Una enorme cantidad de
accionamientos de motores de inducción en todo el mundo se usan en modos de
operación arranque-parada y modo frenado. Tienen que cumplir especificaciones
de serie, incluyendo el cumplimiento de procesos tecnológicos altamente
productivos y alta fiabilidad de los motores de inducción. Conocido es que el
arranque de los motores de inducción origina algunos problemas: elevación de
corriente, pulsación y oscilación del par instantáneo, bajo par estacionario,
etc. Para superar la ocurrencia de transitorios severos ocurridos durante el
denominado arranque duro se han hecho diferentes intentos para diseñar
arrancadores suaves para los motores de inducción. El análisis debe descubrir
la naturaleza de los transitorios, explicar las raíces físicas de las
desventajas de los arrancadores duros y mostrar la forma del diseño óptimo.
Hasta ahora la teoría de máquinas AC de dos fases equivalentes (a veces
equivocadamente llamada teoría del eje d-q) es popular para el análisis IM.
Esta teoría, sin embargo, no proporciona una solución analítica adecuada de
transitorios, y en caso de los de fase de tiristor controlada falla
completamente. Hace unos años una nueva teoría basada en los vectores de
espiral se desarrollaron por S. Yamamura, y se ha consolidado como una
herramienta más poderosa y exacta.
Una de las nuevas aproximaciones
es el uso del llamado control de cuasi-frecuencia y combinado del arrancador
del tiristor cuando el convertidor consiste solamente en seis tiristores. Las
desventajas principales de este sistema son el proceso de arranque paso a paso
la pulsación del par. Se recomienda usar cicloconvertidores de tiristor para
motores de inducción de alta potencia de arranque suave. Pero es expansivo y no
tan fiable en comparación con el arrancado de motor de inducción de devanado de
fase.
Clasificación y análisis
Hay muchas
transmisiones de motores de propósito general, donde los motores de inducción
operan libres de mantenimiento y con deberes intermitentes con intervalos
cortos de arranque y largos periodos de funcionamiento a velocidad nominal y
suministro directo. Para estos modos de operación pueden usarse muchos tipos de
arrancadores directos e indirectos. Para estos modos de operación pueden usarse
muchos tipos de arrancadores directos o indirectos.
Los
arrancadores directos (ej. contactores magnéticos) se aplican usualmente para
el funcionamiento de motores de pequeña potencia, mientras que los indirectos
están previstos para sistemas de potencias medias y altas (por encima de 10
kW). La clasificación de los sistemas de arrancadores indirectos podemos verla
en la figura con la que abrimos este artículo. El arranque indirecto de los
motores inductivos depende del tipo de motor: tales como los de jaula de
ardilla (SCIM), devanado de fase (PWIM) y con construcción de rotor especial
(SCR).
Todos los
tipos de arrancadores pueden subdividirse en dos grupos: tipo con contacto y
sin contacto. Los más antiguos no son fiables ni efectivos. Sin embargo, en el
caso de las transmisiones PWIM hay dos grupos de contactos: anillas deslizantes
del rotor y contactores de arranque. Los tipos sin contacto tienen más
perspectiva y se basan en elementos no lineales (semiconductores y reactores de
potencia), o en procesos electromagnéticos no lineales (efecto piel y
corrientes parásitas). Entre los arrancadores de este grupo son preferibles las
variantes de semiconductores. Usualmente se basan en convertidores de
tiristores de bajo coste y fiables. Hasta el presente los convertidores de
tiristores para regulación del voltaje del estator (STR) se fabrican en muchos
países por arrancadores sin contactor pero desafortunadamente no son efectivos,
ya que tienen un par de arranque muy pequeño, pérdidas de potencia de deslizamiento
muy grandes y pulsación del par instantáneo. Algunas desventajas de los
arrancadores SVR pueden ser eliminados por el uso de arrancadores controlados
de cuasi-frecuencia (QFCS) o arrancadores de frecuencia controlada (FCS). En el
caso de PWIN la cascada de frecuencia del rotor es la solución más común para
altas transmisiones del motor de alta potencia.
Los
arrancadores en la base de la electrónica de potencia, DSP y MC están
relacionados con la clase inteligente y proporcionan motores inductivos de
arranque suave bajo carga.
Los
arrancadores en una construcción de rotor especial pueden estar relacionados en
el grupo del hierro, caracterizados por muy alta fiabilidad.
Para
conseguir el rendimiento de los arrancadores de los motores inductivos necesitamos
analizar los transitorios del arranque de los motores inductivos, usando
modelos matemáticos adecuados de los sistemas del arrancador del motor
inductivo. Un método de análisis depende del tipo de arrancador.
Cuando la
potencia de salida del motor de inducción no es alto (menos de 100 kW) el
convertidor de 6 tiristores es más popular.
Después de
la terminación del filtro de salida de arranque del motor de inducción, puede
ser conmutado o usado para corrección del factor de potencia de la transmisión
del motor de inducción. Durante el proceso de arranque la frecuencia del
voltaje del estator f1 cambia abruptamente de acuerdo con la ecuación f1=
f/(3k+1), donde f es la frecuencia y k es un integrador.
Podemos
extraer las siguientes conclusiones: con los arrancadores del tiristor los
transitorios causados por cambio abrupto de frecuencia es el más severo y su
supresión efectiva puede alcanzarse por medio del algoritmo de disparo del
tiristor apropiado y por el análisis de transitorios preliminar detallado.
El análisis
transitorio del arrancador del tiristor – sistema de motor de inducción está
caracterizado por condiciones iniciales no cero, corrientes no sinusoidales y
voltajes en variación de velocidad de rotor. Todo esto hace el análisis teórico
muy complicado y factible sólo en las dos siguientes asunciones:
·
Altos armónicos de voltaje y las corrientes son
despreciadas.
·
La velocidad del rotor es constante durante
todos los transitorios electromagnéticos.
Diseño óptimo de arrancadores suaves inteligentes
El control
inteligente (IC) del proceso de arranque de un motor de inducción es una nueva
etapa en los equipos industriales automáticos. El conocido como IC es una
estrategias más efectiva para los sistemas con modelos no lineales o imprecisos
que el arrancador blando de tiristores (TSS). Por otra parte en los
arrancadores suaves de alto rendimiento para accionamientos de motores de
inducción para propósito general es todavía un problema existente que atrae la
atención para decidir las siguientes cuestiones y demandas:
- Formación de par interno sin choque y actuación uniforme.
- Eliminación de pulsación y oscilación del par instantáneo.
- Restricciones de la corriente de arranque del motor de inducción dentro del nivel del valor nominal.
- Formación para parada alta (por encima del valor nominal).
- Ahorro energético, corrección del factor de potencia y CEM.
- Control sin contactos, sin sensores y completamente automático.
- Alta fiabilidad y bajo coste.
Un convertidor
directo con un pequeño número de tiristores es comúnmente usado ahora para el
diseño de arrancador sin contacto, pero no cumple enteramente las
especificaciones del arrancador suave. Las investigaciones previas y análisis
del sistema TSS-IM han dado como resultado el desarrollo de nuevos métodos combinados
y algoritmos de disparo del tiristor. Pero al mismo tiempo queda por solventar
problemas para la implementación del sistema de control.
El estudio
del proceso de arranque del motor de inducción incluye la elección de las
condiciones de arranque de máxima eficiencia y diseño de un controlador de
lógica fuzzy en tiempo real para sistema TSS-IM de alto rendimiento.
El
rendimiento del controlador de lógica fuzzy es evaluado observándolo cerca que
están los voltajes de alimentación trifásica y algoritmo elegido de de disparo
del tiristor acopla la formación óptima de los voltajes y frecuencias del
estator durante todo el proceso de arranque suave.
Bibliografía
- Theory and optimal design of induction motor soft starters. V. Chrisanov. 2002 Taipalsaari Summer Seminar.
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