Propulsores de motores de induccin.

UNIVERSIDAD CATLICA NTRA. SEORA DE LA ASUNCINSEDE REGIONAL ALTO PARAN

ELECTRNICA DE POTENCIA

TEMAPROPULSORES DE MOTORES DE INDUCCIN

INTEGRANTESMARCELO PEACARLOS CORONELLUIS GIMNEZJORGE GODOYADRIEL LAMAS

CURSO5

PROFESORING. RUBN MERELES

HERNANDARIAS

AO2014

INTRODUCCIN

Los motores de ca tienen estructuras muy acopladas, no lineales y de mltiples variables en comparacin con las estructuras desacopladas, mucho ms simples, de los motores de cd con excitacin separada. El control de los propulsores de ca requiere, en general, algoritmos complejos de control que pueden hacerse con microprocesadores o microcomputadoras, junto con convertidores de potencia de accin rpida.Los motores de ca tienen varias ventajas: son ligeros (de 20 a40% ms ligeros que los motores de cd equivalentes), son poco costosos y tienen poco mantenimiento, en comparacin con los motores de cd. Se requiere controlar en ellos la frecuencia, el voltaje y la corriente, para aplicaciones con velocidad variable. Los convertidores de potencia, los inversores y los controladores de voltaje de ca pueden controlar la frecuencia, el voltaje o la corriente para llenar los requisitos de propulsin. Esos convertidores de potencia, que son relativamente complejos y ms costosos, requieren tcnicas avanzadas de control por retroalimentacin, como por ejemplo referencia a modelo, control adaptativo, control en modo deslizante y control orientado a campo.

PROPULSORES DE CA

Los motores trifsicos de induccin son los que se usan con frecuencia con propulsores de velocidad ajustable y tienen devanados trifsicos en rotor y estator. Los devanados del estator se alimentan con voltajes trifsicos balanceados de ca, que producen voltajes inducidos en los devanados del rotor, debido a la accin de transformador. Es posible arreglar la distribucin de los devanados del estator de modo que haya un efecto de polos mltiples, que produzca varios ciclos de fuerza (o campo) magnetomotriz (mmf) en torno al entrehierro. Este campo establece una densidad sinusoidal de flujo distribuida en el espacio, en el entrehierro, La velocidad de rotacin del campo se llama velocidad sncrona, que se define como sigue:

donde p es el nmero de polos y es la frecuencia de la alimentacin en rad/s.Si el voltaje de fase de un estator, vs = 2Vssen t, produce un enlace de flujo (en el rotor) segn:

El voltaje inducido por fase en el bobinado del rotor es

CIRCUITO EQUIVALENTE

El circuito equivalente para una fase del rotor y estator se observa en la siguiente figura.

El modelo de circuito por fase de los motores de induccin se muestra en la figura b donde Rs, y Xs son la resistencia por fase y la reactancia de fuga del bobinado del estator. El modelo de circuito completo, con todos los parmetros referidos al estator, aparece en la figura c, donde Rm representa la resistencia por prdidas de excitacin (o de ncleo) y Xm es la reactancia de magnetizacin. Cuando se conecta la alimentacin, hay una prdida en el ncleo del estator, y la prdida en el ncleo del rotor depende del deslizamiento. Las prdidas por friccin y por deslizamiento, P sin carga, suceden cuando la mquina gira. La prdida en el ncleo, Pc, puede quedar incluida como parte de las prdidas rotacionales, P sin carga.

CARACTERSTICAS DE RENDIMIENTO

La corriente del rotor, Ir, y la corriente del estator, Is, pueden determinarse a partir del modelo de circuito de la figura c, donde R, y X, estn referidos a los bobinados del estator. Una vez conocidos los valores de Ir y de Is, los parmetros de rendimiento de un motor trifsico pueden determinarse como sigue:Prdida en el cobre del estator:Prdida en el cobre del rotor:Prdida en el ncleo:

Potencia en el entrehierro (potencia que pasa del estator al rotor a travs del entrehierro)

Potencia desarrollada

Par motor desarrollado

Potencia de entrada

dnde m es el ngulo entre ls, y Vs. La potencia de salida

La eficiencia es

Si Pg>>(Pc+Psu) y Pd>>P sin cargar la eficiencia es aproximadamente.

Normalmente Xm es grande y a fin de simplificar los clculos, Rm que es mucho ms grande puede eliminarse del circuito. Luego Vs=Vm y a fin de simplificar an ms, Xm puede pasarse al bobinado estatrico.

Si el motor est alimentado a partir de un voltaje fijo a una frecuencia constante, el par motor desarrollado es una funcin del deslizamiento.La operacin como motor en reversa y en frenado regenerativo se puede obtener mediante la inversin de la secuencia de fases de las terminales del motor. Las caractersticas de velocidad-par motor inversas se muestran mediante lneas punteadas. Existen tres regiones de operacin: (1) al funcionar como motor,1; (2) regeneracin, s < 0; y (3) operacin en sentido contrario, 2En el uso como motor, el motor gira en la misma direccin que el campo; conforme el deslizamiento aumenta, se incrementa el par motor, en tanto que el flujo en el entrehierro se mantiene constante. Una vez que el par motor alcanza su valor mximo, Tm en s = sm, el par motor se reduce con el aumento del deslizamiento, debido a una reduccin del flujo en el entrehierro.

En regeneracin, la velocidad m es mayor que la velocidad sncrona s, con m y s en la misma direccin, y el deslizamiento es negativo. Por lo tanto, Rr/s es negativo. Esto significa que la potencia es devuelta de la flecha al circuito del rotor y el circuito opera como generador. El motor devuelve la potencia al sistema de alimentacin. La caracterstica de par motor-velocidad es similar a la del uso como motor, pero con un valor negativo para el par motor.En la operacin en sentido inverso, la velocidad tiene el sentido opuesto a la direccin del campo, y el deslizamiento es mayor que la unidad. Esto puede ocurrir si se invierte la secuencia de la fuente de alimentacin cuando el motor se utiliza en sentido hacia adelante, de tal suerte que tambin se invierte la direccin del campo. El par motor desarrollado, que tiene la misma direccin que el campo, se opone al movimiento y acta como par motor de frenado. Dado que s > 1, las corrientes dentro del motor son altas, pero el par motor desarrollado es pequeo. La energa debida a un freno de operacin invertida debe disiparse dentro del motor, lo que provoca un calentamiento excesivo del mismo. Este tipo de frenado no es recomendable.

Puede notarse que si el motor opera con un deslizamiento pequeo, el par motor desarrollado resulta proporcional al deslizamiento y la velocidad se reduce con el par motor. La corriente del rotor, que a la velocidad sncrona es cero, aumenta debido a una reduccin en Rr l s conforme se reduce la velocidad. El par motor desarrollado tambin aumenta hasta que llega a su valor mximo en s = sm. Para s < sm, el motor opera en forma estable en la porcin de las caractersticas de velocidad-par motor. Si la resistencia del rotor es baja, sm tambin es bajo. Esto es, el cambio en la velocidad del motor desde que no hay carga hasta el par motor especificado es slo un porcentaje pequeo. El motor opera esencialmente a velocidad constante. Cuando el par motor de la carga excede el par motor de ruptura, el motor se detiene y la proteccin de sobrecarga debe desconectar de inmediato la fuente, a fin de impedir un dao debido al sobrecalentamiento. Debe hacerse notar que para s > sm, el par motor se reduce, a pesar del incremento en la corriente de rotor, y en la mayor parte de los motores la operacin sigue inestable. La velocidad y el par motor de los motores de induccin puede variarse mediante uno de los siguientes procedimientos:1. Control de voltaje de estator.2. Control de voltaje de rotor.3. Control de frecuencia.4. Control de voltaje y frecuencia de estator.5. Control de corriente de estator.6. Control de voltaje, corriente y frecuencia.A fin de cumplir con el ciclo de trabajo par motor-velocidad de un propulsor, es comn utilizar el control de voltaje, corriente y frecuencia.

CONTROL DEL VOLTAJE DEL ESTATOR

La ecuacin indica que el par motor es proporcional al cuadrado del voltaje de alimentacin del estator y una reduccin en el voltaje del estator producir una reduccin en la velocidad.Si el voltaje terminal se reduce a bVs, la ecuacin da el par motor desarrollado donde

La figura muestra las caractersticas tpicas par motor-velocidad para varios valores de b. Los puntos de interseccin con la lnea de carga definen los puntos de operacin estable. En cualquier circuito magntico, el voltaje inducido es proporcional al flujo y a la frecuencia, y el flujo rms del entrehierro se puede expresar como

donde Km es una constante y depende del nmero de vueltas del bobinado del estator. Conforme el voltaje del estator se reduce, el flujo en el entrehierro y el par motor se reducen tambin. Para un voltaje menor, la corriente tendr un pico en un deslizamiento de Sa =1/3. El rango del control de velocidad depende del deslizamiento correspondiente al par motor mximo, Sm. Para un motor de bajo deslizamiento, el rango de velocidades es muy angosto.

Este tipo de control de voltaje no es adecuado para una carga de par motor constante y por lo general se usa en aplicaciones que requieren de un par motor de arranque bajo y un rango pequeo de velocidades, con un deslizamiento relativamente bajo.El voltaje del estator puede modificarse mediante (1) controladores trifsicos de voltaje en ca, (2) inversores de enlace variables en cd alimentados por voltaje o (3) inversores PWM. Sin embargo, debido a los requisitos limitados del rango de velocidades, por lo general para obtener el control del voltaje se utilizan los controladores de voltaje en ca. Estos son muy sencillos. Sin embargo, el contenido armnico es alto y el factor de potencia de entrada de los controladores es bajo. Se utilizan principalmente en aplicaciones de baja potencia, como ventiladores, sopladores y bombas centrfugas, en las que el par motor de arranque es bajo. Tambin se utilizan en el arranque de motores de induccin de alta potencia, a fin de limitar la corriente de arranque.

CONTROL POR FRECUENCIA

El par motor y la velocidad de los motores de induccin pueden controlarse modificando la frecuencia de alimentacin. Podemos notar que al voltaje y la frecuencia especificados, el flujo es tambin el valor especificado. Si el voltaje se mantiene fijo en su valor especificado, en tanto se reduce la frecuencia por abajo de su valor, el flujo aumenta. Esto causa saturacin del flujo en el entrehierro, y los parmetros del motor no son vlidos en la determinacin de las caractersticas par motor-velocidad. A baja frecuencia, las reactancias se reducen y la corriente del motor puede resultar demasiado alta. Este tipo de control de frecuencia normalmente no se utiliza.Si la frecuencia se incrementa por arriba de su valor especificado, el flujo y el par motor se reducen. Si la velocidad sncrona, correspondiente a la frecuencia especificada se conoce como velocidad base b, la velocidad sncrona a cualquier otra frecuencia se convierte en

Y

La expresin para el par motor se convierte en

Las caractersticas tpicas par motor-velocidad se muestran en la figura, para diversos valores de . Si R, es despreciable, la ecuacin que da el par motor mximo a la velocidad base es

Por lo tanto, de las ecuaciones, se puede llegar a la conclusin de que el par motor mximo es inversamente proporcional al cuadrado de la frecuencia, y Tm2 se mantiene constante en forma similar al comportamiento de los motores serie de cd. En este tipo de control, se dice que el motor opera en modo de debilitamiento de campo. Para > 1, el motor opera a un voltaje terminal constante y el flujo se reduce, limitando por lo tanto la capacidad de par del motor.Para 1 < < 1.5, la relacin entre Tm y se puede considerar prcticamente lineal. Para < 1, el motor opera normalmente a un flujo constante; el voltaje terminal Va se reduce junto con la frecuencia, de tal forma que el flujo se conserve constante.

CONTROL DE VOLTAJE Y DE FRECUENCIA

Si se mantiene constante la relacin entre voltaje frecuencia, el flujo en la ecuacin se conserva constante. La ecuacin indica que el par motor mximo, que es independiente de la frecuencia, se puede mantener aproximadamente constante. Sin embargo, a una baja frecuencia, el flujo se reduce en el entrehierro, debido a la reduccin de la impedancia del estator, y el voltaje debe incrementarse para mantener el nivel del par motor. Este tipo de control normalmente se conoce como control volts/hertz.Si s = b, y la relacin entre voltaje y frecuencia es constante, de forma que

La relacin d, que se calcula a partir del voltaje terminal especificado Vs y la velocidad base b, est dado por

El deslizamiento para el par motor mximo es

Las caractersticas tpicas par motor-velocidad se muestran en la figura.

Conforme la frecuencia se reduce, disminuye y el deslizamiento correspondiente al par motor mximo aumenta. Para una demanda dada de par motor, la velocidad se puede controlar si se vara la frecuencia. Por lo tanto, al variar tanto el voltaje como la frecuencia, es posible controlar el par motor y la velocidad. Normalmente el par motor se mantiene constante, en tanto se vara la velocidad. El voltaje a frecuencia variable se puede obtener mediante inversores trifsicos, es decir, ciclo convertidores. Los ciclo convertidores se utilizan en aplicaciones de potencias muy grandes (por ejemplo, locomotoras y molinos de cemento) en las que el requisito de frecuencia es la mitad o una tercera parte de la frecuencia de lnea.En la figura de abajo se muestran tres disposiciones posibles de un circuito para la obtencin de voltajes y frecuencias variables. En la figura a, el voltaje en cd se conserva constante, se aplican tcnicas PWM para variar tanto el voltaje como la frecuencia dentro del inversor. En razn de la existencia del rectificador de diodos, la regeneracin no es posible y el inversor generar armnicas de regreso a la alimentacin en ca. En la figura b, el pulsador vara el voltaje en cd al inversor y este controla la frecuencia. Debido al pulsador, la inyeccin de armnicas a la alimentacin en ca es reducida. En la figura c, se vara el voltaje en cd mediante el convertidor dual, y dentro del inversor la frecuencia es controlada. Este arreglo permite la regeneracin; sin embargo, el factor de potencia de entrada al convertidor es bajo, especialmente a un ngulo grande de retraso

CONTROL POR CORRIENTE.El par de los motores de induccin se puede controlar variando la corriente en el rotor. La corriente de entrada, que es fcilmente accesible, se varia, en lugar de la corriente en el rotor. Para una corriente de entrada fija, la corriente en el rotor depende de los valores relativos de las impedancias magnetizantes y del circuito del rotor. De acuerdo con la fig 15.2, la corriente en el rotor se determina como sigue:

El par motor desarrollado es

Y el par de arranque con s=1 es

El deslizamiento para par mximo es

En un caso real, la corriente en el estator, que pasa por Rs y Xs, es constante y vale Ii. En general Xm es mucho mayor que Rs y Xs que pueden despreciarse para la mayor parte de las aplicaciones quedando.

Y x=sm, la ecuacin define al par mximo,

Se puede observar en la ecuacin que el par mximo depende del cuadrado de la corriente y es aproximadamente independiente de la frecuencia. Las curvas caractersticas par-velocidad se ve en la fig 15.12 para valores crecientes de la corriente en el estator. Como Xm es grande en comparacin con Xs y Xr, el par de arranque es bajo. A medida que aumenta la velocidad, el voltaje del estator aumenta y el par aumenta. La corriente de arranque es bajo, por los valores bajos del flujo (porque Im es bajo y Xm es grande), as como la corriente en el rotor, en comparacin con sus valores especificados. El par aumenta con la velocidad debido al aumento en el flujo. Un aumento ms de la velocidad hacia la pendiente positiva de las curvas caractersticas hace aumentar el voltaje entre terminales ms all de su valor especificado. El flujo y la corriente magnetizante aumentan tambin y con ello se satura el flujo. El par se puede controlar mediante la corriente del estator y el deslizamiento. Para mantener constante el flujo por el entrehierro y para evitar la saturacin por el alto voltaje, el motor se suele operar en la pendiente negativa de las curvas caractersticas de par equivalente-velocidad, mediante control de voltaje. La pendiente negativa est en la regin inestable y el motor debe operarse con control por lazo cerrado. Con un deslizamiento bajo, el voltaje entre terminales podra ser excesivo y el flujo se saturara. Debido a saturacin, el mximo par es menor que el de la fig 15.12.La corriente constante se puede suministrar con inversores trifsicos con fuente de corriente. El inversor alimentado con corriente tiene las ventajas del control de corriente de falla y que la corriente es menos sensible a la variacin de parmetros del motor.

Sin embargo, generan armnicos y pulsacin de par. En la fig 15.13 se muestran dos disposiciones distintas de propulsores de con inversor alimentado por corriente. En la fig 15.13a, el inductor acta como fuente de corriente y el rectificador controla la fuente de corriente. El FP de este arreglo es muy bajo. En la fig 15.13b, el convertidor cd-cd controla la fuente de corriente y el FP de entrada es mayor.

CONTROL POR VOLTAJE, CORRIENTE Y FRECUENCIA.Las caractersticas de par-velocidad de los motores de induccin dependen del tipo de control. Podra ser necesario variar el voltaje, la frecuencia y la corriente para satisfacer los requisitos de par-velocidad, como se ve en la fig 15.14, donde hay tres regiones.

En la primera se puede variar la velocidad mediante control por voltaje (o corriente) a par constante. En la segunda regin el motor se opera a corriente constante y se vara el deslizamiento. En la tercera regin la velocidad se controla por la frecuencia a una corriente reducida en el estator.Las variaciones de par y potencia para determinada corriente en estator y frecuencias inferiores a la nominal se indican con puntos en la fig 15.15. Para 1, el motor funciona con flujo constante. Para 1, el motor se opera por control de frecuencia, pero a voltaje constante. En consecuencia, el flujo disminuye en relacin inversa a la frecuencia por unidad, y el motor funciona en el modo de debilitamiento de campo.

Conclusin.Se puede variar la velocidad y el par de los motores de induccin mediante:-Control por voltaje del estator.-Control por voltaje del rotor.-Control por frecuencia.-Control por voltaje y frecuencia en el estator.-Control por corriente en el estator.-Control por voltaje, corriente y frecuencia en el estator.Para cumplir con el ciclo de trabajo par-velocidad de un propulsor en el caso normal se controlan el voltaje. La corriente y la frecuencia, en forma tal que el flujo o la relacin V entre f, permanecen constante.