INFORME FINAL - REGULADOR DE MOTORES ELÉCTRICOS
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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO OFICINA DE INVESTIGACIÓN UNIVERSITARIA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA Y FÍSICO MATEMÁTICAS UNIVERSIDAD A L T I P L A N O NACIONAL DEL INFORME FINAL “REGULADOR DE VELOCIDADES DE MOTOR ELÉCTRICO” EJECUTORES: GREGORIO MEZA MAROCHO (EPIME) MARIO FÉLIX QUISPE ATAMARI (EPFISMAT)
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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANOOFICINA DE INVESTIGACIÓN UNIVERSITARIA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA Y FÍSICO MATEMÁTICAS
UNIVER
SIDAD ALTIPLANO
NACIONAL DEL
INFORME FINAL
“REGULADOR DE VELOCIDADES DE MOTOR ELÉCTRICO”
EJECUTORES: GREGORIO MEZA MAROCHO (EPIME)
MARIO FÉLIX QUISPE ATAMARI (EPFISMAT)
PUNO - PERÚ
2012
ÍNDICE
1. RESUMEN ..............................................................................................................01
2. INTRODUCCIÓN...................................................................................................03
3. REVISIÓN DE LITERATURA ....................................................................................13
4. METODOLOGÍA ...................................................................................................27
5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ............................................................................29
6. CONCLUSIONES ..................................................................................................40
BIBLIOGRAFÍA...........................................................................................................42
THE SPEED CONTROLLER OF ELECTRIC MOTOR
ABSTRACT
The speed controller is in a sense a device or set of mechanical, hydraulic, electrical or
electronic employee to control the rotational speed of machinery, especially engines.
Similarly, it is sometimes known by the anglicized Drive, a custom that is considered
inadequate
Industrial machinery is often driven by electric motors, constant or variable speeds, but
with precise values. However, electric motors generally operate at constant speed or
quasi-constant, with values that depend on the power and the characteristics of the
engine, which can not be changed easily. To achieve regulate the speed of the motors,
used a special driver which is called the drive controller. Speed controller drives are
used in a wide range of industrial applications, such as fans and air conditioning
equipment, pumps, and industrial conveyor belts, elevators, filling machines, lathes and
milling machines, etc.
A speed controller may consist of the combination of an electric motor and controller
which is used to regulate speed. The combination of a constant speed motor and a
mechanical device for changing the speed continuously (without being a stepper motor)
may also be designated as the drive controller.
These drives provide speed control of DC motors series, shunt, compound and
permanent magnets.
1
1. RESUMEN
El concepto de control de motores eléctricos en su sentido más amplio comprende
todos los métodos usados para el control del comportamiento de un sistema
eléctrico. El sentido que se pretende en este trabajo está relacionado con el de un
motor y su carga.
El control de motores eléctricos se ha asociado tradicionalmente al estudio de los
dispositivos eléctricos de intervienen para cumplir con funciones de control, sin
embargo, en la actualidad el concepto de control de motores eléctricos no solo se
refiere a los dispositivos eléctricos convencionales, sino también a dispositivos
electrónicos cuyo estudio se relaciona con la llamada electrónica de potencia, lo cual
da un mayor grado de complejidad a los circuitos de control y por lo mismo su
estudio requeriría de mayor detalle, no solamente en los componentes sino también
de la variedad de circuitos para distintas funciones que se presentan en las
instalaciones industriales.
El controlador de un motor eléctrico es un dispositivo que se usa normalmente para
el arranque y paro, con un comportamiento en forma determinada y en condiciones
normales de operación.
El controlador puede ser un simple desconectador (switch) para arrancar y parar al
motor, también una estación de botones para arrancar a éste en forma local o a
control remoto. Un dispositivo que arranque al motor por pasos o para invertir su
sentido de rotación, puede hacer uso de las señales de los elementos por controlar,
como son: temperatura, presión, nivel de un líquido o cualquier otro cambio físico
1
que requiera el arranque o paro del motor, y que evidentemente le dan un mayor
grado de complejidad al circuito.
Cada circuito de control, por simple o complejo que sea, está compuesto de un cierto
número de componentes básicas conectadas entre sí para cumplir con un
comportamiento determinado. El principio de operación de estos componentes es el
mismo y su tamaño varía dependiendo de la potencia del motor que va a controlar,
aún cuando la variedad de componentes para los circuitos de control es amplia.
Los principales elementos eléctricos para este fin, son los que a continuación se
mencionan:
1. Desconectadores (switches).
2. Interruptores termomagnéticos.
3. Desconectadores (switches) tipo tambor.
4. Estaciones de botones
5. Relevadores de control
6. Relevadores térmicos y fusibles
7. Contactores magnéticos
8. Switch de nivel, límite y otros tipos
2
2. INTRODUCCIÓN
El grado de desarrollo tecnológico alcanzado en la sociedad industrial actual, tanto
en sus instalaciones fabriles como en las de servicios y las domésticas, no sería
posible sin la presencia masiva de una máquina que en su realmente maravillosa
simplicidad y robustez hace descansar la solución al problema de generar
movimiento y energía mecánica allí donde sea necesario. Nos estamos refiriendo al
motor eléctrico de corriente alterna. La ausencia en esta máquina de elementos
sometidos a fricción (salvo los cojinetes que permiten el giro del rotor y, en muy
pocas ocasiones, los anillos rozantes) la constituyen en elemento constructivo
obligado de los más variados aparatos e instalaciones y, dímensionado y usado
adecuadamente, alcanza una enorme duración sin apenas mantenimiento.
Únicamente cuando el suministro eléctrico en alterna es problemático se recurre a
otros motores.
Por recordar sólo algunas de sus aplicaciones, podrían citarse de mayor a menor
potencia los motores para hornos de cementeras (del orden de los megavatíos),
motores de locomotoras, motores para accionamiento de bombas y ventiladores en
industrias químicas y similares, motores para ascensores y para todo tipo de
máquinas en grandes, medianas y pequeñas instalaciones fabriles y en laboratorios
(del orden del kilovatio o fracción a cientos de kilovatios), pequeños motores para
un sin fin de aparatos domésticos como neveras, lavadoras, lavavajillas,
acondicionadores ambientales, equipos de sonido, de comunicaciones y de
computación, etc. (de pocos vatios a decenas de vatios). Otro modo de tomar
conciencia del enorme grado de implantación del motor eléctrico de corriente
alterna es recordar que un porcentaje muy importante de la energía eléctrica
3
consumida en el mundo corre a cargo de estos motores, y ello se prevé hasta tal
punto como una situación mantenida que hoy constituye una importante línea de
investigación eléctrica y electrónica la reducción de pérdidas en estos motores como
medio de coadyuvar a la racionalización del consumo energético en el globo.
Pero la universalidad y versatilidad del empleo del motor eléctrico de corriente
alterna ha sido consagrada gracias a sus nupcias con los controladores
electrónicos. La electrónica de potencia, gracias al desarrollo de excelentes
semiconductores como el rectificador de sicilio controlado en sus diversas variantes
y los transistores bipolares de puerta aislada, ha conseguido fabricar equipos muy
eficientes para la generación de ondas de corriente alterna con frecuencia y tensión
controladas ("convertidores de frecuencia") que, suministradas al motor, tanto en su
versión síncrona como en la asíncrona, hacen de él una máquina casi tan versátil,
para el control de par y de velocidad, como el motor eléctrico de corriente continua.
Éste, consecuentemente, ha visto reducido drásticamente su uso debido a su mayor
precio y necesidad de mantenimiento, causados por las delgas y escobillas de su
colector.
El mundo de estos convertidores de frecuencia, que acompañan en cada vez más
numerosas ocasiones a los motores eléctricos de corriente alterna, no es sencillo ni
reducido. La variedad de interruptores semiconductores, de topologías y de
estrategias de control posibles origina una amplia gama de realizaciones prácticas
hoy día bastante consolidadas pero aún en fértil evolución.
La posibilidad de convertir las fuentes energéticas primarias en otras formas más
versátiles y más regulables ha logrado su máximo exponente gracias a la
electricidad. Otra de sus propiedades ha sido la posibilidad de repartirla en
4
"porciones" adecuadas a cada usuario o necesidad. Finalmente los modernos
accionamientos regulados han acabado por poner "inteligencia", tras las primeras
aplicaciones de motores eléctricos en las que sólo se atendía a la conversión de la
electricidad en trabajo mecánico. Estos accionamientos han sido posibles gracias a
la aparición de:
Los semiconductores de potencia controlables.
Los microprocesadores que permiten sofisticados algoritmos de control.
Actualmente la conversión de la energía eléctrica en energía mecánica es, junto con
la conversión en calor de la electricidad, una de las transformaciones más comunes
que se dan en la industria y en los servicios.
Los accionamientos regulados ofrecen grandes posibilidades para:
El ahorro energético en los procesos.
Las mejoras de la calidad de los productos y del confort.
Los accionamientos eléctricos ofrecen ventajas tales como sus amplias gamas de
par, velocidad y en consecuencia potencia. Además entran inmediatamente en carga
y se pueden instalar en la mayoría de los ambientes industriales. El rendimiento de
un accionamiento actual es muy elevado y su control es muy sencillo. También
pueden funcionar en recuperación actuando en esos momentos el motor como freno
y devolviendo energía a la red. El ruido y vibración que generan no es elevado.
5
Tienen algunos inconvenientes, entre los que señalamos su falta de autonomía al
depender de una red de alimentación (problemas para el vehículo eléctrico) y un
peso por unidad de potencia superior al de los actuadores neumáticos.
En la referencia se dan datos sobre el desarrollo histórico y de ella entresacamos:
1885. Desarrollo del primer motor de campo giratorio de corriente alterna.
Ferraris.
1891. Charles Brown transmite potencia trifásica a 15 kV entre Lauffen y
Frankfurt.
1896. Invención del grupo Ward-Leonard.
1960. Aparece el rectificador de silicio controlado debido a General Electric.
1995. Primeros accionamientos con motor asíncrono de jaula y control
directo de par midiendo nada más que los valores de la intensidad absorbida
por el motor.
Este trabajo se ocupa de una parte de las electrotecnologías realizadas para mejorar
la aplicación de la electricidad. Así mejorar la eficiencia, conservar el entorno e
incrementar la calidad de los productos y servicios. La razón de las aplicaciones de
la electricidad, está en su facilidad de ser controlada y en su posibilidad de provocar
variados procesos físicos de interés en las aplicaciones industriales.
Precisamente los CONVERTIDORES DE FRECUENCIA, objeto de este trabajo
mejoran la facilidad de control de los procesos de una forma que nadie podía
imaginar hace algunos años.
6
La transformación de la energía mecánica, procedente de las fuentes naturales,
condicionaba, en el siglo XIX, la ubicación de las industrias manufactureras a las
proximidades de los ríos o de las minas de carbón, O también hacía que el industrial
tuviera que instalar su fábrica con una costosa máquina de vapor que era poco eficaz
y extremadamente contaminante.
La aparición de las máquinas eléctricas rotativas con su funcionamiento reversible,
en generador y motor, junto con el transformador elevador y reductor de tensión,
fueron las bases para la descentralización de las actividades de producción de
energía y empleo a distancia de la misma, transformada a diversas formas una de las
cuales es la mecánica. La producción tiende a concentrarse en grandes centros cerca
de los recursos más rentables. Por contra el consumo de la industria y de los
servicios se puede ajustar y se compran "paquetes" de energía según las necesidades
del usuario.
De entre todos los destinos de la electricidad su transformación en energía mecánica
es uno de los más importantes. Así según datos para 1995 publicados por el Ente
Vasco de Energía (EVE uno de los patrocinadores de esta serie de
ELECTROTECNOLOGÍAS), del total de la energía eléctrica consumida en la
Comunidad Autónoma de Euskadi casi un 18% fue destinada a producir energía
mecánica en los cinco sectores industriales de más consumo energético. A esta cifra
habría que sumar la del resto de los sectores industriales, los servicios, y el
residencial. Vemos pues la gran importancia de esta transformación.
Por otro lado gracias a los CONVERTIDORES DE FRECUENCIA, se logra que
esta energía mecánica se produzca, con motores eléctricos convencionales, de forma
7
altamente controlada y flexible. De este modo se consiguen las mejores prestaciones
de eficiencia, reducción de la contaminación ambiental y mejora de la calidad.
Los motores eléctricos llevan decenas de años tecnológicamente estabilizados, y
gracias a la aparición de los CONVERTIDORES DE FRECUENCIA han
adquirido la posibilidad de mejorar sus prestaciones.
Este trabajo se refiere al estudio de la aplicación de los CONVERTIDORES DE
FRECUENCIA a los motores de corriente alterna en sus versiones síncrona y
asíncrona. No se abordan los motores de corriente continua regulados con
rectificadores controlados ya que su empleo tiene a desaparecer.
Estamos tratando de ofrecer un estudio práctico, a partir de unas bases
suficientemente teóricas. Se pretende que el interesado pueda encontrar las ideas
básicas para comprender el funcionamiento de los CONVERTIDORES DE
FRECUENCIA que, asociados a motores de corriente alterna, son la base de los
accionamientos mecánicos actuales.
Un accionamiento eléctrico es un sistema formado para convertir la potencia
eléctrica, tomada de una red de corriente alterna industrial, en potencia mecánica
para accionar una maquina de proceso de cualquier tipo.
El convertidor electromecánico es el motor, el cual determina la eficiencia
energética de la conversión.
Actualmente una gran parte de las máquinas accionadas están integradas en
procesos y por tanto se requiere que la potencia se transforme de acuerdo con un
8
cuadro de marcha que fija pares y velocidades variables en el tiempo. Para lograr
esto hay que asociar una serie de componentes al motor.
Un accionamiento completo estará formado por los siguientes equipos
Motor eléctrico
Convertidor electrónico de potencia.
Control del convertidor.
Sistema de protección y de monitorización
Ocasionalmente el módulo de control recibe órdenes de un control de proceso
de jerarquía superior.
Sin embargo, para tener un accionamiento no tienen que estar presentes todos los
componentes, y por tanto un motor, con su contactor solamente, constituye el
accionamiento más simple y suficiente en muchas ocasiones.
En la Figura 1.1 vemos el esquema de bloques del accionamiento en su totalidad. En
ella se marcan los flujos de información con flechas gruesas. El número de posibles
variantes para accionamientos eléctricos es muy amplio. De hecho tenemos
variantes importantes determinadas por:
El tipo de motor.
El convertidor de potencia empleado
9
Figura 1-1. Diagrama de bloques de un accionamiento completo.
Aun con estas dos variables hay muchas otras posibilidades que harían una
clasificación compleja y sobre todo al comienzo del libro. Sin embargo, creemos
conveniente ofrecer una panorámica, desde el principio, para que el lector se
familiarice con las posibilidades existentes. Para ello en la Tabla 1.1 que se inserta a
continuación aparecen ocho variantes fundamentales clasificadas de acuerdo con el
motor empleado para la conversión electromecánica. Como esta obra está dedicada
a los accionamientos con motor de corriente alterna no se incluyen los basados en
motor de corriente continua.
Dentro de la tabla se ven algunos accionamientos muy simples, adecuados para
aplicaciones de pocas exigencias, tales como los de las columnas 2, 6, 8. Éstos
10
serían accionamientos convencionales, robustos de pocas exigencias de
mantenimiento. No admiten regulación de velocidad pero hay muchos servicios que
no la precisan.
Por contra los descritos en las demás columnas dan prestaciones mejores, pero
siempre con mayor coste de inversión, necesidad de mantenimiento y ocupando algo
más espacio.
Con tantas soluciones disponibles para el usuario es cada día más importante la
realización de una Ingeniería de Aplicación cuidadosa. Pero asimismo es
fundamental destacar que esta fase de Aplicación no se podrá hacer con calidad sino
viene precedida de una especificación correcta de todas las prestaciones que ha de
tener el Accionamiento y de los condicionantes económicos a respetar.
11
Tabla 1-1. Familias de accionamientos de corriente alterna y su campo de aplicación
Tipo de MotorMotor
asíncrono corto
Motor asíncrono
corto
Motor asíncrono
corto
Motor asíncrono
corto
Motor asíncrono
anillos
Motor asíncrono
anillos
Motor síncrono
Motor síncrono
Control de velocidad NOAjuste
mecánicoControl de
deslizamientoControl de frecuencia
Control de deslizamiento
Recuperación deslizamiento
NOControl de frecuencia
Elemento de ajusteAjustador mecánico
Regulador tensión c/a
Inversor frecuencia
Resistencia rotor
Inversor frecuencia
Inversor frecuencia
Coste global Medio Medio Muy alto Medio bajo Alto Muy alto
Precio motor Bajo Bajo Bajo Bajo Medio Medio Alto Alto
Precio aparellaje Bajo Bajo Bajo Bajo Medio alto Alto Alto Bajo
Ajuste velocidadEscalonada 0 a
21:8 1:10 1:3 a 1:100
1:20 escalonada
1:15 a 1:3 NO 1:500
Dependencia velocidad/carga
2 a 5% 2 a 5% Mínima Mínima Baja Mínima 0% 0%
Rendimiento ALTO ALTO BAJO* ALTO BAJO* ALTO ALTO ALTO
Dispositivo de arranque Pa alta potencia NO NO NO NO Sí Sí NO
Frenado recuperativo NO NO NO Sí NO Sí Sí Si
Factor de potencia ALTO ALTO f (veloc) ALTO f (veloc) MEDIO ALTO ALTO
Carga dinámica a la redPunta de conexión
Mínima ArmónicosArmónicos.
Potencia pulsante
Mínima ArmónicosAlta en
arranquePuntas de potencia
Protección sobrecargaInterruptor.
RelésInterruptor.
RelésLimitador corriente
Limitador corriente
Interruptor. Relés
Limitador corriente
Interruptor Relés
Limitador corriente
* Rendimiento bajo a velocidad parcial
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3. REVISIÓN DE LITERATURA
El libro curso de transformadores y motores de inclusión (4ta. Edición) del autor
Gilberto Enriquez HARPER (Edt. Limusa).
El autor realiza un enfoque del estudio de los transformadores y motores de
inducción haciendo notar el cambio …………. en los últimos años, no solo como
resultado de la evolución tecnológica, sino también por las modificaciones en los
planes y programas de estudio que incorporan este tipo de conocimiento, en la nueva
………….. ha incorporado un cambio sustancial en lo que se refiere a los motores
monofásicos de corriente alterna, razón por la que cambia el título original de
transformadores y motores trifásicos de inducción por el de transformadores y
motores de inducción, también cambia el capítulo I y modifica e incluye problemas,
también agrega un nuevo capítulo sobre control de motores de inducción y otros
sobre motores eficientes, puesto que considera parte de los cambios tecnológicos
más recientes que se deben considerar en el estudio de estos temas.
El libro consta de 9 capítulos.
El libro fundamentos de electricidad electrónica de los autores SLURBERG Y
OSTERHELD (Edit. Mac Graw Hill).
Desde que apareciera en 1944 la primera edición de esta obra Fundamentos de
electricidad (en inglés), los incesantes avances en el conocimiento y aplicaciones de
la electricidad han dado por resultado el presente enorme campo de la electrónica.
La tercera edición (primera en español) ha sido ampliada para incluir capitules de
válvulas, transistores, motores y generadores, con objeto de proporcionar un buen
13
conocimiento básico a aquellos que trabajen en los campos de la electricidad y de la
electrónica. Y, según las necesidades de la tecnología moderna, se han puesto al día
o ampliado los temas relacionados con componentes de circuitos, batería y
magnetismo, así como la solución de los problemas sobre circuitos, complejos.
El propósito del libro es presentar a nivel medio un estudio comprensivo de los
principios fundamentales de la electricidad y de la electrónica para preparar a los
que desean trabajar y adelantar en el campo de la tecnología industrial o en las
industrias electrónicas del presente. Este texto representa más de setenta años de
experiencia combinada de los autores en la industria y en la enseñanza en los
campos de la electricidad, máquinas eléctricas, radio, radar, televisión y electrónica
industrial.
El texto comprende: 1) una introducción al amplio campo de la electrónica; 2) la
estructura atómica básica de las sustancias desde el punto de vista de la teoría
electrónica; 3) el campo de los circuitos eléctricos y componentes de éstos,
incluyendo resistencias, bobinas y condensadores; 4) fuentes de alimentación de tipo
batería y generador; 5) contadores de corriente alterna y de corriente continua; 6)
magnetismo, electromagnetismo y circuitos magnéticos; 7) dispositivos eléctricos
—incluyendo relés-, dispositivos de protección, transformadores, generadores de
corriente alterna y de corriente continua, motores y aparatos de control; 8) los
principios básicos de los componentes de los circuitos electrónicos —incluyendo
válvulas de vacío, válvulas de gas, fotoválvulas, diodos de cristal, transistores,
fotocélulas—, y dispositivos de estado sólido sensibles a la luz; 9) los circuitos
amplificadores básicos con válvulas y transistores, y 10) los circuitos electrónicos
básicos.
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Este libro va dirigido: 1) a estudiantes de electricidad o electrónica básica en
institutos técnicos, centros docentes, escuelas laborales y en cursos de formación en
industrias del ramo, y 2) a aquellos que sin asistir a centros de enseñanza deseen
estudiar privadamente a nivel medio. También va orientado a proporcionar la
necesaria preparación fundamental para estudios posteriores en los campos de la
electricidad y de la electrónica. El nivel matemático requerido para sacar provecho
de este libro es el que normalmente se adquiere en el bachillerato.
Se han combinado en este texto importantes facetas, que no suelen encontrarse
juntas en ningún otro libro:
1. Para un texto tan técnico se requieren conocimientos mínimos de matemáticas, y
al efecto se explican la presentación y aplicación de principios matemáticos
desde que se inicia su uso en esta obra.
2. A lo largo de todo el libro se presentan ejemplos destinados a mostrar las
aplicaciones y principios discutidos en el texto. Todas las principales ecuaciones
son seguidas de un ejemplo ilustrativo. Hasta donde ha sido posible, los valores
empleados en los ejemplos representan valores comerciales. Para explicar mejor
los circuitos de corriente continua, de corriente alterna, de válvulas y de
transistores se han preparado ejemplos sencillos así como complejos.
3. Los principios de funcionamiento de diferentes componentes de los circuitos y
de los circuitos a base de válvulas y transistores se explican de acuerdo con la
teoría electrónica.
15
4. Se emplean gran número de dibujos y muchas fotografías de los componentes
comerciales para ilustrar los principios básicos y las aplicaciones de los temas
tratados.
5. El capítulo de baterías describe los más recientes tipos de elementos, así como
prototipos más antiguos. Entre los nuevos tipos descritos están el elemento de
mercurio, el de óxido de plata, el alcalino, el de níquel-hierro, el de níquel-
cadmio, el de cadmio-óxido de plata, el elemento solar y el de combustión.
6. La solución de todos los tipos de problemas de circuitos de corriente continua se
presenta primeramente empleando el tipo más sencillo de operaciones
matemáticas. Después se explica la solución de problemas de circuitos
complejos empleando las leyes de Kirch-hoff, sistemas de ecuaciones,
ecuaciones de segundo grado y el teorema de Thévenin.
7. El capítulo de magnetismo y electromagnetismo incluye numerosos ejemplos
ilustrativos de los procedimientos empleados en el cálculo de circuitos
magnéticos práctico?, e incluye el empleo de curvas de magnetización.
8. El capítulo de condensadores describe tanto los últimos tipos como prototipos
anteriores. Entre los nuevos se incluyen tipos de Mylar, Teflón, compensadores
de temperatura, de doble dieléctrico, alma-cenadores de energía, de Tántalo y de
niobio. En dos tablas se dan las características de un gran número de tipos de
condensadores.
9. La solución de todos los tipos de problemas de circuitos de corriente alterna se
explica primero a base de los tipos más sencillos de operaciones matemáticas.
16
Posteriormente, se resuelven los problemas de circuitos complejos mediante el
operador j, los vectores polares y el teorema de Thévenin.
10. Los capitules de válvulas electrónicas y transistores presentan los principios
básicos de los componentes fundamentales de los circuitos electrónicos que
aparecen en muchas aplicaciones de circuitos modernos.
11. Un capitulo completo se refiere a los principios de funcionamiento de los
motores de corriente alterna y de corriente continua, generadores y dispositivos
de control. También en dicho capitulo se presentan los principios de los
síncronos y selsyn.
12. Se incluyen 11 apéndices en los que se presentan datos generales de referencia y
sirven de herramientas útiles para trabajar con circuitos electrónicos y sus
problemas.
13. Al final de cada capítulo se añaden numerosas cuestiones o problemas que
sirven de ayuda para la enseñanza y de acicate a los estudiantes más interesados.
En el Apéndice se dan las respuestas a todos los problemas con número impar.
Los valores empleados en los problemas han sido cuidadosamente seleccionados
y representan valores prácticos.
EL LIBRO SISTEMAS DIGITALES DE LOS AUTORES TOCCI-WIDMER
(EDIT PEARSONS PRENTICE HALL).
Este libro realiza un estudio completo y general sobre principios y técnicas de los
sistemas digitales modernos para planes de estudio en las áreas de tecnología,
ingeniería y ciencia de la computación. Aunque es útil un estudio previo en
17
electrónica básica, la mayoría del material no requiere capacitación en electrónica.
Las partes del libro en las que se utilizan conceptos de electrónica se pueden omitir
sin afectar negativamente la comprensión de los principios lógicos.
COBERTURA PLD. El cambio más notables en su octava edición de sistemas
digitales: principios y aplicaciones es el nuevo enfoque para la enseñanza de
dispositivos lógicos programables (PLD). Este libro fue reescrito integrados
tradicionales, para implementar los circuitos de las compuertas más simples a los
sistemas digitales más complicados. Cuando ocurre un cambio importante en la
tecnología. Hay un periodo en que las instituciones educativas deben decidir cuándo
y cómo cambiar la forma en que se imparten los lemas relacionados. Algunos
recordamos.
La transición de tubos de vacio a transistores y, la mayoría, el cambio de circuitos
de transistores a amplificadores operacionales. En los últimos 15 años la tecnología
de los sistemas digitales ha transitado hacia la lógica programable. Actualmente
muy pocos sistemas digitales nuevos usan circuitos integrados de pequeña y
mediana escalas en algo que no sea una función de poca importancia. La mayoría de
la circuitería digital está contenida en un dispositivo programable, matriz de com-
puertas o circuito integrado. No obstante, con el fin de aprender cómo crear esos
"sistemas en un chip", los estudiantes primero deben entender los bloques funda-
mentales: decodificadores, multiplexores, sumadores, memorias intermedias y
búferes, latches, registros, contadores, etcétera. En los cursos introductorios de
laboratorio el alambrado y la prueba de estos bloques fundamentales aún son parte
de la enseñanza. Lo anterior refuerza conceptos tales como entradas y salidas bi-
18
narias, la operación física de los dispositivos y las limitaciones prácticas. También
proporciona un foro realista para desarrollar habilidades de detección de fallas.
El alambrado de estos circuitos en una base de montaje convencional aún
proporciona un medio para aprender lo que no se puede lograr mediante gráficas,
simulación o descripciones de texto.
Sin embargo, los dispositivos programables se pueden usar para demostrar estos
conceptos en forma tan eficaz como los circuitos integrados de menor escala Debido
a que la forma de implementar estos circuitos en la tecnología digital mediante el
PLD, las habilidades necesarias para usar los PLDs se deben desarrollar en conjunto
con el conocimiento básico de los bloques fundamentales. Creemos que los PLDs se
pueden usar para implementar circuitos lógicos mucho antes que el estudiante haya
adquirido un conocimiento suficiente para comprender íntegramente todos los
funcionamientos interiores de un PLD. Cuando esto sucede, a los alumnos se les da
la oportunidad de aprender los pasos de desarrollo y programación usando circuitos
relativamente simples. Más adelante ellos podrán ampliar su conocimiento sobre las
características avanzadas de los lenguajes de programación, a medida que tengan
una mayor conciencia de circuitos más avanzados. Por último, después de aprender
todos los bloques fundamentales, los estudiantes pueden entender la circuitería de
un PLD con el fin de sacar ventaja de sus capacidades y considerar sus limitaciones.
HOJAS DE DATOS. Se incluyen algunas hojas de datos en el Apéndice B. Los
lectores pueden obtener mayor información acerca de este tema en la dirección de.
Texas. Instrumentos; www.ti.com. Consideramos que lo anterior proporciona a los
estudiantes una fuente de referencia mucho más completa, ya que se retienen
19
suficientes hojas de dalos impresas para enseñarles cómo leer e interpretar su
contenido en caso de que no cuenten con una computadora con acceso a Internet.
ARCHIVOS DE SIMULACIÓN. En esta edición también se incluyen archivos de
simulación que se pueden cargar en Electronics Workbench y Circuit. Maker. En
muchas figuras del libro los esquemas de los circuitos fueron capturados como
archivos de entrada para esas dos herramientas populares de simulación. Cada
archivo demuestra la operación del circuito o refuerza un concepto. En muchos
casos, se colocan instrumentos al circuito y se aplican las secuencias de entrada para
mostrar el concepto que se presenta en una de las figuras del libro. Luego estos
circuitos se pueden modificar según se desee para expandir o crear tareas y
tutoriales para los estudiantes. Todas las figuras que tienen un archivo de simulación
correspondiente en el CD-ROM se identifican mediante este icono:
TECNOLOGÍA IC. En la presente edición continua la práctica iniciada en las dos
anteriores: dar más importancia a los CMOS como la tecnología principal de
circuitos integrados en las aplicaciones de integración a pequeña y mediana escalas.
Esto se ha logrado al tiempo que se mantiene la cobertura sustancial de la lógica
TTL.
APLICACIONES DEL MUNDO REAL. Los ejemplos de las aplicaciones
prácticas que contienen las ediciones anteriores se conservaron para motivar a los
estudiantes que se preguntan: "¿por qué necesitamos saber esto?" Algunos ejemplos
son circuitos de control de máquinas copiadoras, circuitos- de secuenciador de
control líquido del proceso, monitor de voltaje de la batería del transbordador
espacial, termostato digital y un esquema visual del generador de funciones. Los
ejemplos de PLD se eligieron para ofrecer una forma alterna de implementar
20
circuitería SSI y MSI equivalente que se explica en el libro. Sin embargo, se
incluyen nuevos ejemplos de PLD que consolidan varios tipos de circuitos y varios
métodos de diseño en un sistema PLD individual. Por ejemplo, en el controlador del
motor de pasos universal que se representa en la figura P-l se usa un solo GAL
16V8 para implementar el secuenciador, el decodificador, y las salidas con búferes
de tres estados para, un circuito interfaz que es muy útil cuando se trabaja con
motores de paso en el laboratorio. En la figura A-2. se muestra un codificador de
teclado numérico explorado que es muy útil como dispositivo de entrada para
microprocesadores y otros sistemas digitales. Incluye circuitos de contadores
secuenciales en anillo, así como codificadores y control de salida de tres estados.
Estos son circuitos que se pueden construir fácilmente y se usan en experimentos
futuros que implican sistemas digitales.
EL LIBRO ELECTRÓNICA TEORÍA DE CIRCUITO Y DISPOSITIVOS
ELECTRÓNICOS DE BOYLESTAD NASHELSKY (EDIT. PEARSONS
PRENTICE HALL). APROXIMACIÓN DE SISTEMAS.
No existe duda de que el creciente desarrollo de sistemas en circuitos integrados
requiere que los estudiantes se familiaricen lo antes posible con una "aproximación
de sistemas" para el diseño y el análisis de sistemas electrónicos. Las redes aisladas,
sin carga, son inicialmente tratadas en los capítulos 8 y 9 para mostrar los
parámetros importantes de cualquier circuito integrado y para desarrollar ecuaciones
importantes para las configuraciones. El impacto de las impedancias de fuente o
carga sobre el sistema se define en el capítulo 10 bajo un enfoque general antes de
examinar redes especificas. Por último, el efecto de conectar los circuitos
individuales se examina en el mismo capítulo para establecer y entender la
21
aproximación de sistemas. Los últimos capítulos sobre amplificadores operacionales
y circuitos integrados, desarrollan posteriormente los conceptos que se introdujeron
en los capítulos anteriores.
PRECISIÓN
El objetivo de cualquier obra educativa es evitar cualquier error. No hay nada más
angustioso para un estudiante que darse cuenta que ha invertido varias horas
trabajando bajo un error de impresión. De hecho, después de todas las horas que
conlleva la preparación del manuscrito y la verificación de cada palabra, numero o
letra, no existe nada más penoso para el autor que encontrar que se han filtrado
algunos errores en la publicación. Con base en la experiencia anterior y en el
esfuerzo invertido en esta publicación, creemos que usted recibirá el mayor nivel
posible de precisión para una publicación de este tipo.
RESÚMENES
Como respuesta a los usuarios actuales, se agregaron resúmenes al final de cada
capítulo, con el fin de revisar los conceptos y conclusiones recién mostrados. Para
poner énfasis en ciertas palabras o frases, se utiliza el estilo de texto en negrita de la
misma forma en que un estudiante utiliza un marcador de textos. La lista de
ecuaciones que aparecen en los resúmenes se limitó a sólo aquellas que de manera
realista, un instructor esperarla que el estudiante aprendiera en el curso.
EJEMPLOS PRÁCTICOS
Mientras que el texto cuenta ahora con cerca de 80 ejemplos prácticos, más de 40 se
añadieron en esta edición y éstos aparecen en sus propias secciones. Éstos proveen
22
de un entendimiento del proceso de diseño que normalmente no está disponible en
este nivel. Las consideraciones prácticas, que se han introducido en este texto,
asociadas con el uso de dispositivos electrónicos, se discutieron según la experiencia
de profesionales en la materia. El nivel de cobertura va más allá de la descripción
superficial de la operación de un producto particular. Las redes se han reducido para
mayor claridad y las ecuaciones se han desarrollado para explicar qué niveles
específicos de respuesta se están obteniendo. Se ha realizado un esfuerzo para dar
idea acerca de las aplicaciones posibles que puede tener cada dispositivo que aqui se
presenta. De manera frecuente, el alumno suele creer que cada dispositivo
electrónico sirve solamente para un propósito en particular. En general, los autores
están satisfechos con el esfuerzo realizado y con el fin de mejorar el contenido de
esta obra le invitan a realizar comentarios y sugerencias que puedan ayudar a este
propósito.
MODELADO DE TRANSISTORES
El modelado de transistores BJT es un área a la que se puede aproximar de
diferentes formas. Algunas instituciones emplean el modelo re de manera exclusiva,
mientras que otras prefieren el enfoque hibrido o una combinación de ambos. Esta
edición enfatizará el modelo re con una cobertura suficiente del modelo hibrido a fin
de permitir la comparación entre los resultados obtenidos a partir de cada modelo.
Un capitulo completo (capitulo 7) se ha dedicado a la introducción de tos modelos
para asegurar un entendimiento claro y correcto de cada uno de ellos, así como las
relaciones que existen entre los dos.
23
DESARROLLO DE ECUACIONES
Por anos el desarrollo de las ecuaciones a pequeña señal denlas redes BJT y JFET
evitaron el impacto del parámetro de salida re. Además, los resultados muchas veces
se proveían sin ninguna idea de cómo se obtenían éstos. Más aún, las ecuaciones
aproximadas se proporcionaban sin ninguna pista de qué condiciones tenían que
satisfacerse para permitir su utilización. Por estas razones, en este texto se proveen
los detalles de cada deducción. El efecto de re, se separó para cada desarrollo, de
manera que éste sea menos complejo. Posteriormente, fe ha demostrado este efecto;
asimismo, se han introducido las condiciones bajo las cuales re, se puede ignorar. En
la mayoría de los casos, las deducciones son únicas con respecto a cualquier
publicación de este tipo. Éstas han sido el resultado de largas horas de investigación
en busca del mejor camino para el análisis. Sin embargo, el resultado es un
desarrollo completo de cada ecuación que esperamos disipe cualquier duda sobre su
validez.
PROGRAMAS DE SIMULACIÓN
En ediciones recientes, se han incluido ejemplos tanto de PSpice como de
Electronics Work-bench. En esta edición se ha adicionado el Mathcad, con el fin de
demostrar la versatilidad de este paquete para un área como la electrónica. Éste no
sólo puede utilizarse para resolver de forma rápida ecuaciones simultáneas, sino
también una serie de cálculos que se pueden almacenar para acudir a ellos cuando se
encuentre una configuración particular. Numerosos ejemplos aparecen a lo largo de
este texto y nosotros creemos que tanto el estudiante como el instructor los
encontrarán muy interesantes. La cobertura detallada de PSpice se expandió
ligeramente, pero la de Electronics Workbench se extendió debido a su creciente
24
popularidad. Para todos los paquetes de simulación no existe el requerimiento de
que el alumno se vuelva especialista en su uso para proseguir a través del texto.
Aunque se proveen detalles suficientes para cada aplicación, de modo que se
permita al estudiante aplicar cada uno a una variedad de configuraciones, no hay la
necesidad de que los paquetes se utilicen:
EL LIBRO CONVERTIDORES DE FRECUENCIA PARA MOTORES DE
CORRIENTE ALTERNA DE JOSÉ MARÍA MERINO AZCARROGA (EDIT.
MC GRAW HILL).
LA UNIVERSALIDAD Y VERSATILIDAD DEL EMPLEO DEL MOTOR
ELÉCTRICO DE CORRIENTE ALTERNA HA SIDO CONSIDERADO CON
LOS CONTROLADORES ELECTRÓNICOS OBJETO DEL LIBRO.
El objeto de este libro. La electrónica de potencia, gracias al desarrollo de
excelentes semiconductores como el rectificador de sicilio controlado en sus
diversas variantes y los transistores bipolares de puerta aislada, ha conseguido
fabricar equipos muy eficientes para la generación de ondas de corriente alterna con
frecuencia y tensión controladas («convertidores de frecuencia») que, suministradas
al motor, tanto en su versión síncrona como en la asíncrona, hacen de él una
máquina casi tan versátil, para el control de par y de velocidad, como el motor
eléctrico de corriente continua. Este, consecuentemente, ha visto reducido
drásticamente su uso debido a su mayor precie y necesidad de mantenimiento
causados por las delgas y escobillas de su colector.
El mundo de estos convertidores de frecuencia, que acompañan en cada vez más
numerosas ocasiones a los motores eléctricos de corriente alterna, no es sencillo ni
25
reducido. La variedad de interruptores semiconductores, de topologías y de
estrategias de control posibles origina una amplia gama de realizaciones prácticas,
hoy día bastante consolidadas pero aun en fértil evolución. El libro del Dr. Merino
ofrece un amplio y detallado repaso a este mundo y tiene la virtud de conjugar
aspectos teóricos generales de control de velocidad de motores de corriente alterna
con aspectos prácticos constructivos, de explotación y comerciales del conjunto
motor-convertidor, estos últimos expuestos de forma ordenada y neutral. Su dilatada
experiencia en la industria y sus hábitos docentes le han permitido ésta feliz síntesis.
26
4. METODOLOGÍA
ESTRATEGIA
En nuestro estudio se ha considerado el control de dos conductores.
CONTROL DE DOS CONDUCTORES
En el diagrama de línea, se muestran a continuación dos conductores que conectan
los contactos de un dispositivo de control a la bobina de un contactor magnético; los
contactos pueden ser de un termostato, de un switch flotador o algún otro
dispositivo de contactos sostenidos.
FIGURA 4-1. CONTROL DE DOS CONDUCTORES
27
Cuando los contactos del dispositivo de control cierran, completan el circuito de la
bobina del contactor, haciendo que ésta se energize y conecte la carga a la línea a
través de los contactos de fuerza.
Cuando los contactos del dispositivo de control abren, la bobina del contactor es
desenergizada suspendiendo la carga. En el alambrado, se ilustra cómo el contactor
puede funcionar automáticamente, en respuesta a la condición del dispositivo de
control, sin la atención del operador.
Un circuito de control de dos conductores proporciona restauración de energía a
bajo voltaje, pero no protección, esto significa que en el evento de una pérdida de
potencia en el circuito de control, el contactor se desenergizarón, pero podrá hccerlo
si el dispositivo de control todavía está cerrado cuando el circuito ha restaurado la
potencia.
La protección de bajo voltaje no se proporciona en este circuito porque no hay
forma de que el operador sea protegido del circuito una vez que sea reenergizado.
El control de regulación que se considera es de C.C.
El control de regulación se considera para un solo motor.
28
5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Motores de c.c. con excitación independiente y derivación. Sistema de
regulación Ward-Leonard
Los esquemas de conexiones para el arranque y regulación de velocidad de estos
motores de ce. son similares entre sí y se muestran en la Figura 5-1. En el caso de
excitación independiente, los circuitos del inductor y del inducido se alimentan de
fuentes distintas, mientras que en el caso de motor derivación (shunt) las fuentes
coinciden. Es por ello que si la tensión de alimentación al inducido se supone
constante (V = Ve) no hay diferencia práctica en el comportamiento de estos dos
tipos de motores, y por ello en este epígrafe se van a estudiar ambas máquinas al
mismo tiempo.
a) Motor con excitación independiente b) Motor con excitación derivación
Figura 5-1. Motores con excitación independiente y derivación.
29
En principio la explicación se ciñe al motor derivación, pero cuando existan
diferencias con el motor con excitación independiente se tratará éste de modo
concreto. En cualquier caso, durante la puesta en marcha interesa que el flujo en el
entrehierro posea su valor máximo, de esta forma el motor podrá desarrollar el par
de arranque necesario con la corriente mínima posible en el inducido. Es por ello
que desde el primer instante de la puesta en marcha, el devanado de excitación debe
de estar conectado a la tensión de la red; además, el reóstato R3 conectado en serie
con el inductor deberá tener la mínima resistencia para que sea también máxima la
corriente de excitación o campo. Para deducir analíticamente las características n =
f(T) de estos motores se va a suponer inicialmente que trabajan en la zona lineal de k
curva de magnetización. De acuerdo con las expresiones, se tiene:
T = KT Ii ; V = E + RiIi ; E = KEn 5-1
de donde resulta:
5-2
que conduce a una expresión de la velocidad en función del par:
5-3
Estando funcionando el motor derivación con un par resistente determinado, al
aumentar éste se producirá un frenado en la máquina, disminuyendo la velocidad del
rotor; como consecuencia de ello la f.c.e.m. E = KEn del motor se reducirá, por lo
que según (6.58) aumentará la corriente absorbida por el inducido y el par de la
30
máquina T = KTIi se elevará igualándose con el nuevo par resistente ofrecido por
la carga. De acuerdo con la expresión (6.59), la curva par-velocidad n = f(T) del
motor derivación (y por extensión, del motor con excitación independiente) es una
línea recta, como así se muestra en la Figura 6.36a. La ecuación de esta recta para
los valores asignados de tensión aplicada, resistencia asignada del inductor y resis-
tencia asignada del inductor (sin resistencia adicional en el circuito de campo) se
denomina característica natural de la máquina.
La velocidad del motor en vacío (para 1=0) viene definida por el término
n0 = 1/KEV de la ecuación (5-1). Para altos pares de carga, aumenta la corriente del
rotor y por ello se reduce el flujo resultante a consecuencia de la reacción del
inducido; de ahí que en realidad la característica n =f(T) de estos motores se desvíe
ligeramente de la recta anterior. La caída de velocidad con el aumento del par en la
curva anterior es muy pequeña, lo que indica que los motores derivación presentan
una característica de carga dura o rígida y por ello se utilizan en aquellas
aplicaciones que requieran una velocidad casi constante: ventiladores, bombas
centrífugas, cintas transportadoras, máquinas herramientas, etc.
De acuerdo con la expresión 5-1. y como ya se ha indicado, la regulación de
velocidad de los motores derivación e independiente se consigue de las formas
siguientes: a) ajustando la tensión del inducido: b) variando la resistencia del
circuito del inducido (aunque este procedimiento es poco práctico por las pérdidas
que se producen, y de ahí su bajo rendimiento); c) cambiando la resistencias del
circuito de excitación, que regula a su vez el flujo del motor. Estudiemos a
continuación cada uno de estos métodos.
31
Figura 5-2. Características par-velocidad de un motor derivación o shunt.
a) Regulación de velocidad por cambio en la tensión aplicada al inducido
Este sistema de control solamente se puede aplicar al motor con excitación
independiente, ya que es el que tiene separados los circuitos de excitación y de
inducido. Al reducir la tensión de alimentación V, y de acuerdo con (6.58), la
corriente Ii disminuye, por lo que el par desarrollado por el motor se reduce y, al
hacerse inferior al par resistente, se produce una disminución de la velocidad de
la máquina. Al contrario, si aumenta la tensión aplicada, se produce una
elevación de la velocidad. En la Figura 5-2 se muestran las curvas (rectas) par-
velocidad que se obtienen cuando se regula la velocidad de un motor de c.c. con
32
excitación independiente empleando este procedimiento. Se observa que la
velocidad en vacío n0 = 1/KEV va cambiando con este método, ya que ésta es
proporcional a la tensión aplicada; sin embargo, no se modifican las pendientes
de las rectas respectivas (porque no se altera ni el valor del flujo ni la resistencia
en serie del inducido). Es decir, resultan una serie de rectas paralelas a la
característica natural de la máquina y que están por debajo de ésta, ya que la
tensión aplicada se va disminuyendo por debajo de la tensión asignada (que sería
la máxima prevista para no dañar los aislamientos de la máquina).
b) Regulación de velocidad por cambio en la resistencia en serie con el inducido
Al introducir una resistencia adicional en el circuito del inducido se produce un
aumente muy fuerte en la pendiente de la característica par-velocidad de la
máquina, lo que está justificado por la ecuación 5-2. Este sistema es válido tanto
para los motores con excitación derivación como para motores con excitación
independiente. En la Figura 6.36c se muestra la evolución de las rectas
correspondientes. Como ya se ha indicado, este procedimiento de control de
velocidad es bastante antieconómico, ya que al circular la elevada corriente de
inducido por esta resistencia adicional (reóstato) las pérdidas por efecto Joule
son muy elevadas, y es por ello que solamente se utiliza en motores de pequeña
potencia. Obsérvese en la Figura 5-2c todas las rectas que se obtienen (que se
denominan características artificiales o reostáticas) pasan por el punto
correspondiente a la velocidad de vacío de la máquina n0 (ya que esta velocidad
depende solamente de la tensión aplicada V y del flujo inductor ).
33
c) Regulación de velocidad por cambio en la resistencia en serie con el
inductor
Al introducir una resistencia adicional en el circuito del inductor se produce una
disminución en el flujo inductor de la máquina (tanto si el motor es con
excitación independiente o derivación), lo que se traduce en un aumento en la
velocidad del motor. Para comprender la sucesión de fenómenos que resultan,
téngase en cuenta que al introducir una resistencia adicional en el circuito
inductor con ayuda de la resistencia o reóstato variable Rs de la Figura 5-2c. Se
produce una disminución tanto de la corriente de excitación como del flujo
inductor. Como consecuencia de ello, se reduce la f.c.e.m. del motor, lo que
provoca un aumento de la corriente del inducido absorbida por la máquina. El
par del motor T = KTI aumenta, ya que la disminución de flujo está
compensada con creces por el aumento en la comente del inducido. Como
consecuencia del aumento del par motor se produce una elevación de la
velocidad de la máquina.
La explicación analítica de lo anterior se justifica con la ayuda de la ecuación
(5-3), que volvemos a repetir aquí:
5-4
Es evidente que al reducirse el flujo se produce un aumento de la velocidad en
vacío n0, que se deduce de la ecuación anterior:
34
5-5
y un aumento sustancial de la pendiente de las rectas correspondientes, que
vienen definidas por el valor del coeficiente que afecta al par en la ecuación
(6.60):
5-6
De este modo, si se desprecia la reacción de inducido de la máquina, al variar la
resistencia del inductor se obtienen un haz de rectas que están por encima de la
característica natural del motor, tal como se muestra en la Figura 5-2d. En
resumen:
a) En la regulación de velocidad por ajuste de la tensión aplicada al inducido
(caso de motores con excitación independiente), cuanto menores la tensión
aplicada, menor es la velocidad, y cuanto mayor es la tensión, más elevada
es la velocidad cinc alcanza el motor. Existe una velocidad máxima que
puede alcanzar la máquina con este procedimiento, y corresponde al valor
máximo de la tensión permitida (tensión asignada).
b) La regulación por variación de la resistencia del inducido solamente se
aplica a pequeñas máquinas en virtud de su bajo rendimiento. Cuanto
mayor es la resistencia que se añade al circuito del inducido, tanto menor
será la velocidad que adquiere la máquina. En definitiva, se produce una
mayor caída de tensión en el circuito serie añadido, por lo que llegará una
35
tensión menor al motor. Esto es, resulta una variante al caso anterior de
control por tensión en el inducido.
c) En la regulación por resistencia de excitación, cuanto mayor es la
resistencia de circuito menor es el flujo y mayor es la velocidad, y a la
inversa, cuanta mayor es el flujo menor es la velocidad. Existe una
velocidad mínima que puede adquirirse con este método y que se presenta
cuando circula por el circuito de campa la máxima corriente permitida por
los devanados.
Cuando un motor de ce. funciona con sus valores de tensión, comente de
excitación y potencia asignadas o nominales se dice que gira a la velocidad base
(asignada). La regulación por control de la tensión aplicada al inducido se
realiza para velocidades inferiores a la velocidad base, pero no para velocidades
superiores a ella, ya que requeriría una tensión mayor que la asignada, por lo que
podría dañarse el inducido. La regulación por control de la corriente de
excitación se emplea para velocidades superiores a la velocidad base.
Cuando se requiere un accionamiento eléctrico que tenga una regulación de
velocidad amplia (por ejemplo, del orden de 30 a 1), el motor más adecuado es
el de excitación independiente, en el que se controla tanto la tensión del inducido
como la corriente de excitación de un modo independiente. Si la tensión en los
bornes se puede regular suavemente desde cero hasta un valor máximo, es
posible obtener una gama extensa de velocidades sin necesidad de emplear
reóstatos de arranque, lo que hace que este sistema tenga un gran rendimiento.
Existen varios esquemas de regulación, pero el más conocido se denomina
sistema Ward-Leonard. Consiste en un motor asíncrono trifásico que lleva
36
acoplado mecánicamente un generador de ce. de excitación separada, cuyo ajuste
permite obtener diferentes tensiones de salida en escobillas. El generador
alimenta posteriormente el inducido de un motor de ce con excitación
independiente (Fig. 5-2). La tensión necesaria para la alimentación de los induc-
tores se obtiene de un pequeño generador en derivación (excitatriz) acoplado al
mismo eje mecánico del grupo motor de ca.-generador de ce La polaridad del
inductor del generador principal se puede invertir con objeto de proceder al
cambio del sentido de marcha del motor de ce
Durante la puesta en marcha se actúa sobre el reóstato del generador Ra para que la
tensión de salida del generador sea reducida y evitar así fuertes corrientes de
arranque. Para una determinada corriente Ii suministrada por el generador y
absorbida por el motor, la variación de velocidad desde cero a un límite inferior n1,
que es la velocidad base se efectúa a flujo constante en el valor correspondiente a
plena excitación (corriente de excitación asignada), aumentando progresivamente la
tensión del generador V hasta alcanzar la tensión asignada del motor. En estas
condiciones, el par desarrollado por el motor es:
T = KTIi = C1 (constante) 5-7
Si se desprecia la caída de tensión en el circuito del inducido, la velocidad del motor
viene expresada por:
5-5
37
donde C2 es una constante. La potencia desarrollada por el motor en estas
condiciones será:
5-5
en la que A representa una constante. De este modo, en esta fase, el par se mantiene
constante y la potencia va aumentando linealmente con la velocidad, que a su vez va
elevándose conforme aumenta la tensión aplicada V. Este modo de funcionamiento
está representado por la parte izquierda de las curvas par, potencia mostradas en la
Figura 5-4.
38
Figura 5-3. Sistema de regulación de velocidad Ward – Leonard.
39
Figura 5-4. Regulación de velocidad a potencia constante y a par constante
A partir de la velocidad base ni, el control de la misma se lleva a cabo manteniendo
constante la tensión aplicada (que en la etapa anterior había alcanzado el valor
asignado) \ reduciendo el flujo del motor, y de este modo se cumple:
5-10
lo que indica que en esta segunda etapa la potencia se mantiene constante y que al
mismo tiempo, siendo constante el producto del flujo por la velocidad (ecuación de
una hipérbola), el par se irá reduciendo de un modo hiperbólico a medida que
aumenta la velocidad. Esta situación está representada en la parte derecha de la
Figura 5-4, donde la velocidad del motor va aumentando hasta llegar a su valor
máximo, definido por n2.
40
6. CONCLUSIONES
El sistema de control que hemos hecho referencia es el que se emplea
ampliamente en la industria: para el ………….. de los trenes de laminación
(fábricas siderúrgicas); en los sensores de velocidad media y elevada en grandes
edificios; para accionar máquinas de arrastre de papel grúas, etc.
Hoy en día existen grupos estáticos a base de convertidores electrónicos que
suministran una tensión variable para alimentar tanto el inductor como el
inducido del motor eliminando el sistema rotativo del motor de c.a. dínamo, lo
que mejora el rendimiento del grupo y reduce el nivel del ruido.
En la regulación de velocidad por ajuste de tensión aplicada al inducido (caso
de motores con excitación independiente), cuanto menor es la tensión aplicada,
menor es la velocidad y cuanto mayor es la tensión más elevada es la velocidad
que alcanza el rotor. Existe una velocidad máxima que puede alcanzar la
máquina con este procedimiento y corresponde al valor máximo de la tensión
permitida (tensión asignada).
La regulación por variación de la resistencia del inducido solamente se aplica a
pequeñas máquinas en virtud de su bajo rendimiento. Cuanto mayor es la
resistencia que se añade al circuito del inducido tanto menor será la velocidad
que adquiere la máquina.
En definitiva se produce una mayo r caída de tensión en el circuito serial
añadido por lo que llegará una tensión menor al motor. Esto es, resulta una
variante al caso anterior de control por tensión en el inducido.
41
En la regulación por resistencia de excitación cuanto mayor es la resistencia de
este circuito menor es el flujo y mayor es la velocidad y a la inversa, cuanto
mayor es el flujo menor es la velocidad. Existe una velocidad mínima que
puede adquirirse y que se presenta cuando circula por el circuito de campo la
máxima corriente permitida en los devanados.
42
BIBLIOGRAFÍA
MERINO AZCÁRRAGA, J.M.. Arranque industrial de motores asíncronos.
McGraw-Hill.
MERINO AZCÁRRAGA, J.M.. Convertidores de frecuencia para motores de
corriente alterna: funcionamiento y aplicaciones. McGraw-Hill
LOBOSCO, O.S.; DÍAS, J.L. Selección y aplicación de motores eléctricos.
Marcombo.
CORTÉS, M. Curso moderno de máquinas eléctricas rotativas (5 vol.).
SERRANO IRIBARNEGARAY, L. Fundamentos de máquinas eléctricas
rotativas. Marcombo.
ENCICLOPEDIA CEAC ELECTRICIDAD. Maniobra, mando y control
eléctricos.
ROLDAN VILORIA, J. Motores eléctricos. Accionamiento de máquinas.
Paraninfo.
ROLDAN VILORIA, J. Motores eléctricos. Automatismos de control.
Paraninfo.
ROLDAN VILORIA, J. Motores eléctricos. Variación de velocidad. Paraninfo.
RUIZ VASALLO, F. Manual de regulación de velocidad de motores de c.c.
Documentación técnica de fabricantes.
43
ANDRÉS PUENTE, E. y MARTÍNEZ, P.; Electrónica. Unidad Didáctica 6:
Conversión de energía. Tema I: Rectificadores monofásicos. Tema II.
Rectificación polifásica. Universidad Nacional de Educación a Distancia,
Madrid, 1981.
ANDRÉS PUENTE, E., Regulación automática I y II, Universidad Politécnica
de Madrid, ETSII.
CORTES, M.;' ENSEÑAT, A.; Teoría general de maquinas eléctricas, UNED.
FELICE, E., Perturbaciones armónicas. Efectos, orígenes, medidas, diagnóstico,
soluciones, Paraninfo.
FRAILE MORA, J.; Curso de Electrotecnia. Capítulo 5. Introducción a la teoría
de Circuitos Eléctricos, Universidad Politécnica de Madrid, 1980.
FRAILE MORA, J.; Máquinas eléctricas, McGraw-Hill, Madrid, 2003. .
HERRANZ ACERO, G. ; Electrónica Industrial I:-Componentes y circuitos de
potencia. 2. Componentes de la electrónica de potencia. E.T.S. Ingenieros de
Telecomunicaciones, Madrid, 1993.
HERRANZ ACERO, G.; Electrónica Industrial II: Sistemas de Potencia. 5.
Rectificadores e inversores no autónomos. E.T.S. Ingenieros de
Telecomunicaciones, Madrid, 1993.
GILBERTO ENRIQUEZ HARPER. Curso de Transformadores y Motores de
inducción. Edit. Limusa. 2001.
44
