Teoría y diseño óptimo con la tecnología de arrancadores suaves de motores de inducción

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.

Más recientemente se comenzó el uso de convertidores de tiristor con control de fase para el diseño de arrancadores sin contactor, pero desafortunadamente no cumplen todas las demandas y condiciones de un arrancador suave ideal. Su principal desventaja es su bajo par debido al voltaje del estator reducido en el resultado del control del tiristor. Esto hace a los arrancadores inaplicables para arrancar motores cargados.

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.