Introduccion Acionamiento corriente Electrica Presentacion PDF

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definicion y ejemplos de accionamientos electricos en los motores electricos para un mejor entendimiento de las conecciones y elementos que la componen...

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Control de accionamientos ele c tricos I (ELI133-A) Tema: int roduccio n a los accionamientos ele ctricos

ESTEBAN DIAZ MONTT.

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Índice 1.

INTRODUCCIÓN A LOS ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS ....................................................................... 3 1.1. CLASIFICACIÓN GENERAL DE LOS ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS....................................................................... 5 1.2. DINÁMICA DEL MOVIMIENTO ROTACIONAL EN LOS ACCIONAMIENTOS .............................................................. 6 2.1.1 Caracterización Torque resistente ................................................................................................ 8 2.1.2 Caracterización torque motor. ...................................................................................................... 9 2.2 CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS DISPOSITIVOS DE MANIOBRA Y PROTECCIÓN EN LOS ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS. ..................................................................................................................................................... 12 1.3.1. Características básicas de los aparatos de corte (valores nominales y poder de corte). ............... 13

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MANIOBRA MANUAL EN LOS ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS .......................................................... 15 3.1 ARRANCADORES MANUALES ................................................................................................................... 16 3.2 SELECTORES O INTERRUPTORES ROTATIVOS ............................................................................................... 16 2.1.1 Programa de funcionamiento ..................................................................................................... 19 2.1.2 Aplicaciones y montaje ............................................................................................................... 20

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ANEXOS : ........................................................................................................................................... 21 4.1 DEFINICIONES RELATIVAS A LOS DISPOSITIVOS DE INTERRUPCIÓN SEGÚN NORMA IEC ......................................... 21 4.2 REPRESENTACIÓN E INTERPRETACIÓN DE DIAGRAMAS ELÉCTRICOS .................................................................. 25 Coord Coordenadas enadas ppara ara ubi ubicac cac cación: ión:.................................................................................................................... 27

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1. Introducción a los accionamientos eléctricos Un accionamiento eléctrico se puede definir como un co conjun njun njunto to de disp disposi osi ositiv tiv tivos os que aseg asegura ura uran n la trans transforma forma formació ció ción n de energ energía ía eléc eléctrica trica een n en energía ergía m mecá ecá ecánica nica nica, bajo ciertas condiciones impuestas por el proceso productivo. Este conjunto de dispositivos tienen como propósito en poner en funcionamiento el mecanismo de trabajo, no obstante en el último tiempo se han integrado funciones adicionales, que permiten mejores prestaciones en el accionamiento y por lo tanto en el proceso productivo (por ejemplo mejoras en la continuidad de servicio, mejoras en la producción, supervisión del mismo etc.). Como parte integrante de un accionamiento encontraremos una etapa de suministro, dispositivos de protección, de maniobra y al conjunto motor-carga mecánica.(figura.-1)

Accionamiento eléctrico Suministro Dispositivos de protección y seccionamiento

Q1

Dispositivos de protección

K1

Dispositivos de maniobra

M1

Motor + carga mecánica

Figura -1 Diagrama unilineal partida directa motor de inducción

Un factor importante en el desarrollo económico de las sociedades industrializadas está relacionado con el paso de los accionamientos fundamentalmente mecánicos a los accionamientos eléctricos. La electrificación eficiente de la industria favoreció tal desarrollo, acompañado de otros desarrollos en el área eléctrica, como la construcción de grandes centrales, la transmisión eficiente de energía eléctrica a grandes distancias.

Figura 2 Accionamiento mecánico de trasmisión de energía

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En la presente asignatura, se espera que el estudiante desarrolle aprendizajes asociados al control de los accionamientos eléctricos, identificando los diferentes dispositivos que lo componen, como también la elaboración de especificaciones técnicas, circuitos de fuerza y control, esquemas de montaje, como base para la posterior implementación. Para facilitar el desarrollo de las unidades temáticas, la asignatura se ha dividido en tres módulos siguiendo el desarrollo tecnológico que han experimentado los dispositivos de maniobra en los accionamientos, estos son: I. Maniobra manual. II. Maniobra electromagnética. III. Dispositivos de maniobra en base a electrónica de potencia. En cuanto a los resultados de aprendizaje, la asignatura considera RDA RDA1 1 Caracteriza estructuralmente un accionamiento eléctrico en baja tensión, para la adecuada especificación y ubicación de los elementos de protección, maniobra y control, de acuerdo indicaciones reglamentarias. RDA RDA2 2 Identifica distintas alternativas tecnológicas de elementos de protección, maniobra y control, para una adecuada especificación según requerimientos del accionamiento eléctrico. RDA RDA3 3 Interpreta diagramas de control y fuerza en accionamientos eléctricos en baja tensión, para describir su funcionamiento, de acuerdo a normas e información técnica de componentes. RDA RDA4 4 Realiza el montaje de tableros eléctricos de fuerza y control en baja tensión, destinados a la puesta en funcionamiento de un accionamiento eléctrico, considerando esquemas de montaje y normas relacionadas (IEC). RDA RDA5 5 Acciona tableros eléctricos de fuerza y control en baja tensión, para verificar funcionamiento resguardando la integridad de personas y equipos, de acuerdo a protocolos de prueba y normas de seguridad.

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1.1. Clasificación general de los accionamientos eléctricos Los accionamientos se pueden clasificar como regulados y no regulados, ver figura 3. En los accionamientos no regulados, el motor se alimenta directamente desde la red de suministro usando lógica de contactores o controladores lógicos programables (PLC), donde es posible modificar de forma discreta el punto de operación. En los accionamientos Accto. no regulados Accto. regulados regulados, el motor se alimenta a través de un convertidor estático, lo que permite variar en forma esencialmente continua el punto de operación en un rango dado. Dependiendo de los requerimientos de la aplicación, los accionamientos regulados pueden operar en lazo abierto o ser controlados en lazo cerrado. En relación al Figura.-3 clasificación de los accionamientos eléctricos alcance de esta asignatura, su foco estará principalmente en el estudio de los accionamientos no regulados, dejando los accionamientos regulados para la asignatura de continuación del semestre siguiente (CONTROL DE ACCIONAMIENTOS ELECTRICOS II)

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1.2. Dinámica del movimiento rotacional en los accionamientos Para analizar el funcionamiento de un accionamiento eléctrico, es necesario establecer las relaciones físicas entre las propiedades mecánicas del motor y las características de la carga mecánica. El torque electromagnético en el motor eléctrico, se establece a partir de la circulación de corriente por las bobinas en presencia de un campo magnético, lo que da lugar a un par de fuerzas que denominaremos Tmotor . Este torque tiende a producir la rotación del eje en sentido del campo magnético. Por otra parte, al comenzar el desplazamiento angular del motor, la carga crea un par de fuerzas o torque resistente Tresistente , que se opone a la rotación impuesta por el motor. En la figura.-4, se muestra un conjunto motor polea que permite el ascenso y descenso de un bloque el que representa la carga del sistema.

Cuando Tmotor > Tresistente , la velocidad de rotación aumenta, ocasionando una aceleración positiva

polea

Cuando Tmotor < Tresistente , la velocidad de rotación disminuye, ocasionando una desaceleración Cuando Tmotor = Tresistente , la velocidad de rotación es constante, aceleración nula, lo que se define como equilibrio o estado estacionario.

motor carga

Figura .-4 conjunto motor polea carga.

Entonces el torque de aceleración se representa por: Taceleración  Tmotor  Tresistente

A su vez, la aceleración para un movimiento rotacional relaciona la razón de cambio de la velocidad respecto al tiempo, lo que puede expresarse por: 

 t

Lo que es consistente, con la condición de Tmotor = Tresistente , para una aceleración nula, es resultado de que la velocidad es constante (es decir no varía). Completando la expresión anterior se obtiene la ecuación general que define la dinámica del movimiento rotacional: J

  Tmotor  T resistente  J   T motor  T resistente t

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Donde Tmotor Tresistente

J



: Torque motor (Nm) : Torque resistente (Nm) : Inercia del conjunto motor carga (Kg*m2) : Velocidad angular (rad/seg)

La inercia J se puede interpretar como la resistencia de un objeto a un cambio de velocidad, se determina multiplicando su masa por el cuadrado de su distancia al eje de rotación. Si en un cuerpo la mayoría de la masa está ubicada muy lejos del centro de rotación, la inercia rotacional será muy alta y costará hacerlo girar o detener su rotación. Por el contrario, si la masa está cerca del eje, la inercia será menor, por lo tanto, más fácil de controlar. Es importante mencionar que la expresión, considera que la inercia del conjunto carga mecánica más motor es constante, lo que es válida en la mayoría de las aplicaciones industriales. Para el caso de la figura.-4, la inercia total estaría conformada por el rotor del motor más la inercia de la polea, en cambio el sistema de la figura.-5, la transmisión del movimiento no es directa, es a través de correas por medio de poleas de diferente diámetro, requiriendo de un tratamiento matemático diferente para la determinación de la inercia total. Los fabricantes entregan la información de la inercia de sus motores y para el caso de los elementos mecánicos acoplados se pueden evaluar aproximadamente según su geometría. Esta información permite evaluar la dinámica del accionamiento, como por ejemplo la suficiencia del torque de arranque del motor en relación a la carga, determinar los tiempos de aceleración y la evolución de las variables de interés (velocidad, corriente de partida, pérdidas en el arranque entre otras evaluaciones).

Figura.-5 Transmisión por correa y sistema de poleas.

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2.1.1 Caracterización Torque resistente La característica mecánica se define como la evolución del torque en función de la velocidad, generalmente esta información se presenta en forma gráfica, como se indica en la figura.-6. A partir de la siguiente expresión es posible sintetizar las características mecánicas más comunes:   Tresistente     T0  Tresistente n, T0      n 

x

Donde Tresistente

: Torque resistente en función de la velocidad 

Tresistente ,n

: Torque resistente a velocidad nominal

T0

: Torque resistente en las partes móviles del mecanismo

n

: Velocidad nominal (rad/seg) : Factor

x

(a) Cinta transportadora

(b) Ventilador

(c ) bobinadora de papel

T,P

T,P

X=0

T,P

X=2

X=-1 P

T

P

T

P

T n n1

Torque constante r/n Potencia lineal r/n

n n1

Torque cuadrático r/n Potencia cubica r/n

n n1

Torque inverso r/n Potencia constante

Figura.-6 características mecánicas típicas.

Característica mecánica independiente de la velocidad x  0 , permite representar características de torque aproximadamente constante, como por ejemplo torques resistentes en grúas, mecanismos de avance en máquinas herramientas, bombas de embolo.  Característica mecánica linealmente creciente, x  1 , permite representar características de torque que aumentan proporcionalmente con la velocidad, como por ejemplo el torque resistente de un generador con excitación independiente. 

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Característica cuadrática creciente, x  2 , permite representar características de torque que varían aproximadamente con el cuadrado de la velocidad, como por ejemplo torques resistentes en ventiladores, bombas centrifugas, hélices.  Característica no lineal decreciente, x  1 , permite representar características de torque que varían aproximadamente de forma inversa con respecto a la velocidad, como por ejemplo torques resistentes en máquinas herramientas en general como tornos, fresadoras, molinos, bobinadoras. 

2.1.2 Caracterización torque motor. En un contexto industrial, de toda la energía eléctrica consumida el 80% aproximadamente se convierte en energía mecánica destinada a la producción de fuerza motriz mediante motores eléctricos, lo restante se transforma principalmente en luz y calor. Los motores eléctricos y las máquinas en general, se pueden clasificar según la figura xxx, al observar este esquema, se puede acotar en cuanto a las aplicaciones industriales que la mayor parte de las maquinas eléctricas son motores del tipo asincrónico trifásicos rotor jaula de ardilla, por esta razón el control de accionamientos para este tipo de máquinas centrará el interés en esta asignatura. DE CC

DINAMOS

GENERADORES DE CA

ROTATIVAS

ALTERNADORES

EX. INDEPENDIENTE,SERIE, SHUNT O COMPOUND.

DE CC

MONOFÁSICOS MOTORES

DE CA

ASÍNCRONICOS O DE INDUCCIÓN

TRIFÁSICOS

MÁQUINAS ELÉCTRICAS

SÍNCRONICOS

ROTOR JAULA DE ARDILLA ROTOR BOBINADO

UNIVERSALES

MONOFÁSICOS TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS

ESTÁTICAS AUTOTRANSFORMADORES

Figura.-7 clasificación maquinas eléctricas.

El motor de inducción de jaula de ardilla es un motor robusto y comparativamente más económico que el resto de los motores para la misma potencia, pero tiene el inconveniente de que en conexión directa con la red de alimentación no es posible regular velocidad, torque y además la corriente en la partida alcanza valores excesivamente elevados en comparación a la corriente nominal (entre 5-7 veces la corriente nominal según el diseño del motor).

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La figura.-8, representa la evolución de las variables en el tiempo durante el proceso de arranque en la que se incluyen la corriente absorbida, torque motor, torque resistente del tipo constante y la velocidad del rotor para un motor de 3HP durante una partida directa. Al observar figura.-8(superior), la corriente absorbida desde el instante de la partida asciende a valores elevados, varias veces superior al valor de régimen y oscila a la frecuencia de la red (f=50Hz). Además toma cierto tiempo en reducir este valor y alcanzar la magnitud de régimen. La elevada magnitud en la corriente es independiente del torque resistente que la carga opone durante la aceleración. El torque del motor también alcanza al instante de la partida valores elevados y con una dinámica oscilante con valores incluso negativos, limitando la aceleración, figura .-8 (central), lo que repercute directamente en las oscilaciones de la velocidad, figura.-8 (inferior). A partir del 50% del inicio hay una zona de torque positivo que permite acelerar al motor, en la parte final converge al torque de carga y la velocidad se mantiene constante. Consecuencias de la elevada corriente se producen caídas de voltaje en los transformadores y en la red de alimentación inamisibles para otros consumos conectados al mismo nivel. Además aumentan las pérdidas por efecto joule, tanto en el rotor como en el estator del motor, estas pérdidas se disipan muy mal durante el arranque dada su corta duración y se acumulan en mayor porcentaje en los propios bobinados, provocando elevaciones de temperatura que atentan contra las propiedades eléctricas de los bobinados, y se limitan la frecuencias de partida del motor. Todas estas consideraciones deben estar presentes al momento de especificar los dispositivos de mando y protección en el accionamiento, los que deben tolerar sin dañarse las condiciones de arranque y requerimientos específicos, pero a su vez ser capaces de discriminar una condición de falla e interrumpir el suministro de energía hacia el motor.

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Corriente Absorbida por el Motor 100

80

60

Corriente [A]

40

20

0

-20

-40

-60

-80 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0. 7

0.8

0.9

1

0. 7

0.8

0.9

1

0. 7

0.8

0.9

1

tiempo [s]

Torque Motor y Torque Resistente 140

120

100

Torq ue [Nm]

80

60

40

20

0

-20

-40

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

tiempo [s]

Velocidad del Rotor 1600

1400

X: 0.5005 Y: 1427

Velocidad [RPM]

1200

1000

800

600

400

200

0

-200 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

tiempo [s]

Figura.-8 Características de Corriente absorbida, torque motor, torque resistente, velocidad del rotor, durante una partida directa .motor de 2HP /220V/ 4 polos/50Hz

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2.2 Características generales de los dispositivos de maniobra y protección en los accionamientos eléctricos. Un circuito eléctrico se puede maniobrar estando en las siguientes condiciones: Funcionamiento en vacío: condición sin cargas conectadas, por lo que las exigencias de apertura y cierre son bajo una intensidad de corriente nula y una tensión nominal. Funcionamiento en carga normal: condición con cargas conectadas, donde la intensidad que se presenta para efectos de apertura o cierre, en el circuito es menor o igual a la intensidad nominal. Se denomina corriente nominal a un valor de corriente tal que puede circular permanentemente por el circuito, sin producir calentamientos excesivos Funcionamiento anormal: Las exigencias de apertura o cierre se hacen bajo una corriente mayor a la nominal. La presencia de corrientes anormales puede ser debido al exceso de carga, al funcionamiento defectuoso de alguna de las cargas alimentadas por el circuito o averías en el propio circuito. Estas corrientes anormales pueden ser: sobrecargas o cortocircuitos. Se entiende por sobrecarga a una condición de funcionamiento de un circuito sin defecto, que provoca una sobre intensidad. Por ejemplo, el exceso de solicitación mecánica en el eje de un motor con respecto a su potencia útil, una disminución en el voltaje aplicado a un motor . Un cortocircuito es la conexión de dos o más puntos de un circuito a través de una impedancia de valor despreciable. Puede ser voluntario o accidental. Se empieza a considerar cortocircuito cuando la intensidad es superior a 3In y es cortocircuito franco a partir de 6In. En los dispositivos de interrupción, la apertura o cierre del circuito ...