de vencer a la cupla resistente a velocidad cero de la maquina accionada. As si el arranque es fcil se ajusta la tensin inicial al menor valor posible para lograr as una mxima reduccin de corriente. Los equipos traen la posibilidad de ajustar la tensin inicial entre un 30 y un 90 % de la tensin nominal del motor.

Figura 317 Tensin inicial para el arranque

3-Impulso de despegue o arranque (BOOST XE "BOOST" o KICK START):

Cuando, segn la aplicacin, se requiere que el motor entregue una sobrecupla transitoria para vencer inercias y rozamientos estticos y cuando la maquina accionada rompe inercia el requerimiento de cupla motora baja notablemente. Para que el motor se adapte a estos requerimientos y la corriente de arranque se limite (en tiempo), se aplica sobre el motor un pulso de tensin nominal de corta duracin denominado BOOT o KICK START. Segn el fabricante este pulso es de duracin fija (100 a 200 ms) o puede ser regula do por el usuario entre 0 y 999 ms. El pico de corriente que se obtiene sobre la lnea de alimentacin tiene la misma duracin, y el valor que alcanza es el mismo que en un arranque directo pero de menor duracin.

Figura 318 Refuerzo de tensin en el momento de arranque

4-Ajuste del tiempo de parada Rampa de Desaceleracin (parada progresiva XE "parada progresiva" ):

El motor, por lo general, se desconecta en forma directa cuando se abre un contactor o interruptor. Segn la carga que el motor acciona y el momento de inercia de todo el sistema de masas en movimiento, el motor gira lentamente hasta detenerse o interrumpe su movimiento abruptamente, ambos casos pueden traer inconvenientes segn la aplicacin. Por ejemplo para cintas transportadoras, una para muy rpida no es la mejor solucin.

Por ello se recurre a una parada suave que consiste en reducir progresivamente la tensin de alimentacin del motor desde el valor nominal con el cual se encontraba trabajando hasta cero. En general los equipos vienen para ajustar este parmetro entre 0 y 120 segundos. Si se ajustan tiempos cortos en un sistema motor-mquina, como por ejemplo, el accionamiento de una bomba centrfuga, que poseen una inercia muy pequea, simplemente se dar que el sistema se detiene tiempo despus de que la tensin de alimentacin ha llegado a cero. En estas aplicaciones es conveniente una parada progresiva para prevenir en la instalacin hidrulica posibles problemas causados por el golpe de ariete debido a la interrupcin brusca del flujo de agua (se produce adems de fuertes ruidos, posibles daos en las tuberas y vlvulas).

Para lograr tiempos de frenado menores a los de frenado natural se recurre a la funcin parada rpida que algunos equipos posen y consiste en alimentar al motor con tensin continua. De esta manera se induce un campo magntico estacionario en el estator cuya reaccin con el rotor en movimiento genera un fuerte par de frenado. Este freno se utiliza cuando las masas de la maquina accionada tienen una gran inercia, la parada puede ser demasiado prolongada, y as la funcin frenado por C.C. permite acortar el tiempo de parada.

Figura 319 Ajuste del tiempo de parada suave

5-Funcin limitacin de corriente XE "limitacin de corriente" de arranque:

Cuando se desea limitar la corriente de arranque, es difcil o muy largo entrar en un proceso de prueba y error ajustando tiempos de arranque para lograr que el ritmo de crecimiento de la tensin aplicada al motor sea acompaado por el ritmo de crecimiento de la velocidad del mismo obteniendo un arranque con corriente reducida. Para solucionar este problema los equipos traen una funcin denominada limitacin de corriente de arranque que en general puede se ajustada entre 2 In y 5 In del motor. En este modo de funcionamiento el equipo monitorea o mide la corriente que demanda el motor (con transformadores de intensidad o sensores de efecto hall) y lo compara con el valor mximo permitido ajustado por el usuario; cuando la corriente alcanza el valor limite la tensin deja de crecer y se espera a que el motor gane velocidad y baje su corriente. Cuando se detecta que la corriente comienza a bajar se vuelve a aumentar la tensin. El proceso se repite hasta que el motor llega a velocidades cercanas a la de trabajo en donde su corriente es la nominal o menor y el motor pude recibir su tensin nominal.

En los casos de arranques pesados no se podr ajustar limitacin de corriente en los valores mas bajos 2 o 3 In, ya que esto requiere poca tensin de alimentacin y por lo tanto se reduce la cupla motora. Esta reduccin llevara a que el motor no acelere y la corriente no baje, por lo tanto el equipo no podra seguir subiendo la tensin y el proceso de arranque no concluira. Pasado 60 segundos actuara las protecciones trmicas del equipo ya que el mismo no esta dimensionado para manejar en forma permanente 2 o3 In. Incluso la cantidad de arranques por hora que admita un equipo debe ser consultada en el manual. Para gran cantidad de arranques por hora se debe sobredimensionar la potencia del arrancador respecto de la potencia del motor o comparar un equipo Heavy duty en el cual el fabricante hace el sobre-dimensionamiento de los componentes.

6-Optimizacin del factor de potencia y ahorro de energa con marcha en vaco:

Cuando un motor asincrnico trabaja en vaci tiene un muy bajo consumo de potencia activa (perdidas en el hierro, perdidas rotacionales y algo de perdidas en el cobre del estator), en tanto que tiene un consumo de potencia reactiva magnetizante que es el mismo que a plena carga. Esto lleva a que el factor de potencia sea de 0.15 o 0.35 aproximadamente. Veamos el triangulo de potencias para el motor en vaco y el circuito equivalente del motor en vaco.

Figura 320 Circuito equivalente para arranque y triangulo de potencia

Si se desprecia las cadas de tensin creadas por la corriente de vaco en R1 y X1 se podr expresar a la potencia magnetizante del motor como:

Entonces, si se reduce la tensin de alimentacin del motor en vaci, se podr reducir notablemente el consumo de potencia reactiva. Esto puede hacerse ya que con el motor en vaco la deduccin de tensin no trae reduccin de velocidad por que se pierde cupla motora pero no hay cupla resistente que frene al motor. El problema que se presenta es que la reduccin de tensin se realiza recortando la seal de alimentacin del motor mediante el cambio del ngulo de disparo de los tiristores y esto introduce gran cantidad de componentes armnicos en las corrientes de lnea que absorbe el motor. Esto llevara a analizar el de cada componente de corriente respecto de la tensin, y finalizara en que el factor de potencia (cociente de potencias) no mejora demasiado en tanto que se ha introducido gran cantidad de ruido y componentes armnicos en la red.

Por otro lado la potencia activa (que es la que se cobra) disminuye si baja la corriente activa; pero e esta aplicacin lo que disminuye es la corriente reactiva fundamental o de 50 Hz. Igualmente baja la corriente que atraviesa el bobinado del motor bajando algo las perdidas en el cobre del estator en vaco

El arrancador sabe cuando aplicar esta funcin porque mide la corriente y la compara con la nominal, lo cual le permite saber si el motor esta en carga o en vaco.

No todos los equipos traen esta funcin y se ejecuta solo si se configura el arrancador para este propsito.

7-Deteccin de corriente mnima:

Basa su funcionamiento en medir la corriente demandada por el motor y compararla contra la nominal. En caso de detectar la corriente de vaco apaga el motor (si se configuro esta funcin). Con esto podemos detectar un corte de una correa de transmisin por ejemplo, o la ausencia de fluido bombeado en una bomba centrifuga (que se estropea trabajando es ese estado) o de materia prima en maquinas con alimentacin automtica.

8-Proteccin contra sobrecargas XE "sobrecargas" :

Muchos equipos incorporan esta funcin aprovechando que tienen la capacidad de medir la corriente que demanda el motor de la red. Gracias a esta funcin se puede realizar una eficaz proteccin contra sobrecargas XE "sobrecargas" en un arranque prolongado que de otro modo requerira puentear las protecciones durante el arranque. Para que sea efectiva esta funcin, se debe configurar el equipo dndole la informacin de cual es la corriente nominal del motor (dato que tambin necesita para otras funciones). Si el equipo no permite informarle cual es la corriente nominal del motor entonces se deber utilizar un motor de igual potencia que el arrancador o de lo contrario se perder la proteccin para motores menores a la capacidad nominal del arrancador. Mediante algunos clculos matemticos el equipo realiza un modelo trmico del motor y es capaz de reproducir la inercia trmica brindando proteccin en caso de excesiva cantidad de maniobras por hora y permitiendo explotar al mximo la capacidad de sobrecarga del motor. Tambin existen protecciones trmicas internas montadas sobre los disipadores de los tiristores.

9-Parada rpida:

Cuando se necesitan tiempos de parada cortos y la inercia del sistema impide lograrlos con un frenado natural se puede recurrir a arrancadores que incorporan la funcin de frenado rpido por inyeccin de corriente continua al estator del motor. Dicha corriente continua se obtiene haciendo que en cada fase solo conduzca un tiristor y logrando as una rectificacin controlada. La circulacin de corriente continua en el estator del motor reemplaza al campo giratorio por un campo fijo, y cuando el rotor lo corta acta como un generador de C.C. con el rotor en corto (jaula de ardilla) produciendo una cupla frenante. El tiempo de frenado es ajustable generalmente entre 0 y 99 segundos y la corriente inyectada puede ajustarse en algunos modelos entre 0,5 y 2,5 In. En el caso de accionar cargas de alto momento de inercia el sistema de inyeccin de C.C. puede resultar insuficiente para detener el motor y su carga, en tal caso los equipos dejan al motor en el estado denominado rueda libre ya que de seguir aplicando C.C. el calentamiento del motor seria excesivo (el frenado termina en forma natural).10-By-Pass XE "By-Pass" :

En procesos en los cuales una maquina arranca y luego pasa horas funcionando se puede puentear la etapa de potencia XE "etapa de potencia" del arrancador (tiristores) para evitar las prdidas de potencia motivadas por la cada de tensin en estado de conduccin XE "conduccin" . De este modo se ahorra algo de energa y se prolonga la vida til del equipo por disminuir su temperatura XE "temperatura" de trabajo. Esta funcin solo lo traen los equipos de media y grandes potencias y es importante aclarar que cuando se utiliza esta funcin se puentea el arrancador y se pierden las funciones de proteccin, por lo que se debe emplear un rel trmico entre la salida del by-pass y el motor. Para realizar el by-pass pasado el periodo de arranque los equipos cuentan con una salida que gobierna la bobina del contactor de by-pass.

11-Inversin de marcha:

En algunos contados casos los arrancadores suaves incorporan dos pares ms de tiristores destinados a realizar la inversin de giro del motor en forma esttica (sin contactores). En la siguiente figura se observa la disposicin de los tiristores en la etapa de potencia XE "etapa de potencia" de un arrancador suave con inversor de marcha.

Figura 321 Arranque suave con inversin de giro

Existen algunos fabricantes de arrancadores suaves que comercializan modelos con 6 bornes de salida en su etapa de potencia XE "etapa de potencia" . De esta manera se puede conectar las bobinas individuales del motor a la bornera del equipo en forma individual (sin puentes de conexin estrella o triangulo en la bornera del motor); completndose la conexin triangulo dentro del equipo. XE "Arranque Directo" Clculo de la etapa de potencia XE "etapa de potencia"

Esta etapa esta dividida en tres partes, en la primera se selecciona los dispositivos semiconductores de potencia; en la segunda parte se determinan los circuitos de proteccin para estos semiconductores. Y por ultimo en la tercera parte se realiza el clculo de los disipadores de potencia.

4.1. Seleccin de los semiconductores

En el siguiente circuito se observa la disposicin de los semiconductores en la etapa de potencia XE "etapa de potencia" con el motor conectado en estrella.

Figura 41 Circuito de potencia con motor conectado en estrella

Donde:

Para la eleccin de los semiconductores se conoce que el motor es pequeo segn los datos anteriores, la corriente que consume no es elevada. Esto justifica el uso de triacs XE "triacs" como semiconductor de control, adems es un dispositivo que tiene la ventaja de una sola compuerta de disparo (esto no sucede con el antiparalelo de tiristores que es una solucin alternativa), por lo tanto el circuito de disparo XE "circuito de disparo" ser menos complejo.

Se realizan las siguientes consideraciones para determinar la corriente y la tensin que soportara el dispositivo:

Se selecciona el dispositivo adecuado de una gua de seleccin de tiristores XE "tiristores" y triacs XE "triacs" , proporcionada por G.M. Electrnica S.A. El componente elegido es el siguiente:

Figura 42 Simbolo y encapsulado del BTA264.2. Proteccin por derivada de tensin XE "derivada de tensin" y corriente.

4.3. Proteccin derivada de tensin XE "derivada de tensin" . Clculo redes snubber XE "redes snubber" \t "Vase" [20]

El valor de voltaje final:

Figura 43 Factor de amortiguamiento.

3- Determinacin del capacitor del snubber y clculo del sobrevoltaje XE "sobrevoltaje" .

Figura 44 Impedancia normalizada 4.4. Proteccin por derivada de corriente XE "derivada de corriente" [21]

Figura 45 Circuito equivalente simplificado para el motor asincronicoEl circuito anterior esta compuesto por los siguientes componentes:

La relacin entre la resistencia del bobinado estatorico y la resistencia presente en el rotor puede aproximarse de la siguiente manera:

El motor asincrnico es de cuatro polos, entonces se puede establecer su velocidad sincrnica en 1500 rpm. Adems para condiciones nominales se tiene:

Estos valores se representan en el siguiente circuito RL, de ste se obtendrn los valores para determinar si son necesarias las protecciones.

Figura 46 Circuito RL

De la simulacin del circuito RL serie se tienen las graficas de tensin y corriente, y stas son las siguientes:

Figura 47 Corriente y tensin sobre la bobina del circuito RL

4.5. Clculo disipador trmico XE "disipador trmico" Un cuerpo que conduce una corriente elctrica pierde parte de energa en forma de calor por efecto Joule. En el caso de los semiconductores, se manifiesta principalmente en la unin PN, y si la temperatura XE "temperatura" aumenta lo suficiente, se produce la fusin trmica de la unin, inutilizando el dispositivo. En los dispositivos de potencia, la superficie del encapsulado no es suficiente para poder evacuar adecuadamente el calor disipado. Se recurre para ello a los radiadores (heatsinks), que proporcionan una superficie adicional para el flujo trmico.

El calor se transmite mediante tres formas conocidas: radiacin XE "radiacin" , conveccin XE "conveccin" y conduccin XE "conduccin" . Por radiacin recibimos los rayos del Sol. La radiacin no necesita un medio material para propagarse, puede hacerlo a travs del vaco. Todo cuerpo con una temperatura XE "temperatura" superior a los cero grados absolutos (kelvin) produce una emisin trmica por radiacin. La conveccin es un fenmeno que atae a fluidos, tales como el aire o el agua. Favorece la propagacin del calor en estos cuerpos, que son de por s muy buenos aislantes trmicos. Un cuerpo caliente sumergido en aire, hace que las capas prximas al mismo se calienten, lo que a su vez ocasiona una disminucin de su densidad, y por esto se desplazar esta masa de aire caliente hacia estratos ms elevados dentro del recinto. Inmediatamente, el "hueco" que ha dejado este aire es ocupado por aire ms fro, y as se repite el ciclo, generando corrientes convectivas que facilitan el flujo trmico. Este mismo fenmeno se da en el agua, o cualquier lquido o gas. La transmisin por conduccin se manifiesta ms obviamente en cuerpos slidos. Los cuerpos que son buenos conductores elctricos, tambin lo son trmicos, y se explica a nivel subatmico. El cobre, la plata, nquel, aluminio, oro, etc., son excelentes conductores. Si aplicamos una llama a una barra de cobre, enseguida notaremos el calor por el extremo que lo agarramos. Este calor se ha propagado por conduccin, ya que por radiacin, en el caso que nos ocupa es de una magnitud despreciable. En la disipacin de calor de los semiconductores, solamente consideramos los dos ltimos tipos de propagacin: conveccin y conduccin. Se puede establecer una correspondencia entre la Ley de Ohm y la propagacin trmica:

Ley de Ohm XE "Ley de Ohm" Analoga Trmica XE "Analoga Trmica" Unidades

Intensidad (I)Calor (P)[W]

Tensin (V)Temperatura (T)[C]

Resistencia (R)Resistencia trmica (R)[C/W]

V= I x RT= P x R

Tabla 41 Analoga elctrica a trmica

En el siguiente circuito elctrico se observa la analoga mencionada:

Figura 48 Modelo electrico para la disipacin termica.

Donde:

Tj: temperatura XE "temperatura" de la unin

Ta: temperatura XE "temperatura" ambiente

Rjc: resistencia trmica unin-capsula

Rcd: resistencia trmica capsula-disipador

Rda: resistencia trmica disipador-ambiente

La asociacin de resistencias trmicas es igual que la asociacin de resistencias. En serie, sumamos los valores de cada R, de manera que la resistencia trmica equivalente es mayor que cada una de las resistencias por separado. Lgicamente, cuanto mayor es la resistencia trmica, mayor dificultad para el flujo de calor XE "flujo de calor" .

Clculo del disipador:

La mayora de fabricantes proporcionan los datos suficientes para poder calcular el disipador que se necesita. Como punto de partida, es necesario conocer la temperatura XE "temperatura" mxima que puede alcanzar la juntura del Triac. Esta temperatura no se deber llegar en ningn caso, para no destruir el componente.

Se tomar unos coeficientes de seguridad XE "coeficientes de seguridad" k, que se encuentra tabulado en funcin de las condiciones de trabajo del semiconductor.

k = 0,5. Dispositivo poco caliente. Mximo margen de seguridad, pero el tamao de la aleta refrigeradora ser mayor. k = 0,6. Dimensin menor de la aleta refrigeradora sin que el dispositivo se caliente demasiado. k = 0,7. Mximo riesgo para el dispositivo, mxima economa en el tamao de la aleta refrigeradora. Este coeficiente de seguridad exige que la aleta se site en el exterior.

Se elige la condicin de funcionamiento caliente, para de K=0.6, por otro lado el T jmax dado por el fabricante es de 125C as:

La temperatura XE "temperatura" del medio ambiente es la temperatura existente en el entorno donde est ubicado el disipador, se ha tomado Ta = 50C, valor elegido considerando las altas temperaturas que normalmente hay en la regin.

Como se dijo en prrafos anteriores, el flujo de calor XE "flujo de calor" , tiene que atravesar varios medios, cada uno con diferente resistencia trmica, se tiene:

La resistencia unin-cpsula XE "resistencia unin-cpsula" (juntura carcaza) (Rjc)

La resistencia unin-cpsula XE "resistencia unin-cpsula" (juntura carcaza) (Rjc), depende de la construccin de la cpsula, se ilustra en tabla 4.2. Para un encapsulado tipo TO-3 (correspondiente al BTA26-600), se tiene:

Tabla 42 Resistencia trmica

De la tabla 4.2, para TOP3 se adopta Rjc = 0,6 C/W

Resistencia cpsula-disipador (Rcd)

La resistencia cpsula-disipador XE "resistencia cpsula-disipador" (Rcd), depende del encapsulado y del aislamiento, entre el componente y el disipador. El aislante puede ser mica XE "mica" , pasta de silicona XE "pasta de silicona" u otros medios. Cada uno presenta diferente resistencia trmica.

El valor de esta resistencia trmica influye notablemente en el clculo de la superficie y longitud que debe disponer la aleta que aplicaremos al dispositivo a refrigerar. Cuanto ms baja es Rcd menor ser la longitud y superficie de la aleta requerida.

Tabla 43 Resistencia trmica capsula disipador

De la tabla 4.3 se obtiene el valor de Rcd=0,20 C/W.

Considerando que cuando no sea necesario aislar el dispositivo, el tipo de contacto que ms interesa es el directo ms pasta de silicona XE "pasta de silicona" (grasa siliconada), ya que presenta menor valor de Rcd y si hubiese que aislar con mica XE "mica" interesa montar mica ms pasta de silicona ya que la Rcd es menor que si se monta solo con mica.

Por ello podemos obtener la siguiente conclusin: La mica XE "mica" aumenta la Rcd mientras que la pasta de silicona XE "pasta de silicona" la disminuye y como se ha dicho cuanto ms pequea sea la Rcd menor superficie de aleta refrigeradora.

Resistencia disipador-ambiente (Rda)

Clculo de la potencia disipada XE "potencia disipada" por el BTA 26-600:

De la figura 4.9, perteneciente a la hoja de dato del dispositivo, ingresando con la corriente nominal In=8,45 A, se obtiene una potencia P = 9W. Esta potencia es el caso ms desfavorable, y es para el caso en que el triac conduce en ciclo completo.

Figura 49 Mxima potencia disipada XE "potencia disipada" vs. corriente eficaz

Para dar margen de seguridad se toma un 25% a mas, o sea se tiene P=11,25W

Partiendo de la expresin, que resulta de resolver la malla, indicada en la fig. 4.8:

Entonces el del perfil XE "perfil" seleccionado debe ser menor que este calculado.

Buscando en los catlogos se elige un valor menor a este , resultando seleccionado el perfil XE "perfil" de la siguiente figura:

Clculo de un solo disipador para ms de un dispositivo:Una solucin prctica y econmica, es colocar en un mismo disipador dos o ms dispositivos junto donde se reparta la disipacin y a la vez lograr reducir considerablemente el disipador.

Se considera entonces, el caso de colocar dos triac en el mismo radiador. Se puede analizar esta situacin mediante el siguiente diagrama de analoga elctrica:

Figura 411 Circuito equivalente com dos fuentes de calor

Figura 412 Circuito equivalente termico parcial

Figura 413 Circuito equivalente trmico total

Se reduce a la mitad la Rjd porque se proporcionan dos caminos para el flujo de calor XE "flujo de calor" .

La asociacin de resistencias trmicas se trata igual que las elctricas, asociando series y paralelos, se llega as a obtener la figura 4.13. Partiendo nuevamente de la expresin 3.13:

El disipador que ofrece los catlogos que mas se adecua a un valor menor que el resultado obtenido es:

De esta manera podemos concluir que se logra ahorrar en disipador distribuyendo el flujo de calor XE "flujo de calor" entre dos triacs XE "triacs" .

Etapa de control y resultados obtenidos en los ensayos

En el comienzo de este trabajo se abordaron los temas relacionados a los motores asincrnicos, y se hizo hincapi en el estudio de los mtodos de arranque; lo expuesto en el final del capitulo 1 se puede resumir de la siguiente manera: cuando conectamos a la red elctrica un motor asincrnico se induce una gran tensin en su rotor y debido a sta, una elevada corriente es absorbida de la red durante cierto periodo, y esta ltima caracterstica representa el principal inconveniente en la puesta en marcha de las mquinas de induccin.

En el siguiente apartado se disea el circuito de control para lograr un arranque progresivo XE "arranque progresivo" , inyectando tensin gradualmente sobre las bobinas del motor y evitando as los picos de corriente descritos.

Para la etapa de control de los semiconductores se resolvi utilizar circuitos elctricos basados en el CI U2008B [22], se trata de un controlador de ngulo de fase XE "ngulo de fase" para aplicaciones monofsicas XE "monofsicas" . La utilizacin de este CI presenta varias ventajas as como ciertas desventajas, entre las ltimas se puede citar la poca informacin disponible sobre su funcionamiento. Por lo tanto se realizaron ensayos para poder comprender el comportamiento correcto del CI; adems se debi solucionar el problema que representa tener carga trifsica XE "carga trifsica" y no monofsica.

5.1. Desarrollo

En la fig. 5.1 se describe el diagrama en bloques XE "diagrama en bloques" que constituye al sistema de arranque electrnico desarrollado:

Figura 51 Diagrama en bloques ganeral

Consideraciones para el disparo de los triacs XE "disparo de los triacs" :

La conexin de los triacs XE "triacs" para su disparo es la que se observa en la figura 5.2, de esta manera trabaja en el segundo y tercer cuadrante, que debido a las caractersticas constructivas son ms sensibles para el cebado. En esta oportunidad se descarta disparar en el cuarto cuadrante por tener sensibilidad reducida.

Esta caracterstica tambin se puede observar en el TRIAC BTA25 que es el que se utilizar para el arranque del motor trifsico de 5HP segn se proyecto en el capitulo dedicado a la etapa de potencia XE "etapa de potencia" .

Tabla 52 Caractersticas de cebado

Para disparar el BTA25 se necesita IGT=50mA para los primeros tres cuadrante y se necesita el doble de corriente IGT=100mA para disparar en el cuarto cuadrante.

En los siguientes ensayos se utilizo un transformador de aislamiento XE "transformador de aislamiento" 1:1 para tener proteccin.

5.2. Ensayos sobre los prototipos monofsicos XE "prototipos monofsicos"

1- El circuito ensayado es el mostrado en la figura 5.3. Se alimento al CI con tensin de la red como el fabricante propone en el circuito de la hoja de datos [22] figura 2.2. Se uso como carga una lmpara incandescente comn, para poder observar con cierta facilidad el cambio en la corriente a travs de modificaciones en la luminosidad. El valor de tensin de lnea utilizado fue de 220 V.

Figura 53 Circuito propuesto para el CI U2008

Hiptesis: el circuito propuesto por el fabricante se debe modificar por varias razones. Primero porque el CI utilizado fue diseado bsicamente para el control de fase de cargas monofsico. Es este trabajo se pretende utiliza una carga industrial trifsica.

Se calibro primeramente R8, ngulo de conduccin XE "conduccin" mnima, que me determina una mnima corriente que circula por la carga cuando el ngulo de disparo es mximo. Con P1 variamos el encendido, es decir la rampa de encendido, para hacer que la lmpara se encienda con mayor o menor luminosidad.

Se comprob que variando P1, se modifica un valor de tensin continua que representa el nivel de set point; adems la luminosidad final de la lmpara es limitada por el valor de seteo de R8.

2- El segundo circuito ensayado fue el mismo que el visto anteriormente modificando la conexin de la carga, ubicndose entre terminal T1 del triac y neutro como se observa en la figura 4.4. Con la obtencin de resultados no esperados, dejando aparentemente de funcionar el CI.

Figura 54 Circuito con un funcionamiento erroneo

3- En el siguiente ensayo se cambi los valores del Capacitor de Soft Start XE "Soft Start" , con el objetivo de poder encontrar el punto ptimo de encendido de la lmpara. En otras palabras en esta experiencia se busc la capacidad que encienda lentamente la carga, el fabricante indica que para valores mas pequeos de capacidad el encendido es mas suave (ver figura 4.5, C5 = C1).

Figura 55 Curvas de comportamiento "Soft start"

Los siguientes pasos se realizaron en el ensayo:

Los resultados fueron satisfactorios.

Conclusiones de los ensayos:

Con P1 al mximo valor tenemos un ngulo de disparo mnimo y por lo tanto la lmpara esta apagada, la tensin medida en el P1 para este caso fue de V set point: VP1=15.8 V que es idntica a la tensin de alimentacin del CI VS=15.8V.

Hasta ahora con lo experimentado se consigui obtener un arranque suave, se controla el ngulo de disparo mediante la comparacin de una rampa de tensin con un valor de continua que es el set point.

4- Se analizo si es posible variar el tiempo de arranque colocando una resistencia variable en serie con el C1, como se observa en la figura 5.6:

Figura 56 Modificaciones ensayadas

Teniendo en cuenta la ecuacin de la recta para el control por rampa:

Con Px=100K el foco tiene un encendido rpido

Pin1 abierto, soft start no funciona.

Con Px=0K igual que sin conectar la resistencia, por ende funciona el soft start.

Con Px=6.5K o Px=14K, casi sin efecto, es decir, comportamiento anlogo a el caso de Px=0K. Funciona el soft start.

Con Px=25K enciende mas rpido.

Como conclusin pudimos obtener que colocando una resistencia en serie con el C1 no afecta el tiempo de arranque.

5- Se separo la parte de control de la parte de potencia colocando una fuente de alimentacin y no la tensin de lnea. Teniendo presente que el terminal 7 de sincronizacin XE "sincronizacin" debe ser alimentado por la lnea para un correcto funcionamiento del CI. Adems en este pin XE "pin" se pueden conectar dos diodos zener XE "diodos zener" , como indica el fabricante [22] para suprimir el redisparado automtico y la compensacin del voltaje de red (Figura 4.7).

Calculo de la resistencia limitadora XE "resistencia limitadora" :

Del circuito original la corriente que circula por el integrado es:

En estas condiciones se obtuvo un funcionamiento de soft start como se esperaba, y con una tensin de alimentacin mas segura para el CI.

Se procedi a probar el funcionamiento con fuente externa con puente de onda completa y utilizando un regulador de voltaje 7815.

Figura 59 Circuito integrado alimentado con fuente mas 7815

A pesar que el fabricante no recomendaba esta forma de alimentacin, sin aclarar el motivo, se han obtenido buenos resultados en los ensayos, esto es bueno desde el punto de vista que se puede alimentar al integrado con una fuente externa, teniendo la posibilidad de este modo de separar la parte de potencia de la parte de control.

5.3. Ensayo sobre el prototipo monofsico modificado XE "prototipo monofsico modificado" El U2008B muestra dos funciones muy tiles para el control de motores:

i) Modo de arranque suave soft start XE "arranque suave \soft start\" en lazo abierto

ii) Modo de control por sensado de corriente XE "sensado de corriente" de carga

Ambas opciones son mutuamente exclusivas ya que utilizan el mismo terminal del integrado para su configuracin. En la figura 5.10 se muestra el circuito ensayado, donde la carga esta constituida por un motor de corriente alterna en paralelo con una lmpara.

Figura 510 Circuito monofsico modificado

En la figura 5.11 observamos el prototipo ensayado, y el trafo de aislacin citado anteriormente se muestra en la misma figura.

Figura 511 Ensayo de laboratorio del circuito monofasico

Figura 512 Ensayo de laboratorio del circuito monofasico

Las conclusiones obtenidas son las siguientes:

a) Monitoreo de tensin interna para contrarrestar cambios bruscos de tensin (terminal 7).

b) El comportamiento en la modalidad soft start se modifica cambiando los valores de capacidad, logrando con esto tiempos de encendido distintos.

c) El ngulo de fase XE "ngulo de fase" del pulso de disparo se obtiene por comparacin entre la rampa de tensin V2, en el terminal 2, y la tensin de control XE "tensin de control" del terminal 3. Adems la pendiente de la rampa se determina por el valor del capacitor C3 y la corriente de carga del mismo que se ajusta por medio del potencimetro P2.

d) La tensin de control XE "tensin de control" tiene un rango activo de -7,5V, cuando el ngulo de fase XE "ngulo de fase" es mximo (corriente nula sobre la carga), a -0,1V con un ngulo de fase mnimo. El rango especificado en la hoja de datos es -9V a -2V, se utilizo un circuito de ensayo bajo condiciones distintas a esto se le atribuye el cambio en el rango de trabajo.

e) Se debe considerar la sincronizacin XE "sincronizacin" con la red elctrica, sobretodo al aplicar una fuente externa que no es recomendada por el fabricante.

Con el osciloscopio se corroboraron las formas de ondas de disparo en la puerta del triac y la tensin sobre la carga. (Figuras 5.12 y 5.13).

Como ltimo laboratorio se realizo lo siguiente: en paralelo a la lmpara se conect un taladro de mano (Figura 5.14). Observndose como resultado un encendido suave comparndolo con el encendido brusco que se obtena conectando el taladro directamente a la red.

Figura 515 encendido del un motor monofasico (de taladro)

Hasta ahora los ensayos y estudios se realizaron tomando el circuito de control para ngulo de disparo del U2008B con cargas monofsicas XE "monofsicas" , obtenindose ptimos resultados en todas las experiencias, a continuacin se desarrollan los ensayos realizados sobre el circuito trifsico.

5.4. Ensayos sobre el prototipo trifsico XE "prototipo trifsico" Se procedi a disear y construir el prototipo para controlar el arranque de un motor trifsico asincrnico tomando como base el circuito monofsico ensayado con anterioridad.

En la figura 5.16 se muestra el circuito para el control trifsico, en este esquema la principal incorporacin radica en el C4 que el fabricante no especifica conectar (entre -VS y el punto medio del preset R4 utilizado para control de tensin) , pero por medio de investigaciones realizadas sobre la nota experimental del U2008B (ver Anexo 2) y circuitos de disparos que usan TCA 785 se concluyo que se debe utilizar un capacitor para lograr un retardo en la rampa de tensin, este retardo es necesario cuando se tiene cargas inductivas como la que se propone controlar en esta oportunidad. Adems de lograr un mejor funcionamiento para controlar carga inductiva, se extienden los tiempos de encendido soft start para cada valor de capacitor en el terminal 1.

Tambin se intento alimentar desde una nica fuente a los tres C.I. del esquema trifsico, sin embargo el desempeo del prototipo no fue satisfactorio. Por lo tanto, se realiz la alimentacin individual para cada C.I. desde su fase correspondiente, logrando el circuito final de la figura 5.17 que tuvo un buen funcionamiento. Adems en paralelo a los triacs XE "triacs" del circuito de potencia deben conectarse las redes snubber para proteccin de los semiconductores, en este esquema se omitieron tales redes ya que la potencia de la carga no lo requiere. En el captulo 3 se estudiaron los circuitos necesarios para proteccin.

Figura 516 Circuito del prototipo trifsico XE "prototipo trifsico"

Se conectaron en paralelo con las bobinas del motor cargas resistivas (lmparas incandescentes), para visualizar mejor los efectos del soft start. Los resultados obtenidos fueron satisfactorios logrando un control trifsico muy simple para el arranque progresivo XE "arranque progresivo" del motor asncrono. Sin embargo el funcionamiento presentaba un inconveniente, exista una diferente conmutacin de fase, es decir, cuando se realiza la conexin arrancan las fases del motor y las lmparas en diferentes tiempos. Este inconveniente se soluciono, a costa de encarecer un poco el circuito; mediante la insercin de un control de rampa independiente R6, R12 y R16 para cada integrado.

Figura 517 Encendido de las lamparas incandescentes una por cada fase

Figura 518 Conexin del motor trifsico

Lo que hace muy simple a este dispositivo es contar con un nico control de pedestal, situado en el circuito master, para las tres fases (preset P1, tensin en el terminal 3, V3). En la figura 5.19 se muestran distintos valores para la tensin en el terminal 3 (V3) y las distintas rampas ajustadas con el preset del terminal 6.

Figura 519 Control de rampa

En la figura 5.19 se observa la conexin del dispositivo al motor trifsico.

Figura 520 Conexin del motor trifsico con cargas resistivas en cada fase

La conexin del motor que se realiz fue en estrella, ya que para un correcto funcionamiento es necesario contar con el neutro usado como referencia. La conexin efectuada se observa en la figura 5.21, donde logramos obtener el centro estrella cuando los tres triacs XE "triacs" se encuentran conduciendo. Una ves que el motor toma la velocidad de rgimen es necesario quitar la energa de las tres fases para la parada de la mquina.

Cada circuito de control se encuentra entre una lnea y el conductor neutro, una vez que termina el periodo de arranque el neutro puede desconectarse.

Figura 521 esquema de conexin del motor con el circuito de potencia

Figura 522 Forma de onda para el arranque progresivo XE "arranque progresivo"

Figura 523 formas de onda instantes antes del regimen permanente XE "regimen permanente"

figura 524 Seal de corriente para distintos ngulos de disparo XE "ngulos de disparo"

Figura 525 Seal de corriente para un ngulo de 180

El equipo desarrollado presenta buenas prestaciones, que se confirmaron con lo