PLC: Automatismos industriales
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El documento describe diferentes métodos para variar la velocidad de motores eléctricos de corriente alterna de dos o tres velocidades, incluyendo el uso de dos bobinados independientes, la conexión Dahlander y variadores de frecuencia electrónicos. Se explican circuitos de potencia y mando para cada método y se proporcionan ejemplos de relaciones de velocidad que se pueden lograr.
PLC: Automatismos industriales
- 1. 1 AUTOMATISMOS INDUSTRIALES Tema 5 Automatismos para motores de 2 – 3 velocidades J. Temprado Tema 5, Automatismos para motores de 2-3 velocidades 2 Introducción „ En un motor de “jaula de ardilla”, la velocidad de sincronismo (ns) y la velocidad asíncrona (n), se obtiene como: „ f: frecuencia de red „ p: nº de pares de polos „ s: deslizamiento „ Para variar la velocidad se puede variar cualquiera de estos valores. ) s 1 ( p f . 60 n − = . m . p . r p f . 60 ns =
- 2. 2 J. Temprado Tema 5, Automatismos para motores de 2-3 velocidades 3 Variación de velocidad „ Nº de pares de polos „ Con distintos arrollamiento en el estator, se pueden obtener 3 ó 4 velocidades distintas y constantes. „ Solo se obtienen velocidades múltiplos de la frecuencia de red. „ Deslizamiento „ El deslizamiento depende de la resistencia rotórica. „ Al aumentar la R se aumenta s y por tanto se disminuye la velocidad, pero se pierde potencia. „ Solo es posible en motores de rotor bobinado. „ Frecuencia de red „ Se realiza con convertidores estáticos de frecuencia. „ Es posible una variación lineal en un amplio margen, independientemente de la carga del motor. J. Temprado Tema 5, Automatismos para motores de 2-3 velocidades 4 Motor de dos bobinados independientes „ Se instalan en las ranuras estatóricas dos devanados independientes y con diferente número de pares de polos.
- 3. 3 J. Temprado Tema 5, Automatismos para motores de 2-3 velocidades 5 Motor de dos bobinados independientes Circuito de potencia „ Leyenda QS1: Seccionador fusible vel. baja QS2: Seccionador fusible vel. alta K1M: Contactor velocidad baja K2M: Contactor velocidad alta FR1: Relé térmico vel. baja FR2: Relé térmico vel. alta M1: Motor trifásico J. Temprado Tema 5, Automatismos para motores de 2-3 velocidades 6 Motor de dos bobinados independientes Circuito de mando 1 „ Se puede arrancar a cualquier velocidad „ Para pasar una a otra es necesario pasar por paro „ Leyenda S3Q: Pulsador de Paro S4Q: Pulsador Marcha velocidad baja S5Q: Pulsador Marcha velocidad alta K1M: Contactor velocidad baja K2M: Contactor velocidad alta FR1: Relé térmico velocidad baja FR2: Relé térmico velocidad alta
- 4. 4 J. Temprado Tema 5, Automatismos para motores de 2-3 velocidades 7 Motor de dos bobinados independientes Circuito de mando 2 „ Se puede arrancar a cualquier velocidad „ Para pasar de velocidad baja a alta no hace falta pasar por paro „ Para pasar de velocidad alta a baja hace falta pasar por paro „ Lo que más daña el motor es girar a una velocidad superior a la de sincronismo „ Leyenda S3Q: Pulsador de Paro S4Q: Pulsador Marcha velocidad baja S5Q: Pulsador Marcha velocidad alta K1M: Contactor velocidad baja K2M: Contactor velocidad alta FR1: Relé térmico velocidad baja FR2: Relé térmico velocidad alta J. Temprado Tema 5, Automatismos para motores de 2-3 velocidades 8 Motor de dos bobinados independientes Circuito de mando 3 „ Leyenda S3Q: Pulsador de Paro S4Q: Pulsador Marcha velocidad baja S5Q: Pulsador Marcha velocidad alta K1M: Contactor velocidad baja K2M: Contactor velocidad alta K3A: Contactor auxiliar FR1: Relé térmico velocidad baja FR2: Relé térmico velocidad alta „ Arranque solo a velocidad baja „ Paso a velocidad alta manual „ Paso de velocidad alta a baja pasando por paro
- 5. 5 J. Temprado Tema 5, Automatismos para motores de 2-3 velocidades 9 Motor de dos bobinados independientes Circuito de mando 4 „ Leyenda S3Q: Pulsador de Paro S4Q: Pulsador Marcha velocidad baja S5Q: Pulsador Marcha velocidad alta K1M: Contactor velocidad baja K2M: Contactor velocidad alta K3A: Contactor auxiliar K4T: Contactor temporizado FR1: Relé térmico velocidad baja FR2: Relé térmico velocidad alta „ Selección de velocidad baja: arranque en baja y paso a alta manual „ Selección de velocidad alta: arranque en baja y paso a alta de forma automática „ Paso de velocidad alta a baja, pasando por paro J. Temprado Tema 5, Automatismos para motores de 2-3 velocidades 10 Motor de dos bobinados independientes con inversión de giro. Circuito de potencia „ Leyenda QS1: Seccionador fusible vel. baja QS2: Seccionador fusible vel. alta K1M: Contactor velocidad baja dcha. K2M: Contactor velocidad baja izq. K3M: Contactor velocidad alta dcha. K4M: Contactor velocidad alta izq. FR1: Relé térmico vel. baja FR2: Relé térmico vel. alta M1: Motor trifásico
- 6. 6 J. Temprado Tema 5, Automatismos para motores de 2-3 velocidades 11 Motor de dos bobinados independientes con inversión de giro. Circuito de mando „ Se puede arrancar a cualquier velocidad „ Solo permite el paso de velocidad baja a alta „ Para cambiar el sentido es necesario pasar por paro „ Leyenda S3Q: Pulsador de Paro S4Q: Pulsador Marcha vel. baja dcha. S5Q: Pulsador Marcha vel. baja izq. S6Q: Pulsador Marcha vel. alta dcha. S7Q: Pulsador Marcha vel. alta izq. K1M: Contactor velocidad baja K2M: Contactor velocidad alta K3M: Contactor velocidad alta dcha. K4M: Contactor velocidad alta izq. FR1: Relé térmico velocidad baja FR2: Relé térmico velocidad alta J. Temprado Tema 5, Automatismos para motores de 2-3 velocidades 12 Motor Dahlander (I) „ Motor de dos velocidades con un solo bobinado por fase, pero dividido en dos mitades iguales con una toma intermedia. „ Según la conexión que se realice en la placa de bornes, se crean p ó 2p pares de polos, y por tanto se obtiene dos velocidades con una relación 2:1.
- 7. 7 J. Temprado Tema 5, Automatismos para motores de 2-3 velocidades 13 Motor Dahlander (II) „ Conexión en serie para obtener 8 polos. „ Conexión en paralelo para obtener 4 polos. J. Temprado Tema 5, Automatismos para motores de 2-3 velocidades 14 Variantes en la conexión Dahlander „ ∆ - λλ (triángulo - doble estrella) „ Es el más utilizado „ El par es constante en las dos velocidades „ Si la placa de bornes lo permite (9 bornes), es posible un arranque λ-∆ a velocidad baja „ λλ - ∆ (doble estrella - triángulo) „ Se consigue una potencia constante en las dos velocidades „ λ - λλ (estrella - doble estrella) „ El par aumenta con n2 „ La potencia aumenta con n3 „ Se utiliza típicamente en ventiladores „ En todas las variantes la relación de velocidades es siempre 2:1
- 8. 8 J. Temprado Tema 5, Automatismos para motores de 2-3 velocidades 15 Motor Dahlander Circuito de potencia para conexión ∆ - λλ „ Leyenda QS1: Seccionador fusible vel. alta QS2: Seccionador fusible vel. baja K1M: Contactor velocidad baja triángulo K2M: Contactor velocidad alta K3M: Contactor estrella velocidad alta FR1: Relé térmico vel. alta FR2: Relé térmico vel. baja M1: Motor trifásico conexión Dahlander J. Temprado Tema 5, Automatismos para motores de 2-3 velocidades 16 Conexión Dahlander Circuito de mando „ Leyenda S3Q: Pulsador de Paro S4Q: Pulsador Marcha velocidad baja S5Q: Pulsador Marcha velocidad alta K1M: Contactor velocidad baja triángulo K2M: Contactor velocidad alta K3M: Contactor estrella velocidad alta FR1: Relé térmico velocidad alta FR2: Relé térmico velocidad baja „ Se puede arrancar a cualquier velocidad „ Se puede pasar de velocidad baja a alta y viceversa sin pasar por paro „ Mucho riesgo para el motor
- 9. 9 J. Temprado Tema 5, Automatismos para motores de 2-3 velocidades 17 Motor Dahlander con inversión de giro Circuito de potencia para conexión ∆ - λλ „ Leyenda QS1: Seccionador fusible vel. alta QS2: Seccionador fusible vel. baja K1M: Contactor velocidad baja dcha. K2M: Contactor velocidad alta dcha. K3M: Contactor estrella velocidad alta K4M: Contactor velocidad baja izq. K5M: Contactor velocidad alta izq. FR1: Relé térmico vel. alta FR2: Relé térmico vel. baja M1: Motor trifásico conexión Dahlander J. Temprado Tema 5, Automatismos para motores de 2-3 velocidades 18 Conexión Dahlander con inversión de giro Circuito de mando „ Se puede arrancar a cualquier velocidad „ Para cambiar de velocidad o de sentido es necesario pasar por paro „ Leyenda S3Q: Pulsador de Paro S4Q: Pulsador Marcha vel. baja dcha. S5Q: Pulsador Marcha vel. baja izq. S6Q: Pulsador Marcha vel. alta dcha. S7Q: Pulsador Marcha vel. alta izq. K1M: Contactor velocidad baja dcha. K2M: Contactor velocidad alta dcha. K3M: Contactor estrella velocidad alta K4M: Contactor velocidad baja izq. K5M: Contactor velocidad alta izq. FR1: Relé térmico velocidad alta FR2: Relé térmico velocidad baja
- 10. 10 J. Temprado Tema 5, Automatismos para motores de 2-3 velocidades 19 Motores de tres velocidades (I) „ Se pueden conseguir tres velocidades con tres arrollamientos separados. „ No es habitual. Solo si se necesita que no exista relación entre n1, n2 y n3. „ Lo más normal para conseguir tres velocidades, es un arrollamiento simple, más un arrollamiento en conexión Dahlanader. „ Existen tres posibilidades „ La conexión simple suele ir en estrella. Simple Dahlander II Dahlander I 3 Dahlander II Simple Dahlander I 2 Dahlander II Dahlander I Simple 1 Alta Media Baja J. Temprado Tema 5, Automatismos para motores de 2-3 velocidades 20 Motores de tres velocidades (II) „ La placa de bornes debe tener al menos 9 conexiones. „ Dos velocidades (conexión Dahlander) estarán en relación 2:1 „ Ejemplos „ 3000/1500/1000 rpm 2/4/6 pares de polos D2/D1/S „ 1500/1000/750 rpm 4/6/8 pares de polos D2/S/D1 „ 1500/1000/500 rpm 4/6/12 pares de polos S/D2/D1 „ Los circuitos de potencia y mando son combinaciones de los ya estudiados.
- 11. 11 J. Temprado Tema 5, Automatismos para motores de 2-3 velocidades 21 Variadores de velocidad electrónicos „ El el mejor método de variación de velocidad por: „ Se dispone de un control de velocidad continuo. „ El par del motor se mantiene aún en bajas velocidades. „ Se mantiene una alta eficacia en todo el rango de velocidades. „ Se pueden lograr velocidades superiores a la nominal, aunque a costa de pérdida de par. „ Variando la frecuencia de la red de alimentación, podemos obtener una familia completa de curvas (Par/Velocidad). J. Temprado Tema 5, Automatismos para motores de 2-3 velocidades 22 Diagrama de bloques „ Red trifásica de alimentación „ Filtro L-C de entrada „ Suprime cualquier Interferencia de Radio Frecuencia (IRF) „ Puente rectificador „ Utiliza un puente de 6 diodos o 3 diodos y 3 SCR „ Filtro de salida para CC „ Está formado por condensadores y choques de CC „ Circuito inversor „ Seis contactos electrónicos en configuración en puente de tres fases. „ Originalmente se utilizaban Rectificadores Controlados de Silicio (SCR), posteriormente Transistores Bipolares Darlington y en los últimos equipos Transistores Bipolares de Puerta Aislada (IGBT).
- 12. 12 J. Temprado Tema 5, Automatismos para motores de 2-3 velocidades 23 Circuito inversor con IGBT’s J. Temprado Tema 5, Automatismos para motores de 2-3 velocidades 24 Generación de forma de onda „ Inversor de onda Cuasi-Quadrada „ La simple generación con un ciclo de trabajo del 50% provoca gran cantidad de armónicos. „ Calentamiento excesivo de los bobinados del motor „ Ruido magnético en laminaciones y bobinados „ Inversor con modulación senoidal „ Se obtiene generando una señal con Modulación de Anchura de Impulsos (PWM). „ La corriente de salida se parece más a una onda senoidal „ Permite un ajuste más preciso de la tensión eficaz (RMS) „ Cuanto mayor sea la frecuencia de portadora, más se parecerá la salida a una señal senoidal. „ La frecuencia de portadora debe ser al menos 20 veces la frecuencia de salida y a la vez múltiplo de 3 X la frecuencia de salida para asegurar la simetría. „ Está limitada por la frecuencia de conmutación de los dispositivos
- 13. 13 J. Temprado Tema 5, Automatismos para motores de 2-3 velocidades 25 Principio de modulación senoidal J. Temprado Tema 5, Automatismos para motores de 2-3 velocidades 26 Clasificación de los variadores VARIADORES DE GAMA BAJA VARIADORES DE GAMA MEDIA VARIADORES DE GAMA ALTA No incorporan filtros de RFI (EMC) ni bobinas de choque Los filtros de RFI y las bobinas de choque son opcionales Equipado con filtros a la entrada. Bobinas de choque a la entrada y salida. Grado de protección IP00 o IP21 Grado de protección IP21 Grado de protección IP54. Temperatura de trabajo 40ºC Temperatura de trabajo 40ºC Temperatura de trabajo 50ºC. Display de segmentos (numérico). Display alfanumérico Display alfanumérico extraíble con protección IP54. Dispone de menos de 4 entradas digitales y menos de 2 salidas digitales. Dispone entre 4 y 7 entradas y 2 ó 3 salidas digitales Mínimo de 7 entradas y 3 salidas digitales. No incorpora comunicación serie Incorpora comunicación serie, pero dispone de pocos protocolos de comunicación. Incorpora comunicación serie con numerosos protocolos de comunicación. PID interno Control escalar Selección de control vectorial o control escalar Frecuencia de conmutación 2 a 16Khz. Suministro de 250% de par a velocidad cero. Se suelen instalar en aplicaciones sencillas, tales como cintas transportadoras y ventiladores donde la consigna se establece por teclado o potenciómetro. Pueden incorporar macros de aplicaciones PLC incorporado para desarrollar con el propio variador cualquier aplicación deseada o configurar un variador a su medida. Puede disponer de temporizadores, varios PID, puertas lógicas, contadores, generadores de pulsos, osciladores, funciones de transferencia, tablas, funciones aritméticas, etc.