INTRODUCCIÓN A LOS ACCIONAMIENTOS ELECTRICOS

• Definiciones y objetivos

• Descripción general de un accionamiento

• Aplicaciones con accionamientos eléctricos

• Tipos de motores eléctricos

• Dinámica de la carga arrastrada

• Tipos de cargas

• Tipos de accionamiento, campos de aplicación

• Parámetros de control

TEMA 1. ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS

Control de Máquinas Eléctricas 1

• Accionamiento eléctrico: “Sistema formado para convertir la potencia eléctrica de la red, en potencia mecánica”

• Accionamiento mínimo

• Objetivos:– Proceso

– Respuesta dinámica

– Calidad, confort

– Ahorro energético

DEFINICIONES Y OBJETIVOS

Figura 1: Estructura de un accionamiento

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APLICACIONES CON ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS

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CA/CC CC/CA

GS

excitación

• Motores de continua– Exc. Independiente

– Exc. Serie

• Motores AC de inducción– Rotor de jaula

– Rotor devanado

• Motores AC síncrono– Rotor devanado

– Rotor imanes permanentes

TIPOS DE MOTORES ELÉCTRICOS

Figura 2: Motores de continua

Figura 3: Motores de alterna

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• Motor de continua– Exc. Independiente

– Exc. Serie

– Comportamiento natural

MOTORES DE CONTINUA (I)

Figura 4: Modelo de la máquina DC y ecuaciones

Figura 6: Comportamiento natural de los motores serie y derivación.

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Control de Máquinas Eléctricas 5

=−−

Φ=Φ=

≈Φ

+=

++=

dt

dJTTT

ikT

kE

ikdt

diLiRv

dt

diLiREv

rozresmot

Ai

A

Fm

FFFFF

AAAAAA

ω

ω

Figura 5: Conexiones serie y derivación.

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MOTORES DE CONTINUA (II)

Figura 7: Métodos de regulación de velocidad del motor DC con excitación independiente

• Estrategias de control– Velocidad constante

– Potencia constante

– Control de par

• Ventajas/inconvenientes DC ↔ AC– Facilidad de control

– Modelo matemático sencillo

– Colector de delgas

– Alimentación DC

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Control de Máquinas Eléctricas 7

MOTORES DE CONTINUA (III)

am IkT Φ=

• Modos de funcionamiento– Sistema mecánico

– Sistema eléctrico

Figura 8: Sistema mecánico. Funcionamiento en los cuatro cuadrantes

Figura 9: Modos de funcionamiento eléctrico: Motor, generador, “freno”

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Control de Máquinas Eléctricas 8

MODOS DE FUNCIONAMIENTO (I)

• Métodos de frenado– Regenerativo

• Regulación por V, Φ, Tap, limitación IA.

– Reostático• Transitorio, rendimiento, disponibilidad

– A contracorriente• Inversión de giro, transitorio, rendimiento Figura 10: Frenado regenerativo

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MODOS DE FUNCIONAMIENTO (II)

ωextAextA

AA RR

k

RR

EI

+Φ−=

+−=

A

A

A

AAA R

kV

R

EVI

ωΦ−=−=

extA

AAA RR

EVI

++−= )(

Figura 11: Frenado reostáticoFigura 12: Frenado a contracorriente

MOTORES AC DE INDUCCIÓN

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Control de Máquinas Eléctricas 10

• Regulación de velocidad

– Velocidad de sincronismo• Polaridad

• Frecuencia

– Deslizamiento• Variación R rotor

• Variación V

• Control directo de par?

)1()1( sP

fsS −=−= ωω

{ [ ][ ] }rbrarcrcscrarbrbscrbraras

rbrarcsarcrbscrbrasmsi

seniiiiiiiiiiii

iiiiiiiiiLP

T

θθ

)'''()'''()'''(

cos)''()'()''(2

21

21

21

21

21

21

23

−−+−−+−−+

−+−′+−=

• Motor síncrono– Circuito equivalente

– Característica mecánica

– Regulación de velocidad

MOTORES AC SÍNCRONOS

Figura 14: Circuito equivalente por fase y característica mecánica

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δπ

δπω

ωδω

senf

V

L

ksen

Lf

kVsen

X

EVT A

SSS

SA

SS

AAi 2

3

2

33 Φ=Φ==

Figura 15: Regulación de velocidad por frecuencia de la tensión de alimentación

• Necesidades de la carga– selección motor + convertidor

• Dinámica del movimiento rotativo

DINAMICA DE LA CARGA ARRASTRADA (I)

( ) dt

dJJ

dt

dTT rm

ωω ≈⋅=−

( )ω

ωϕω⋅=

≈=

meje

r

TP

ftfT )(,,

22

2

1

;

RMdmrJ

dt

d

dt

d

vol

⋅≈⋅=

==

∫

ωαϕω

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DINAMICA DE LA CARGA ARRASTRADA (II)

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( ) ( )dt

dJTTTT racelrm

**)( :necesariomotor Par

ωωωω +=+≥

• Respuesta dinámica:

TIPOS DE CARGAS SEGÚN EL PAR RESISTENTE

Figura 16: Cargas de par constante y par lineal

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Figura 17: Cargas de par cuadrático y de potencia constante

• Características Tr y J

• Condiciones del proceso

• Inercias adicionales

• Transmisiones mecánicas

TIPOS DE CARGAS SEGÚN LA APLICACIÓN

Figura 18: Tipos de carga usuales

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• Modelo del elevador

• Reductores mecánicos

MÁQUINAS DE ELEVACIÓN (I)

acelpesomotor

TAREextRETA

REadmot

acel

TARETAcablepeso

TAcpcapeext

cpcapecable

TTT

dt

d

JJ

JJJT

rFT

rmmmJ

gmmmF

+=

+

+++=

⋅⋅=

++=

−+=

*

212

212

12

2

//)/(/)/(

/)/(

))((

)(

ωηηωωηωω

ηηωω

Figura 19: Modelo ascensor

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2

1

2

2

1

1

2

2

1 ;

==

ωω

ωω

J

J

T

T

MÁQUINAS DE ELEVACIÓN (II)

Figura 21: Evoluciones de potencia y velocidad

• Cuadros de marcha– Control de la aceleración

– Seguridad, confort

– Rapidez

• Aplicaciones– Ascensores

– Grúas

– Escaleras mecánicas

– Extractores minería

• Ahorro energético

TEMA 1. ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS

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Figura 20: Cuadro de marcha

Figura 22: Circuito hidráulico cerrado

• Circuitos hidráulicos

ACCIONAMIENTO DE BOMBAS (I)

Figura 24: Circuito hidráulico abierto

Figura 23: Características H-Q circuito abierto

Figura 25: Características H-Q circuito abierto

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Hgp ⋅⋅= ρ

ACCIONAMIENTO DE BOMBAS (II)

• Bomba centrífuga

• Rendimiento y Potencia en el eje

– H,Peje, η = f (Q)

Peje = ρ · g · Q · H / η(w) (Kg/m3) (m/s2) (m3/s) (m.c.a)

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Control de Máquinas Eléctricas 19

Figura 26: Características bomba centrífuga

Figura 27: Punto de funcionamiento

ACCIONAMIENTO DE BOMBAS (III)

Figura 29: Regulación por velocidad de giro

• Accionamiento con motor eléctrico– P = k·ω3 ⇒ Tr = k· ω2

– J pequeña: arranque suave

– Tr muy regular

– ω alta (sin reductora)

– Servicio estacionario

– Ambiente húmedo

• Variación de ω– Relaciones de semejanza

QB = QA (ωB/ ωA)

HB = HA (ωB/ ωA)2

PB = PA (ωB/ ωA)3

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Figura 28: Característica mecánica

• Regulación de caudal– Estrangulamiento

– Variación de ω• Ahorro energético

• Golpe de ariete

• Frenado regenerativo

• Costes mantenimiento

• Ahorro energético– P1 = ρ · g · Q · H1 / µ1

– P2 = ρ · g · Q · H2 / µ2· µinv

– Pahorro = P1 - P2

– Ahorro = Pahorro· t · precio

ACCIONAMIENTO DE BOMBAS (IV)

Figura 30: Regulación por estrangulamiento

Figura 31: Ahorro según caudal

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• Presión estática y dinámica

pTOTAL = p +ρ · v2/2

• Potencia

P = Q ·∆pTOTAL

• Variación de ω• Punto de funcionamiento• Accionamiento con motor eléctrico

– Inercia– Temperatura

• Regulación de caudal– Estrangulamiento admisión– Variación de velocidad

ACCIONAMIENTO DE VENTILADORES

Figura 32: Curvas características ventilador centrífugo

Figura 33: Ahorro energético

TEMA 1. ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS

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• Alimentación– Externa

– Batería

– Motor + generador

• Cuadros de marcha

• Expresar en el eje del motor:– Fuerza de tracción

– Fricción viscosa y fluida

– Peso en pendientes

– Aceleraciones, inercias

• Rendimiento y ahorro energético

VEHICULOS ELÉCTRICOS

Figura 34: Tracción y fuerza motriz

Figura 35: Sistemas de tracción

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NAVÍOS

COORDINACIÓN DE ACCIONAMIENTOS

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• Factores– Cuadros de marcha

– Campo de regulación de ω– Máquina accionada ( Tr , J )

– Respuesta a cambios de consigna

– Precisión de la regulación

– Espacio de instalación

– Reactiva y armónicos

– Frenado recuperativo

– Rendimiento global

– Inversión y amortización

APLICACIONES INDUSTRIALES

Figura 36: Aplicaciones de los accionamientos

TEMA 1. ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS

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TIPOS DE ACCIONAMIENTO. CAMPOS DE APLICACIÓN

Figura 38: Rangos de aplicaciónFigura 37: Tipos de accionamiento AC

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Figura 39: Lazos de control

• Convertidor

• Medidas

• Control

• Lazos de regulación

• Factores de mérito

PARÁMETROS DE CONTROL

Figura 40: Interrelación entre los componentes

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• Regulación DC con resistencias

• 1896: Grupo Ward-Leonard

• 1897: Velocidad regulable en escalones (Dahlander, ...)

• 1910: Motor de colector (16 2/3 Hz)

• 1928: Rectificadores de mercurio

• 1958: SCR (Tiristores)

• 1960: Regulación electrónica de V para motores de jaula

• 1980: GTO, IGBT, regulación rápida

• 1995: Aplicaciones de serie con control directo de par

EVOLUCIÓN HISTÓRICA

Figura 41: Grupo Ward-Leonard

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