Informearrancadorsuave.docx

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UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS mmARMADAS ESPE EXTENSIÓN LATACUNGA ASIGNATURA: CONTROL ELECTRÓNICO DE POTENCIA CARRERA: ELECTRONICA E INSTRUMENTACION INTEGRANTES:  JONATHAN ROMERO  ESTEBAN ORTEGA  HUGO TENEDA  ADRIANA TIGSELEMA FECHA: 07-12-2017

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DEPARTAMENTO:

Eléctrica y Electrónica

CARRERA: Electrónica e Instrumentación

ASIGNATURA:

Control Electrónico de Potencia

PERíODO LECTIVO:

Octubre 2017Febrero 2018

NIVEL:

DOCENTE:

Ing. Franklin Silva

NRC:

1757

PRÁCTICA N°:

LABORATORIO DONDE SE DESARROLLARÁ LA PRÁCTICA TEMA DE LA Arrancador Suave PRÁCTICA: INTRODUCCIÓN: A. RESUMEN

7mo 2

Laboratorio de Circuitos Eléctricos

En el presente trabajo se realizara el estudio e implementación de un arrancador suave mediante un circuito conversor AC/AC de fase directa con, el cual se basa principalmente en manipular el Angulo de disparo de los SCR’s, de esa manera variar la potencia entregada al motor, dicho circuito tendrá un Angulo de disparo inicial de 180 y se irá disminuyendo hasta llegar a los 0 grados en un tiempo determinado. El circuito tendrá dos etapas una de control y otra de potencia, en la etapa de control con la ayuda de un microcontrolador y del cruce por cero dispararemos a los Scr’s y controlaremos el Angulo de disparo y de esta manera la potencia entregada al motor, la etapa de potencia consta de transformadores de pulso que desacoplara la parte de potencia de la de control para evitar daños a la parte de control. B. ABSTRACT This work is about the study and implementation of a soft starter will be carried out by means of a direct phase AC / AC conversion circuit with, which is based on the manipulator the firing angle of the SCRs, thus varying the power delivered to the motor, said circuit will have an initial trigger angle of 180 and will go down until it reaches 0 degrees in a certain time. The circuit will have two stages of control and another of power, in the control stage with the help of a microcontroller and the zero crossing, firing at the speed and controls of the firing angle and in this way the power delivered to the engine, the constant power stage of pulse transformers that decouples the power part of the control to avoid damage to the control part. C. MARCO TEÓRICO MOTORES ELECTRICOS TRIFASICOS Los motores eléctricos trifásicos, se fabrican en las más diversas potencias, desde una fracción de caballo hasta varios miles de caballos de fuerza (HP), se los construye para prácticamente, todas las tensiones y frecuencias (50 y 60 Hz) normalizadas y muy a menudo, están equipados para trabajar a dos tensiones nominales distintas. Se emplean para accionar máquinas-herramienta, bombas, montacargas, ventiladores, grúas, maquinaria elevada, sopladores, etc. Ventajas   

A igual potencia, su tamaño y peso son más reducidos. Se pueden construir de cualquier tamaño y forma, siempre que el voltaje lo permita. Tiene un par de giro elevado y, según el tipo de motor, prácticamente constante.

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Su rendimiento es muy elevado (típicamente en torno al 75 %, aumentando a medida que se incrementa la potencia de la máquina). Este tipo de motores no emite contaminantes, aunque en la generación de energía eléctrica de la mayoría de las redes de suministro, sí se emiten contaminantes. En general no necesitan de refrigeración ni ventilación externa, están autoventilados. No necesita de cajas de cambios de más de 1 velocidad.

TIPOS DE MOTORES ELECTRICOS TRIFÁSICOS Si el rotor tiene la misma velocidad de giro que la del campo magnético rotativo, se dice que el motor es síncrono. Si por el contrario, el rotor tiene una velocidad de giro mayor o menor que dicho campo magnético rotativo, el motor es asíncrono de inducción. Los motores eléctricos trifásicos están conformados por dos grandes grupos: 1. MOTORES SÍNCRONOS Este motor tiene la característica de que su velocidad de giro es directamente proporcional a la frecuencia de la red de corriente alterna que lo alimenta. Es utilizado en aquellos casos en donde se desea una velocidad constante. Las máquinas síncronas funcionan tanto como generadores y como motores. En nuestro medio sus aplicaciones son mínimas y casi siempre están relacionadas en la generación de energía eléctrica. Para el caso referente a la máquina rotativa síncrona, todas las centrales Hidroeléctricas y Termoeléctricas funcionan mediante generadores síncronos trifásicos. Para el caso del motor se usa principalmente cuando la potencia demandada es muy elevada, mayor que 1MW. Los motores síncronos se subdividen a su vez, de acuerdo al tipo del rotor que utilizan, siendo estos: rotor de polos lisos (polos no salientes) y de polos salientes. 2. MOTORES ASÍNCRONOS Los motores asíncronos o motores de inducción, son las máquinas de impulsión eléctrica más utilizadas, pues son sencillas, seguras y baratas. Los motores asíncronos se clasifican según el tipo de rotor, en motores de rotor en jaula de ardilla (o motores con inducido en cortocircuito) y en motores de rotor bobinado o de anillos rozantes. En los motores asíncronos trifásicos, la energía eléctrica se suministra al bobinado del estator. Como consecuencia de ello, aparece un par aplicado al rotor, y éste girará. [1]

TIPOS DE ARRANQUES DE MOTORES TRIFÁSICOS Los tipos de arranques de motores trifásicos usados en la industria son: ARRANQUE DIRECTO La manera más sencilla de arrancar un motor de jaula es conectar el estator directamente a la línea, en cuyo caso el motor desarrolla durante el arranque el par que señala su característica par–velocidad. En el instante de cerrar el contacto del estator, el motor desarrolla el máximo par de arranque y la corriente queda

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limitada solamente por la impedancia del motor. A medida que el motor acelera, el deslizamiento y la corriente disminuyen hasta que se alcanza la velocidad nominal. La sencillez del arranque directo hace posible el arranque con un simple contactor, por lo que suele efectuar rara vez mediante arrancador manual. Los arrancadores automáticos comprenden el contactor trifásico con protección de sobrecarga y un dispositivo de protección de sobrecarga de tiempo inverso. El arranque y la parada se efectúan mediante pulsadores montados sobre la caja, pudiéndose también disponer de control remoto si fuera necesario.

Figura 1 Esquema de potencia Arranque Directo [2] ARRANQUE ESTRELLA–TRIÁNGULO Se trata de un método de arranque basado en las distintas relaciones de la tensión de línea y la compuesta, a la tensión de fase que representan los acoplamientos trifásicos estrella–triángulo. En consecuencia, el método solo será aplicado a motores trifásicos alimentados por una red trifásica cuyo devanado estatórico presente sus seis bornes accesibles. Esta solución no solo permite la utilización del motor con dos tensión distintas, que estén en la relación, sino, también, el arranque del motor, normalmente previsto para trabajar con la conexión triángulo a la tensión nominal, con una tensión reducida. Normalmente, la puesta en servicio y el cambio de conexión se realiza mediante un conmutador manual rotativo de tres posiciones : paro–estrella–triángulo, si bien se refiere hoy en día confiar esta maniobra a dispositivos automáticos a base de tres contactores y un temporizador que fija el tiempo del cambio de la conexión estrella a la conexión triángulo a partir del instante de iniciarse el ciclo de arranque. En motores trabajando gran parte de su tiempo de servicio con un par reducido por bajo de un tercio de su par nominal, puede ser interesante el utilizar en estos periodos la conexión estrella, mejorándose con ello el rendimiento y, sobre todo, el factor de potencia.

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Figura 2 Esquema de potencia Arranque Estrella-Triángulo [2] ARRANQUE POR AUTOTRANSFORMADOR Este método utiliza un autotransformador para reducir la tensión en el momento del arranque, intercalado entre la red y el motor. En este caso se le aplica al motor la tensión reducida del autotransformador y una vez el motor en las proximidades de su velocidad de régimen se le conecta a la plena tensión de la red quedando el autotransformador fuera de servicio.

Figura 3 Esquema de potencia Arranque por Autotransformador [2]

ARRANQUE MEDIANTE RESISTENCIAS EN EL ESTATOR Este método de arranque consiste en conectar el motor a la línea mediante una resistencia en serie en cada una de las fases. Las resistencias se puede graduar en secciones para limitar la corriente de arranque a un valor pretendido según las normas de la compañía y el par que necesita la máquina de carga.

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Los arrancadores de resistencias manuales de diferentes posiciones son normalmente del tipo de disco. En los arrancadores de contactor se puede disponer uno de estos para obtener una aceleración adicional cortocircuitando la resistencia de arranque. Cuando se necesita un arranque suave y gran par de arranque se puede conseguir esto mediante una resistencia única en cada una de las fases del estator. Cuando la resistencia tiene varios terminales se puede elegir el par de arranque mediante la posición del selector de las resistencias. Este método se emplea con motores de jaula de ascensores pequeños, donde, debido a la corta duración del periodo de carga, la resistencia se deja a menudo permanentemente al circuito.

Figura 4 Esquema de potencia Arranque por Resistencias Estatóricas [2] ARRANQUE EN KUSA En este tipo de arranque se coloca una sola resistencia en una de las fases, es indiferente de la fase que se elija. El valor de la resistencia debe de suministrarlo el propio fabricante del motor. Como todos los tipos de arranques que se esta viendo, tiene la finalidad de reducir la intensidad del arranque

Figura 5 Esquema de potencia Arranque en Kusa [2]

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ARRANCADOR SUAVE Un arrancador suave es un dispositivo electrónico que permite controlar el arranque y parada de motores de inducción, ayudando a proteger el motor y contribuyendo al ahorro de energía. Limitan la corriente y el par de arranque permitiendo ejercer un control de la tensión desde 0 hasta la nominal para el arranque y al revés para la parada. Regula el voltaje de modo que el motor recibe primero una oleada de baja tensión, que va ascendiendo hasta que el motor empieza a girar, ahorrando en el desgaste y a menudo colaborando a que los componentes electrónicos duren más tiempo Mediante el control progresivo de la tensión de alimentación, se logra la adaptación del motor al comportamiento de la carga de la máquina accionada. El arranque y parada suave cuida de los dispositivos y máquinas acopladas y proporciona un proceso productivo sin incidencias

Figura 6 Corrientes de arranque en el motor [3]

Como se observa en la figura 6, mediante el control progresivo de la tensión de alimentación, se logra la adaptación del motor al comportamiento de la carga de la máquina accionada. El arranque y parada suave cuida de los dispositivos y máquinas acopladas y proporciona un proceso productivo sin incidencias Ventajas El arranque suave mejora el rendimiento de arranque del motor de muchas maneras, incluyendo:   

Aceleración suave sin los transitorios de par asociados a los arrancadores electromecánicos de voltaje reducido. Reduce las corrientes de arranque y / o reduce los tiempos de arranque porque el control de corriente constante da un par más alto a medida que aumenta la velocidad del motor. Fácil ajuste en la puesta en marcha para adaptarse al motor y a la carga específica.

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  

Control preciso sobre el límite de corriente. Rendimiento constante incluso con frecuentes arranques. Rendimiento fiable, incluso si las características de carga varían entre arranques (por ejemplo, arranques con carga o sin carga). Además de un rendimiento de arranque superior, los arrancadores suaves también ofrecen una serie de características no disponibles en otros arrancadores de voltaje reducido. Esto incluye áreas tales como:      

Parada suave (que ayuda a eliminar el golpe de ariete) Frenado Protección del motor y del sistema Medición y monitorización Historial de funcionamiento y registros de eventos Integración de redes de comunicación

TIPOS DE ARRANCADORES SUAVES 1. PSR - LA GAMA COMPACTA De entre todas las gamas de arrancadores suaves, la PSR es la más compacta y la que permite diseñar equipos de arranque compactos. Un sistema dotado de guardamotores y el PSR ofrece una solución de arranque mucho más compacta que, por ejemplo, un arrancador en estrella-triángulo. El bypass integrado reduce la disipación de energía y simplifica la conexión. Además, con sólo tres potenciómetros, la configuración no podría ser más sencilla. Con todo esto, las características de rampa optimizadas aseguran un arranque y un paro muy suaves en todas las aplicaciones. 2. PSS - LA GAMA FLEXIBLE El arrancador suave PSS permite la conexión en línea y dentro del triángulo, lo cual lo convierte en una opción muy flexible. Al igual que en el arrancador PSR, el reducido número de ajustes simplifica la configuración. Si se conecta un transformador de intensidad externo, es posible activar la función de limitación de la intensidad, que permite mantener ésta en un nivel prefijado incluso al arrancar aplicaciones pesadas. El arrancador suave PSS representa la opción ideal cuando se busca una solución robusta de estado sólido en aplicaciones con muchos arranques por hora. 3. PSE - LA GAMA EFICIENTE El arrancador suave PSE es el primero compacto del mundo que incorpora tanto una protección electrónica del motor contra sobrecargas como el control del par para un control excelente de las bombas. Por su diseño compacto, con las funciones más importantes integradas, constituye una solución de arranque muy eficiente. La pantalla retroiluminada e independiente del idioma y el teclado con cuatro teclas permiten aprovechar fácilmente todas las funciones avanzadas del arrancador suave. En la pantalla también se visualiza toda la información necesaria durante las rampas y el funcionamiento en régimen estacionario. 4. PST(B) - LA GAMA AVANZADA La gama de arrancadores suaves PST(B) es la más avanzada, dado que incorpora prácticamente todas las funciones imaginables. Con todas las protecciones avanzadas del motor, del arrancador suave y de la carga se asegura un funcionamiento exento de problemas. La función de preaviso, por ejemplo, permite detectar problemas antes de tener

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que parar el motor. Así se evitan paradas innecesarias. [4]

OBJETIVOS: OBJETIVO GENERAL: • Implementar un arrancador suave para controlar la corriente entregada a un motor trifásico durante el arranque OBJETIVO ESPECIFICO: • Investigar acerca de los arrancadores suaves y los motores trifásicos • Diseñar un arrancador suave para controlar la corriente entregada a un motor trifásico durante el arranque • Implementar el arrancador suave para controlar la corriente entregada a un motor trifásico durante el arranque • Realizar las pruebas para diferentes tiempos de arranque. • Analizar los resultados de las pruebas realizadas MATERIALES:  1 Arduino uno  Transformador de 110v/12v.  2 Transformadores de pulso.  2 SCR’s .  1 Opto transistor 4N25.  Resistencias y potenciómetros.  Cable de alimentación 110 𝑉𝑎𝑐  1 motor dc.  1 protoboard  Cables de conexión.  Computador personal. INSTRUCCIONES: -

Utilice ropa de protección: mandil, guantes, gafas, cabello recogido, zapato cerrado, etc. Verifique la disponibilidad de los equipos a usar en la práctica. Revisar los manuales de los equipos y elementos que se utilice. Des energizar todos los circuitos. Verificar el estado de las conexiones, como el voltaje que se va a utilizar en la práctica.

ACTIVIDADES POR DESARROLLAR: DIMENSIONAMIENTO DE LOS ELEMENTOS Implementación de la etapa de control del circuito diseñado. Armar el circuito de la Figura 7 de cruce por cero para poder sincronizar la señal de disparo en los SCR´s.

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Figura 7. Cruce por cero a) Cálculo de la resistencia del diodo emisor de luz del opto acoplador 4N25 Corriente mínima 10mA corriente máxima hasta los 60mA. 𝑉 𝑅 𝑉 𝑅1 = 𝐼 12√2𝑉 𝑹𝟏 = 25𝑚𝐴 𝑹𝟏 = 678 Ω ≈ 680Ω 𝐼=

Cálculo de la resistencia en el transistor 𝐼𝑐 = 500𝑢𝐴 𝑉 = 5𝑉 5 𝑅2 = 500 𝑢𝐴 𝑹𝟐 = 10𝐾Ω Realizar la programación del microcontrolador para el controlar el ángulo de disparo de los tiristores. Implementar el circuito de la Figura 8.

Figura 8. Configuración de entradas y salidas del arduino

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Implementación de la etapa de desacoplamiento. Realizar el desacoplamiento mostrado en la Figura 9 para proteger el circuito de control en caso de una posible falla en la parte de potencia que puede ocasionar daños.

Figura 9. Desacoplamiento a) Cálculo de la Resistencia en la etapa de desacoplamiento 𝐼𝑔𝑚𝑎𝑥 = 500𝑢𝐴 5 − 𝑉𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜 − 𝑉𝑔𝑘 𝑅3 = 𝐼𝐺 5 − 1 − 1𝑉 𝑅3 = = 22Ω 150𝑢𝐴 𝑅3 = 𝑅4 = 22Ω Implementación de la etapa de control del circuito diseñado. Realizar la etapa de potencia mostrada en la Figura 10, esta etapa será la que ponga en contacto la carga con el voltaje entregado por la red.

Figura 10. Etapa de potencia

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Cálculos de los SCR’S P= 30Hp Fp= 0.9 𝑃𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 = 𝑉𝑟𝑚𝑠 ∗ 𝐼𝑟𝑚𝑠 ∗ 𝑓𝑝 746𝑊 30𝐻𝑝 ∗ = 220 ∗ 𝐼𝑟𝑚𝑠 ∗ 0.9 1𝐻𝑝 𝐼𝑟𝑚𝑠−𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 113.03 𝐴𝑟𝑚𝑠 𝐼𝑟𝑚𝑠−𝑆𝐶𝑅1 = 𝐼𝑟𝑚𝑠−𝑆𝐶𝑅1 =

𝐼𝑟𝑚𝑠−𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 √2

113.03 𝐴𝑟𝑚𝑠 √2

𝐼𝑟𝑚𝑠−𝑆𝐶𝑅1 = 79.92 𝐴𝑟𝑚𝑠 𝐼𝑟𝑚𝑠−𝑆𝐶𝑅2 = 79.92 𝐴𝑟𝑚𝑠 Unir todas las etapas como se muestran anteriormente para tener el control de fase directo y así poder controlar la cantidad de voltaje que recibirá la carga según el ángulo de disparo de los tiristores.

Figura 11. Conversor AC/ AC de fase directa Observar las formas de onda de voltaje y corriente a la entrada y salida del conversor. Analizar los resultados RESULTADOS OBTENIDOS: Arranque Directo:

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Figura 12. Comportamiento de la corriente para un arrancador directo. Arranque 6 segundos

Figura 13. Comportamiento de la corriente para un tiempo de arranque suave de 6 segundos Arranque 10 segundos

Figura 14. Comportamiento de la corriente para un tiempo de arranque suave de 10 segundos.

ANÁLISIS DE RESULTADOS:

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El arranque realizado de forma directa presenta claramente un pico de corriente notoria como se puede apreciar en la Figura 12, gracias a la implementación del arrancador suave se puede controlar la corriente entregada al motor durante el arranque, entregando potencia al motor progresivamente de acuerdo al tiempo que se le asigne. Se puede observar en la Figura 13 y en la Figura 14 como la corriente aumenta progresivamente con el tiempo estimado de 6 segundos y 10 segundos respectivamente, salvaguardando la integridad del motor, evitando daños en las partes mecánicas del mismo CONCLUSIONES:  Las cargas en la industria regularmente son de potencias extremadamente altas y las mismas trabajan con altas tensiones, dichas cargas durante el arranque generan un pico de corriente grandes lo que produce daños en la propia carga a largo plazo y en los equipos de control por ende gastos excesivos, es por ello que un arrancador suave permite que el arranque se vaya dando paulatinamente, entregándose asi desde el 0% de la potencia hasta el 100% de la potencia que la carga requiere y de esta manera, reduciendo significativamente dicho pico de corriente.  Una de las cargas imprescindibles que se usan en altas potencias son los motores, los mismo que para realizar su operación especifica requieren estar conectados casi siempre a una parte mecánica, desde este punto de vista un arranque brusco, provocaría daños progresivos en dicha parte mecánica o su desgaste total, por lo que un arrancador suave ayudaría a evitar el desgaste de la parte mecánica, además al tratarse de un motor, se extiende la vida útil del mismo ya que el aislante que se encuentra en los devanados no se desgastan, evitando así cualquier tipo falla al interior del mismo.  Con el arrancador suave se logra variar la potencia entregada a la carga, más no la frecuencia ya que se controlan la entrega de energía al motor recortando la forma de onda, a través de dispositivos semiconductores de Potencia hasta llegar a plena tensión o la tensión de funcionamiento que la carga necesita.  En fin el arrancador suave satisface sobradamente el requisito principal, que es conseguir un arranque suave de los motores eléctricos, y ofrece además ventajas adicionales, tales como su alta fiabilidad, su menor necesidad de mantenimiento, su facilidad de ajuste y buena protección de motor. RECOMENDACIONES:  Realizar las respectivas simulaciones de los circuitos antes de realizar la implementación en forma física con el fin de evitar errores  Revisar la hoja de especificaciones de cada uno de los elementos utilizados en los circuitos para tomar las debidas consideraciones de funcionamiento.  Revisar que exista una correcta conexión entre el osciloscopio y el circuito de potencia para evitar daños en los equipos debido a cortocircuitos.  Existen redes de voltaje y corriente diferentes, es necesario aislar la tierra de potencia y la tierra de bajo voltaje. BIBLIOGRAFÍA: [1] HIDALGO, Giovanny y PAGUAY, Galo, Reducción de Pérdidas de Energía Eléctrica en los Alimentadores Mediante Compensación Reactiva Considerando Clientes Finales Industriales, Tesis EPN Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Quito, Marzo 2009, p.22

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[2] www.Estudio para la ubicación estratégica de capacitores en las subestaciones de la Empresa EMELNORTE. P 21.pfd.com [3]. Available: http://repositorio.espe.edu.ec/bitstream/21000/4367/1/M-ESPEL-0014.pdf. [Último acceso: 17 Noviembre 2015]. [4] Power Electronics. Converters, Applications, and Design (2ª edición). N. Mohan, T. M. Undeland, W. P. Robbins, Editorial: John Wiley & Sons, 1995. [5] Mendoza, A. DocSlide, de http://documents.tips/documents/convertidores-ac-ac-5584653ccaa74.html

FIRMAS

F: ……………………………………… Nombre: Ing. Franklin Silva DOCENTE

F: ……………………………………… Nombre: COORDINADOR DE ÁREA DE CONOCIMIENTO

F: …………………………………………… Nombre: Ing. COORDINADOR/JEFE DE LABORATORIO