Ing. Eléctrica
Control de Máquinas Eléctricas
José Jaime Tapia Jiménez
Propulsor estático de Kramer y propulsor estático de Scherbius . “
”
Edgardo Castro Castro
Lunes 25 de mayo de 2015.
Introducción Desde el surgimiento del motor eléctrico en 1888, su control y las aplicaciones que nos permiten llevar a cabo con esto, han acompañado a cualquier estudiante y profesionista de la ingeniería eléctrica. El objetivo principal del control de motores eléctricos, es controlar o gobernar las distintas etapas del motor como son: el paro (frenado), el arranque, la velocidad y el par desarrollado. Para ello, se utilizan diversas tecnologías combinadas en un mismo proceso; por ejemplo, el control por relevadores y colectores, arrancadores automáticos, o los de tipo estado sólido, con los que se obtiene, en términos generales, un mejor resultado. Los motores de inducción de rotor devanado conectados en cascada constituyen sistemas destinados a la regulación de velocidad uniforme, con recuperación de energía. Esto se consigue alimentando el voltaje inducido de baja frecuencia del rotor a un circuito secundario. En el sistema Kramer, la potencia recuperada se regresa al sistema en forma mecánica, mediante un acoplamiento de un motor de corriente directa al eje del sistema. Por otra parte, en el sistema Scherbius, la potencia recuperada se regresa a la línea de alimentación en forma de energía eléctrica, mediante un grupo de máquinas eléctricas o un inversor. Otra diferencia sustancial entre estos dos métodos, es que el método de Kramer solo permite su operación a velocidad sub-síncrona, mientras que la técnica de Scherbius, permite la operación por arriba y por debajo de la velocidad síncrona.
Propulsor estático de Kramer El sistema usado para este método para el control de velocidad con recuperación de energía, consta de un motor de inducción de rotor devanado (MI), una máquina de cd (MCC) y un convertidor síncrono (CS). El motor de inducción y la máquina de cd se encuentran acoplados mecánicamente de la flecha, el rotor del motor de inducción se conecta al convertidor síncrono y la salida del convertidor se conecta a la armadura de motor de cd. Para llevar a cabo un análisis del funcionamiento de este sistema, tomaremos en cuenta los escenarios siguientes.
Motor de inducción (rotor devanado)
Sistema Kramer
Máquina de corriente directa
Convertidor síncrono
Fig. Componentes del sistema Kramer.
1.- Consideremos la regulación de velocidad y del factor de potencia, suponiendo que el par de carga en el eje, permanece constante y con una velocidad menor a la síncrona: El convertidor síncrono, funciona en el lado de corriente alterna como motor sincrónico y convierte la potencia de deslizamiento en potencia de corriente directa. Esta potencia es suministrada al motor de cd; esta potencia eléctrica es convertida en potencia mecánica devolviendo al eje de acoplamiento la potencia de deslizamiento , menos las pérdidas en las máquinas auxiliares.
2.- Ahora, si se aumenta la excitación de campo en el motor de cd: En el primer instante, el rotor de la máquina de cd, trabaja con la misma velocidad por lo que el voltaje inducido en el motor, aumenta. Debido a esto, la corriente que el motor toma del convertidor síncrono, y la corriente que el convertidor síncrono toma de rotor del motor de inducción, disminuyen. Tenemos como resultado, un par negativo en la flecha, ya que el par de la carga es constante. La velocidad de la cascada disminuye mientras que el deslizamiento del motor de inducción, la frecuencia, el voltaje inducido en el rotor del motor de inducción, la velocidad del convertidor síncrono, y las corrientes del motor de cd, empiezan a aumentar hasta que se logra regular la velocidad y par al valor deseado.
Fig. Montaje en cascada con conexión mecánica de tipo Kramer para velocidad sub-síncrona.
3.- Si disminuimos la corriente de excitación del motor de cd: Su voltaje inducido disminuye, la velocidad de la cascada aumenta y la frecuencia de deslizamiento disminuye, con lo que se produce una disminución en la velocidad del convertidor
síncrono. En caso de que la velocidad de la cascada sea aproximadamente igual a la velocidad síncrona del motor de inducción, el convertidor trabaja con una velocidad muy baja (o cero). El convertidor funciona como resistencia activa, conectada al circuito secundario del motor de inducción. En estas condiciones, el voltaje inducido en el secundario del motor de inducción es igual a cero. Por lo que se llega la siguiente conclusión:
El sistema Kramer solo regula la velocidad por debajo de la síncrona (sub-síncrona). Esto último, se conoce como regulación de zona única. De lo anterior se deduce que la regulación de velocidad en un sistema Kramer se realiza variando la corriente de excitación de la máquina de cd.
Fig. Sistema convencional de Kramer.
3.- Ajustemos la velocidad de la cascada por debajo de la velocidad sincrónica y, manteniendo constantes la excitación del motor de cd y el par de carga, variemos la corriente de excitación del convertidor síncrono. En este caso, como la frecuencia y el voltaje inducido en el secundario del motor de inducción se mantienen constantes, y como el convertidor es un motor síncrono, el aumento de la corriente de excitación en el convertidor provoca que la corriente en el devanado secundario del motor de inducción esté en adelanto con respecto al voltaje inducido.
De manera similar, se deduce que la regulación del factor de potencia se realiza variando la corriente de excitación del convertidor síncrono. Si se desprecian las pérdidas existentes en la cascada, la potencia nominal del convertidor síncrono, debe ser igual a la potencia nominal de la máquina de cd, la cual, a su vez es proporcional al valor máximo del deslizamiento S para el cual está diseñada la cascada.
Fig. Circuito equivalente de un sistema Kramer.
Propulsor estático de Scherbius Sistema con regulación de velocidad en una zona Para este método, la máquina de cd está acoplada mecánicamente a un motor de inducción auxiliar (mi) y éste a su vez, se encuentra conectado a la línea de alimentación. La máquina de cd es alimentada por el convertidor síncrono, y el convertidor a la vez está conectado al devanado secundario del motor de inducción principal (MI). Este arreglo, solo permite la regulación de velocidad a velocidad sub-síncrona, y se puede ver enseguida.
Fig. Montaje en cascada Scherbius con conexión eléctrica para velocidad sub- síncrona.
En un inicio, este sistema se construyó sólo para regulación de una zona por debajo de la velocidad síncrona, pero en 1916 se creó un sistema con regulación de velocid ad para dos zonas, el cual se explicará a continuación.
Sistema con regulación de velocidad en dos zonas Primer zona En la figura siguiente, el generador con colector compensado (GC), sirve como máquina reguladora y está construido para excitación de estator.
Fig. Montaje en cascada Scherbius para regulación de velocidad en dos zonas.
El arrollamiento de excitación (AE) del colector compensado, está conectado en un extremo al generador principal a través de un autotransformador AT y en el otro extremo a las escobillas del convertidor de frecuencia (CF) que está montado en el mismo eje que el motor de inducción y conectado al mismo circuito de potencia que el motor, a través de un transformador (TCF) en el lado secundario. El colector compensado y el autotransformador AT, sirven para regular la velocidad y el factor de potencia en condiciones de funcionamiento distintas de la velocidad síncrona. Sin embargo, cuando la velocidad de la máquina se aproxima a la síncrona, el voltaje de los anillos rozantes del motor de inducción disminuye continuamente y la acción del colector compensado y del autotransformador AT es insuficiente.
Segunda zona Para poder regular en la segunda zona, se usa el convertidor de frecuencia, el cual introduce una f.e.m. (regulada por el transformador TCF) en AE, mientras su fase se varía desplazando las escobillas en el colector del convertidor. A velocidades próximas a la del sincronismo, el convertidor de frecuencia puede actuar sobre la velocidad y sobre el factor de potencia de la cascada.
Fig. Convertidor de frecuencia.
Cuando la cascada pasa por el sincronismo, los dos extremos de AE deben ser permutados de acuerdo con el cambio de signo del deslizamiento en el motor de inducción.
Sistemas derivados Enseguida, mencionaré tres sistemas de control que parten de los dos anteriormente tratados. Se hará de manera muy breve, pues el estudio a profundidad de éstos, se encuentra fuera del alcance de este trabajo específico.
Sistema Rectiflow Muy similar al sistema Kramer tradicional, con la diferencia que la potencia de deslizamiento que se obtiene del rotor es rectificada por un rectificador tipo puente de estado sólido, mientras que en el Kramer tradicional se hace mediante un convertidor sincrónico.
Sistema Scherbius modificado En este sistema, la potencia de deslizamiento que se recupera, se manda a la línea de alimentación mediante elementos de estado sólido. La potencia de deslizamiento es rectificada por un rectificador tipo puente, esta energía es suministrada a un convertidor de fase controlada que trabaja como inversor; se usa una inductancia para hacer el enlace entre el rectificador y el inversor.
Sistema Scherbius Supersincrónico Constituido por un convertidor trifásico dual o un cicloconvertidor. Cuando trabaja por debajo de la velocidad síncrona, el ángulo de atraso
,
en el lado del convertidor trabaja por debajo
de 90° y en el lado del inversor trabaja por arriba de los 90°. Cuando opera por arriba de la velocidad síncrona, el inversor que ubicado junto a la línea de alimentación, pasa a ser un convertidor y el convertidor que está conectado al rotor, pasa a ser un inversor. De esta manera al rotor se le alimenta un voltaje y una frecuencia logrando así que el motor de inducción trabaje arriba de sincronía.
Conclusión El uso y aplicación de dispositivos y técnicas sobre máquinas eléctricas para el control (regulación) de velocidad con ahorro (recuperación) de energía, tanto de tipo tradicional como electrónico, es un tema muy actual que le preocupa a cualquier industria, lo que abre una gran ventana de oportunidades para nosotros, como futuro ingenieros. Desde el año de 1891, en que la compañía Thomson-Houston inició la comercialización de motores de inducción trifásicos en grandes masas hasta la actualidad, la ingeniería eléctrica ha sido testigo de numerosos avances en el control estos. Dando inicio a esta lista de métodos o técnicas de control con la inclusión de condensadores especiales para arranque en 1925, la aparición del control de Ward Leonard en 1891, el control de Kramer en 1911 y el despegue de los dispositivos electrónicos de potencia, incluyendo control de estado sólido en los últimos años. Este último tipo de tecnología, se encuentra en una etapa muy cambiante, debido a su rápida evolución a través del tiempo, con capacidades de miles de volts y miles de amperes en sus últimos dispositivos de estado sólido. Es bueno conocer este tipo de técnicas, como la de Kramer y Scherbius que, aunque corren cierto peligro frente a los dispositivos semiconductores, siguen siendo ampliamente usados en la industria. Además, como lo mencioné de manera rápida en el último apartado del trabajo, existen algunos sistemas derivados (o modificados) de estos dos, los cuales incluyen dispositivos propios de la electrónica de potencia.
Bibliografía [1] E. Landa Delgado, “Manual de Control para Motores Eléctricos Trifásicos,” Universidad Veracruzana, 2013. [2] E. Elizondo González, “Sistemas de Recuperación de Energía en Motores de Inducción de Rotor Devanado con Regulación de Velocidad,” Universidad Autónoma de Nuevo León, 2000. [3] http://www.authorstream.com/Presentation/nagendrababu9041-1738316-slip-powerrecovery/ [4] http://www.authorstream.com/Presentation/gurumoorthi2-1540224-elecrtical-drives-control/
