UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA JOS SIMEN CAAS

CONTROL Y PROTECCIN DE MOTORES DE INDUCCIN EN REA DE MOLINOS DE UN INGENIO AZUCARERO

TRABAJO DE GRADUACIN PREPARADO PARA LA

FACULTAD DE INGENIERA Y ARQUITECTURA

PARA OPTAR POR EL GRADO DE

INGENIERO ELECTRICISTA

POR

VLADIMIR INGMAR IVN ARVALO MILLA JOS ROBERTO ESTVEZ SALAS DAVID ALEXANDER MEJA RODRIGUEZOCTUBRE 2005 SAN SALVADOR, EL SALVADOR, C.A.

RECTOR JOSE MARIA TOJEIRA, S.J.

SECRETARIO GENERAL RENE ALBERTO ZELAYA

DECANO DE LA FACULTAD DE INGENIERA Y ARQUITECTURA CELINA PEREZ RIVERA

COORDINADOR DE LA CARRERA DE INGENIERIA ELCTRICA OSCAR ANTONIO VALENCIA MONTERROSA

DIRECTOR DEL TRABAJO HECTOR POMPILIO ESCOBAR AMAYA

LECTOR JORGE FRANCISCO MEJIA ZETINO

RESUMEN EJECUTIVO

El presente trabajo es desarrollado en once captulos, donde se aborda el estudio sobre el control y proteccin de los motores de induccin, ubicados en los molinos del ingenio azucarero. Las reas de estudio que comprende son: el proceso de produccin de azcar en el rea de molinos y el funcionamiento de motores de induccin controlados por variadores de frecuencia de media tensin. Primero se recaba la informacin del proceso que se desarrolla en el rea de molinos y los elementos integrados a sta. Despus el estudio se enfoca con mayor profundidad en el papel que desempean en el proceso, los motores de induccin y los variadores de frecuencia. As, una vez conocido el proceso y sus

elementos, se procede finalmente a la investigacin de la lgica de control y proteccin que necesita dicho proceso.

En el captulo uno se hace una descripcin general del proceso de modernizacin que se realiza en el rea de los molinos, donde se explica porqu sta puede mejorar el nivel de calidad de la produccin, al utilizar motores elctricos de induccin trifsicos en vez de turbinas de vapor, para accionar los molinos que se encargan de hacer la extraccin de jugo de caa de la azcar.

En el captulo dos se desarrolla un estudio de la teora bsica de dos componentes fundamentales en el proceso en el rea de molinos, los cuales son el motor de induccin trifsico y el variador de frecuencia. En la teora del motor se explican los conceptos bsicos de su funcionamiento. Luego se aborda la teora del variador de frecuencia, en la cual se explica su funcionamiento y cmo realiza el control de la velocidad del motor.

En el captulo tres se explica cual es la funcionalidad de los elementos principales ubicados en el rea de patios y molinos, para poder entender como se hace el proceso de preparacin realizado en el rea de patios y el proceso de extraccin de jugo de caa hecho en el rea de molinos. Conociendo como se hacen ambos procesos, se procede a explicar en el captulo 4, la manera de hacer el control de stos. Tambin se hace una descripcin del

v

funcionamiento de los sensores ocupados para el control del proceso y cual es la manera de integrarlos a ste.

El captulo cinco se hace una descripcin de las especificaciones de los motores de media tensin utilizados en los molinos. Para poder identificar los rangos permisibles para el ajuste de parmetros en la programacin del variador.

A continuacin, en el captulo seis se realiza la introduccin al variador de frecuencia de media tensin, por lo que se hace una descripcin de su estructura fsica con el objetivo de identificar claramente sus elementos. Adems, se explica cual es su funcionalidad en el proceso que desarrolla el variador. El estudio se divide en dos reas, una enfocada a la parte que realiza el control, y otra a los elementos de potencia.

En el captulo siete se realiza la descripcin de las entradas y salidas del variador de media tensin. Siendo por medio de stas que el variador interacta con los dispositivos

perifricos. Las entradas y salidas tienen una funcin predeterminada, y se encuentran relacionadas a un rea en particular. As, segn su funcionalidad se ha agrupado su estudio en reas especficas de accin. Siendo estas reas de accin: la alimentacin de media tensin, la velocidad, la temperatura, la operacin y el proceso.

En el captulo ocho se detalla cmo realizar el ajuste de los parmetros de programacin del variador, los cuales determinan el comportamiento de ste. Para esto, primero se realiza una descripcin de cada parmetro, para despus comprender la integracin de stos en el control de velocidad que se desee tener, as como en la actuacin de las protecciones para el motor, el proceso y el variador mismo. La modificacin del valor de los parmetros, se hace a travs de un interfaz de usuario, la cual es abordada en el captulo nueve. Donde se explican los procedimientos a desarrollar en la interfaz para modificar los parmetros.

Las protecciones con que cuenta el proceso en el rea de molinos, se detallan en el captulo diez, donde se explican cuales son los tipos de protecciones que existen, el funcionamiento

vi

de stas y condiciones bajo la cuales pueden actuar o no. Adems se describen todos los diagramas de protecciones correspondientes a cada molino y elevador.

En el captulo once, se ha desarrollado una gua de mantenimiento preventivo, en el cual se encuentran detalladas la actividades que de forma peridica se deben realizar para mantener trabajando el variador en condiciones ptimas de funcionamiento y para reducir las

posibilidades de ocurrencias de fallas; es decir, prolongar el tiempo de vida til del equipo.

vii

viii

NDICE

Siglas. xxi Abreviatura...xxi Simbologa..xxiii Unidades de medida.....xiv Prlogo......xv

CAPTULO 1. GENERALIDADES...1

CAPTULO 2. TEORA BSICA 2.1. Teora bsica de motores trifsicos de corriente alterna (AC).5 2.1.1. Aplicacin de los motores trifsicos AC...5 2.1.2. Construccin de los motores trifsicos AC...6 2.1.3. Campo magntico rotatorio...8 2.1.4. Giro del rotor...12 2.1.5. Especificaciones de un motor..........................................16 2.2. Teora bsica de variadores de velocidad.22 2.2.1. Aplicacin de la variacin de velocidad de un motor.........22 2.2.2. Variables del motor relacionadas con el control de velocidad..23 2.2.3. Funcionamiento bsico del variador28 2.2.4. Conceptos bsicos de semiconductores...29 2.2.5. Rectificador.........35 2.2.6. Inversor36 2.2.7. Control escalar... .38 2.2.8. Control vectorial..........................40 CAPTULO 3. DESCRIPCIN GENERAL DEL PROCESO EN EL REA DE PATIOS Y MOLINOS 3.1. Elementos del rea de patios..45 3.2. Proceso de preparacin...........................51 3.3. Elementos en el rea de molinos52 3.4. Proceso de extraccin de jugo y obtencin de bagazo.......57 CAPTULO 4. CONTROL DEL PROCESO EN EL REA DE PATIOS Y MOLINOS 4.1. Control en el rea de patios....................... 4.1.1. Lazo de control de la banda de hule....................... 4.1.2. Lazo de control de la banda transportadora 3. 4.1.3. Lazo de control de la banda transportadora 2. 4.1.4. Lazo de control de la banda transportadora 1. ix

61 67 68 76 78

4.1.5. Lazo de control de las mesas alimentadoras....................... 4.1.6. Lazo general del rea de patios... 4.2. Control en el rea de molinos. 4.2.1. Variables de medicin. 4.2.2. Lazo de control de molinos.

79 80 82 82 85

CAPTULO 5. DESCRIPCIN DE LOS MOTORES DE MEDIA TENSIN 5.1. Generalidades. 91 5.2. Motores utilizados en los molinos.. 92 5.3. Datos elctricos de los motores de media tensin.............................................. 93 5.3.1. Voltaje nominal... 93 5.3.2. Potencia... 93 5.3.3. Velocidad. 94 5.3.4. Corriente.......... 95 5.3.5. Aislamiento trmico de los bobinados.... 100 5.4. Elementos externos en los motores de media tensin.... 101 CAPTULO 6. DESCRIPCIN DEL VARIADOR DE MEDIA TENSIN 6.1. Introduccin.................... 6.2. Estructura del variador... 6.3. rea de potencia. 6.3.1. Primer gabinete.................... 6.3.2. Segundo gabinete. 6.3.3. Tercer gabinete 6.3.4. Cuarto Gabinete... 6.4. rea de control. 6.4.1. Segundo gabinete.... CAPTULO 7. ENTRADAS Y SALIDAS DEL VARIADOR 7.1. Introduccin 7.2. Alimentacin de mediana tensin... 7.2.1. Interruptor de aislamiento 7.2.2. Contactor de entrada 7.3. Temperatura 7.3.1. Temperatura en el motor. 7.3.2. Temperatura en reactor de lnea y enlace DC. 7.4. Velocidad 7.4.1. Sistema de referencia local.. 7.4.2. Sistema de referencia remota.. 7.4.3. Seleccin del sistema de referencia 7.4.4. Medicin de la velocidad del motor 7.5. Operacin... 7.5.1. Paneles de control 7.5.2. Funcin botoneras... 7.5.3. Luces indicadoras 7.6. Proceso... 7.6.1. Entrada x

105 106 109 109 112 118 121 123 123

127 128 130 133 137 138 141 142 143 145 146 148 151 151 152 157 159 160

7.6.2.

Salida... 161

CAPTULO 8: PARMETROS DEL VARIADOR DE MEDIA TENSIN 8.1. Descripcin general 8.1.1. Interpretacin de los bits de codificacin 8.1.2. Interpretacin de la asignacin de la clase de falla. 8.2. Parmetros de velocidad. 8.2.1. Referencia de velocidad.. 8.2.2. Condicionantes de la seal de referencia 8.2.3. Rampa de velocidad 8.3. Parmetros de protecciones 8.3.1. Parmetros de proteccin del motor 8.3.2. Parmetros de Proteccin de Lnea. 8.3.3. Proceso. CAPTULO 9. USO DE LA INTERFAZ DE USUARIO (PANELVIEW) 9.1. Partes principales de la interfaz.. 9.1.1. Teclas de funcin (teclas suaves) 9.1.2. Teclas del apuntador (Seleccin) 9.1.3. Teclas de entrada de datos.. 9.1.4. Pantalla.................... 9.2. Modificar la operacin de la interfaz.. 9.2.1. Cambio del tiempo de retardo de la lmpara trasera... 9.2.2. Cambio del contraste................... 9.2.3. Ajustar el reloj y el calendario. 9.2.4. Definir los medidores que sern desplegados en el men de nivel tope... 9.3. Seleccionar y modificar un nivel de acceso....... 9.4. Seleccin de un parmetro. 9.4.1. Seleccin a travs de grupos... 9.4.2. Seleccin a travs de nombres 9.4.3. Seleccin a travs de cdigo... 9.5. Modificacin de parmetros.. 9.5.1. Valor Numrico.. 9.5.2. Valor enumerado CAPTULO 10. PROTECCIONES DEL PROCESO EN EL REA DE MOLINOS 10.1. Tipos de protecciones en el rea de molinos. 10.2. Funcionamiento de las protecciones en el rea de molinos... 10.3. Sistema general de protecciones en rea de molinos. 10.3.1. Esquema de proteccin de molinos 10.3.2. Esquema de proteccin de elevadores....

163 165 168 170 170 182 187 198 199 208 215

220 220 222 222 222 224 225 226 226 228 231 234 234 235 236 240 240 242

245 252 257 258 262

xi

CAPTULO 11. MANTENIMIENTO PREVENTIVO DEL VARIADOR DE MEDIA TENSIN 11.1. Mantenimiento con media tensin.. 11.1.1. Mantenimiento del sistema de enfriamiento 11.2. Mantenimiento sin media tensin... 11.2.1. Prueba de la resistencia de los semiconductores SGCT.. 11.2.2. Prueba disparo de los semiconductores... 11.2.3. Prueba del circuito Snubber. 11.2.4. Chequeo fsico 269 270 274 274 276 279 282

CAPTULO 12. CONCLUSIONES.......... 287 CAPTULO 13. RECOMENDACIONES. 289

Glosario. 291 Referencias.. 294 Bibliografa. 295

xii

NDICE DE FIGURAS

CAPTULO 2. TEORA BSICA Figura 2.1. Figura 2.2. Figura 2.3. Figura 2.4. Figura 2.5. Figura 2.6. Figura 2.7. Figura 2.8. Figura 2.9. Figura 2.10. Motor elctrico AC como parte de una aplicacin........ Clasificacin de los motores AC Estator y rotor........ Motor asncrono y sncrono... Rotor devanado.............. Rotor Jaula de Ardilla Fuerzas magnticas Ubicacin de los devanados del estator............. Anlisis de los instantes de las corrientes trifsicas... Lneas de flujo magntico producidas por la corriente en los devanados........... Figura 2.11. Figura 2.12. Figura 2.13. Figura 2.14. Figura 2.15. Figura 2.16. Figura 2.17. Figura 2.18. Figura 2.19. Figura 2.20. Figura 2.21. Figura 2.22. Figura 2.23. Figura 2.24. Figura 2.25. Figura 2.26. Figura 2.27. Giro del campo magntico del estator........ Giro del rotor.. Acople del motor a alguna carga mecnica... Fuerzas ejercidas sobre el estator........................................................... Curva torque/corriente contra velocidad Eficiencia del motor... Tringulo de potencia. Clases de aislamiento trmico de los bobinados............ Distintas aplicaciones de los variadores en la industria. Circuito equivalente del motor... Regin de torque y potencia constante.. Diagrama bsico del variador de frecuencia.. Diodo.. Funcionamiento del diodo.. Tiristor Funcionamiento del tiristor........ GTO 11 11 13 13 14 16 18 19 21 22 23 27 28 30 30 31 31 32 5 6 6 7 8 8 9 10 10

xiii

Figura 2.28. Figura 2.29. Figura 2.30. Figura 2.31. Figura 2.32. Figura 2.33. Figura 2.34. Figura 2.35. Figura 2.36. Figura 2.37. Figura 2.38. Figura 2.39. Figura 2.40. Figura 2.41. Figura 2.42.

Circuito bsico GTO...... Grficas GTO. Fotografa de un SGCT.. Circuito bsico con SGCT..... Comportamiento del SGCT........... Funcin del rectificador..... Rectificador trifsico...... Funcin del inversor....... Inversor trifsico.... Seal PWM.... Reconstruccin de seal de pulsos a senoidal Regin de torque constante.... Diagrama de un variador con control escalar............. Rotacin del campo magntico en el rotor. Diagrama de un variador con control vectorial..

32 33 33 34 34 35 36 36 37 37 38 39 39 40 42

CAPTULO 3. DESCRIPCIN GENERAL DEL PROCESO EN EL REA DE PATIOS Y MOLINOS Figura 3.1. Figura 3.2. Figura 3.3. Figura 3.4. Figura 3.5. Figura 3.6. Figura 3.7 Figura 3.8. Figura 3.9. Figura 3.10. Figura 3.11. Figura 3.12. Esquema general del rea de patios.... Partes principales de las mesas alimentadoras... Rompe Rollos. Cadenas de Arrastre... Banda Transportadora Picadora.. Niveladora.. Gra Hidrulica y Mesas Alimentadoras... Esquema general del rea de molinos Mazas. Reductor de Media. Reductores de baja. 45 46 47 47 49 50 51 52 52 53 54 54

xiv

Figura 3.13. Figura 3.14. Figura 3.15. Figura 3.16. Figura 3.17.

Representacin general de los molinos.. Sistema turbina mazas y sistema motor mazas Elevadores.. Conduccin de jugo haca la fbrica. Proceso de maceracin.

55 56 57 59 59

CAPTULO 4. CONTROL DEL PROCESO EN EL REA DE PATIOS Y MOLINOS Figura 4.1. Figura 4.2. Figura 4.3. Figura 4.4. Figura 4.5. Figura 4.6. Sensores Capacitivos.. Ubicacin de los sensores capacitivos... Nivel del Donelly... Estados de los sensores capacitivos... Convertidor de nivel.. Estados de los sensores ubicados a un 25% y 50% del nivel del donelly.......... Figura 4.7. Figura 4.8. Figura 4.9. Figura 4.10. Figura 4.11. Figura 4.12. Figura 4.13. Figura 4.14. Figura 4.15. Figura 4.16. Figura 4.17. Figura 4.18. Figura 4.19. Figura 4.20. Figura 4.21. Esquema de control de Banda de Hule... Aumento de velocidades en el rea de patios. Funcin de eficiencia de picadora 3... Esquema de control de la banda transportadora 3. Comparacin de funciones de eficiencia.. Misma salida para diferentes lazos de control... Esquema de elementos actuadores de banda transportadora 3.. Elementos actuadores de banda transportadora 3.. Esquema de control de banda transportadora 2.. Esquema de control de banda transportadora 1.. Esquema de control de mesas alimentadoras. Esquema completo de protecciones en rea de patios Nivel de flotacin de las mazas.. Sensor inductivo. Desplazamiento de imn permanente sobre bobina... 66 67 68 70 72 73 72 75 76 77 78 79 81 82 83 84 62 63 64 64 65

xv

Figura 4.22. Figura 4.23. Figura 4.24. Figura 4.25. Figura 4.26. Figura 4.27. Figura 4.28.

Flotacin de la maza superior. Comparacin entre flotacin izquierda y derecha.. Correccin de valor de flotacin Sumar valores de nivel de flotacin corregido y nivel del donelly Esquema general de control de rea de molinos Esquema de control de rea de molinos con elementos actuadotes... Ejemplo de funcionamiento del lazo de control.

85 86 87 88 88 89 90

CAPTULO 5. DESCRIPCIN DE LOS MOTORES DE MEDIA TENSIN Figura 5.1. Figura 5.2. Figura 5.3. Figura 5.4. Figura 5.5. Figura 5.6. Figura 5.7. Figura 5.8. Figura 5.9. Figura 5.10. Partes del Motor... Motores Utilizados en los Molinos.. Curvas de potencia del motor... Curva Potencia Corriente. Curvas de eficiencia con potencia Curvas de factor de potencia contra potencia de salida... Corriente en la Bobina. Partes externas del motor. Vista interior de terminales de alimentacin Ubicacin de RTDs y Space Heaters. 91 92 94 95 97 98 100 101 102 103

CAPTULO 6. DESCRIPCIN DEL VARIADOR DE MEDIA TENSIN Figura 6.1. Figura 6.2. Figura 6.3. Figura 6.4. Figura 6.5. Figura 6.6. Figura 6.7. Figura 6.8. Estructura de bloques del variador... Vista frontal del variador.. Vista de planta del variador.......... Filtro RC... Gabinete 1... Circuito supresor de transientes... Filtro de capacitores del motor. Medicin de corriente... 106 108 109 110 111 113 114 114

xvi

Figura 6.9. Figura 6.10. Figura 6.11. Figura 6.12. Figura 6.13. Figura 6.14. Figura 6.15. Figura 6.16. Figura 6.17.

Medicin de voltaje.. Segundo Gabinete (parte trasera)......................................................... Powercage SGCT y circuito Snubber. Tercer gabinete. Flujo de aire para los gabinetes 3 y 4... Diagrama de conexin del ventilador... rea de control. Segundo Gabinete(control)..

116 117 118 119 120 121 122 123 126

CAPTULO 7. ENTRADAS Y SALIDAS DEL VARIADOR Figura 7.1. Figura 7.2. Figura 7.3. Figura 7.4. Figura 7.5. Figura 7.6. Figura 7.7. Figura 7.8. Figura 7.9. Figura 7.10. Figura 7.11. Figura 7.12. Figura 7.13. Figura 7.14. Figura 7.15. Figura 7.16. Figura 7.17. Figura 7.18. Figura 7.19. Esquema de alimentacin de media tensin. Diagrama general de la alimentacin de mediana tensin... Cierre del interruptor de aislamiento Apertura del interruptor de aislamiento... Estado del interruptor de aislamiento... Activacin del DIC... Activacin del contactor de entrada. Estado del contactor de entrada... Esquema general de la medicin de temperatura del motor TECSYSTEM NT538. RTD Pt 100.......... Proteccin trmica del motor... Proteccin trmica en reactor de lnea. Proteccin trmica del enlace DC Sistemas de control de velocidad. Elementos del control local de velocidad......... Referencia local de velocidad.......... Referencia remota de velocidad... Entrada de seleccin de sistema de referencia de velocidad 128 129 130 131 134 135 136 137 138 139 140 140 141 142 142 143 144 145 146

xvii

Figura 7.20. Figura 7.21. Figura 7.22. Figura 7.23. Figura 7.24. Figura 7.25. Figura 7.26. Figura 7.27. Figura 7.28. Figura 7.29. Figura 7.30. Figura 7.31. Figura 7.32. Figura 7.33.

Seleccin de la referencia de velocidad... Esquema del encoger Seales de salida del encoger... Ubicacin del encoger.. Conexin del encoder al variador. Panel de control A Panel de control B Entrada de paro normal Entrada para arranque del motor.. Entradas para JOG REVERSE y JOG FORWARD. Luces indicadoras del panel A. Elementos perifricos del molino 6.. Entrada INPUT PROTECTION... Salida RUN..

147 148 149 149 150 151 152 153 154 156 158 159 160 161

CAPTULO 8. PARMETROS DEL VARIADOR DE MEDIA TENSIN Figura 8.1. Descripcin del parmetro... Figura 8.2. Bit de codificacin... Figura 8.3. Ejemplo de parmetro con asignacin de falla. Figura 8.4. Bloque de entrada de referencia remota analgica... Figura 8.5. Bloque de entrada de referencia digital Figura 8.6. Seleccin de la referencia remota de velocidad... Figura 8.7. Bloque de referencia local mediante potencimetros.. Figura 8.8. Seleccin de referencia de velocidad local.. Figura 8.9. Seleccin de la referencia de control de velocidad.. Figura 8.10. Lmites para el comando de velocidad. Figura 8.11. Bloque de estabilizacin del comando de velocidad........ Figura 8.12. Rampa de velocidad (segmento).. Figura 8.13. Esquema de la rampa de velocidad total.. Figura 8.14. Rampa de velocidad de la zona de aceleracin 164 166 168 172 174 176 178 180 181 183 187 188 189 194

xviii

Figura 8.15. Rampa de velocidad en la zona de desaceleracin... Figura 8.16. Parmetro de proteccin contra corriente de cortocircuito.. Figura 8.17. Parmetro de proteccin contra corriente de sobrecarga. Figura 8.18. Falla de sobrevoltajes... Figura 8.19. Parmetro de proteccin de sobrevoltaje. Figura 8.20. Parmetro de proteccin de sobrevelocidad del Motor Figura 8.21. Parmetro de proteccin de desbalance de fases...... Figura 8.22. Parmetro de proteccin de corriente de cortocircuito de lnea... Figura 8.23. Parmetro de proteccin de sobrevoltaje de lnea Figura 8.24. Parmetro de proteccin de bajo voltaje de lnea. Figura 8.25. Proteccin contra desvalances de fases de lnea...... Figura 8.26. Elementos perifricos del molino 6.. Figura 8.27. Entrada INPUT PROTECTION...

197 200 202 203 204 206 208 210 211 213 214 215 216

CAPTULO 9. USO DE LA INTERFAZ DE USUARIO (PANELVIEW) Figura 9.1. Figura 9.2. Figura 9.3. Figura 9.4. Figura 9.5. Figura 9.6. Figura 9.7. Figura 9.8. Figura 9.9. Figura 9.10. Figura 9.11. Figura 9.12. Figura 9.13. Figura 9.14. Figura 9.15. Interfaz de usuario Partes de la interfaz de usuario. Teclas suaves Accesando a las teclas suaves a travs de las teclas de funcin... Componentes de una pantalla... Men nivel tope Pantalla Utility.. Cambio del retardo de la lmpara Cambio de contraste Cambio de hora Cambio de la fecha... Pantalla de medidores (Meters) Medidor V Line Edicin de texto Edicin completa.. 219 220 221 221 223 224 225 226 226 227 228 228 229 229 230

xix

Figura 9.16. Figura 9.17. Figura 9.18. Figura 9.19. Figura 9.20. Figura 9.21. Figura 9.22. Figura 9.23. Figura 9.24. Figura 9.25. Figura 9.26. Figura 9.27. Figura 9.28. Figura 9.29. Figura 9.30. Figura 9.31. Figura 9.32. Figura 9.33. Figura 9.34. Figura 9.35. Figura 9.36. Figura 9.37. Figura 9.38. Figura 9.39. Figura 9.40.

Medidor del nivel tope modificado.. Pantalla de acceso Introduccin de PIN............ Nuevo nivel de acceso. Cambio de password (Password Change) Cambio de password completado (Password Change)............ Seleccionando un grupo (Select Group).. Seleccionando el miembro de un grupo (Select: Motor Ratings) Seleccionando a travs de letras (Paso 1) (Select Letter) Seleccionando el Nombre a travs de la lista (Paso 2) (Select List) Seleccionando a travs del cdigo (Paso 1) (Select Code).. Cdigo de etiqueta valido. Cdigo de etiqueta invlido.. Pantalla Setup... Grupos de parmetros... Pantalla Select Letter Pantalla Select Code. Pantalla Modify Parameter... Parmetro modificado.. Datos de pantalla Modify Parameter Modificar valor numrico. Modificar valores enumerados. Lista de opciones visualizada en una sola pgina Lista de opciones visualizada en mltiples pginas. Modificacin completa.

230 231 232 232 233 233 234 235 235 236 236 237 237 238 238 238 239 239 240 241 241 242 243 243 243

CAPTULO 10. PROTECCIONES DEL PROCESO EN EL REA DE MOLINOS Figura 10.1. Figura 10.2. Figura 10.3. Seal disparo de elevador 6 a elevador 5... Maneta de elevador Seal de disparo de elevador 6 a variador de frecuencia de 6 246 246 247

xx

Figura 10.4. Figura 10.5. Figura 10.6.

Maneta de motor de molino... Seal de disparo de variador de molino 6 a elevador 5. Seal de disparo de variador de molino 7 a variador de molino 6.

248 249

250

Figura 10.7.

Seales de disparo con manetas funcionando en proteccin automtica (AP). 251

Figura 10.8.

Esquema de protecciones de elevador 5, con maneta de elevador 5 en AP 253 253

Figura 10.9. Figura 10.10.

Energizacin de bobina EM5, con manetas en AP Esquema de protecciones de elevador 5, con maneta de elevador 5 en MP

254 254

Figura 10.11. Figura 10.12.

Energizacin EM5, con maneta de elevador 5 en MP... Energizacin de EM5, con maneta de elevador 5 en AP y molino 6 en B.....

255

Figura 10.13.

Esquema de proteccin de molino 6, con maneta de molino 6 en AP.. 256 256

Figura 10.14. Figura 10.15.

Habilitacin de contacto RUN7 y EM6 Aux Energizacin de entrada de variador del molino 6, con maneta de molino 6 en AP.............

257

Figura 10.16.

Energizacin de entrada del variador de molino 6, con maneta de molino 6 en MP. 257 258 259 259 260 260 261 261 262 263 264

Figura 10.17. Figura 10.18. Figura 10.19. Figura 10.20. Figura 10.21. Figura 10.22. Figura 10.23. Figura 10.24. Figura 10.25. Figura 10.26.

Elementos en rea de molinos Esquema de protecciones de molino 1... Esquema de protecciones del molino 2.. Esquema de protecciones del molino 3.. Esquema de protecciones del molino 4.. Esquema de protecciones del molino 5.. Esquema de protecciones de molino 6... Esquema de protecciones de molino 7... Esquema de protecciones de elevador 1. Esquema de protecciones de elevador 2.

xxi

Figura 10.27. Figura 10.28. Figura 10.29. Figura 10.30.

Esquema de protecciones de elevador 3. Esquema de protecciones de elevador 4. Esquema de protecciones del molino 5.. Esquema de protecciones de elevador 6.

264 265 266 266

CAPTULO 11. MANTENIMIENTO PREVENTIVO DEL VARIADOR DE MEDIA TENSIN Figura 11.1. Figura 11.2. Figura 11.3. Figura 11.4. Figura 11.5. Figura 11.6. Figura 11.7. Figura 11.8. Figura 11.9. Flujo de aire para los gabinetes 3 y 4. Mantenimiento del filtro de aire. Resistencia de nodo a ctodo Luces de estado de la tarjeta de disparo. Pantalla de acceso.. Pantalla de seleccin de grupo... Pantalla de modificacin de parmetro. Puntos de medicin en el circuito Snubber Puntos para la medicin de la resistencia Snubber en el Powercage. Figura 11.10. Figura 11.11. Puntos de medicin en el circuito Snubber.. Puntos para la medicin de la capacitancia Snubber en el Powercage Figura 11.12. Figura 11.13. Figura 11.14. Figura 11.15. Figura 11.16. Figura 11.17. Figura 11.18. Figura 11.19. Barra del bus de tierra Terminales de potencia.. Mdulo supresor de transientes. Terminales del filtro de capacitores... Acometida de alimentacin (Parte superior). Capacitores Snubber... Resistores Snubber. Contactores de salida.. 283 283 284 284 284 285 285 285 280 281 282 270 272 275 276 277 277 278 280

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NDICE DE TABLAS

CAPTULO 2. TEORA BSICA Tabla 2.1 Velocidades Sncronas con el Nmero de Polos 12

CAPTULO 3. DESCRIPCIN GENERAL DEL PROCESO EN EL REA DE PATIOS Y MOLINOS Tabla 3.1 Relaciones de velocidad. 55

CAPTULO 4. CONTROL DEL PROCESO EN EL REA DE PATIOS Y MOLINOS Tabla 4.1 Respuestas del control en el rea de molinos. 90

CAPTULO 5. DESCRIPCIN DE LOS MOTORES DE MEDIA TENSIN Tabla 5.1 Tabla 5.2 Tabla 5.3 Tabla 5.4 Tabla 5.5 Tabla 5.6 Voltaje nominal de los motores de media tensin de molinos... Velocidad nominal de los motores. Corriente nominal de los motores.. Eficiencia de los motores de media tensin... Factor de potencia de los motores.. Corriente nominal a 2300V y 2400V..... 93 94 95 96 98 99

CAPTULO 8. PARMETROS DEL VARIADOR DE MEDIA TENSIN Tabla 8.1 Tabla 8.2 Tabla 8.3 Sistemas hexadecimal y binario. Ejemplo de conversin... Tipos de fallas.... 167 167 169

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CAPTULO 11. MANTENIMIENTO PREVENTIVO DEL VARIADOR DE MEDIA TENSIN Tabla 11.1 Tabla 11.2 Estado de luces con variador suspendido... Estado de luces en modo de prueba de disparo de compuerta... 277 278

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SIGLAS

AI: AO: DCS: DI: DO: PLC:

Entrada Analgica (Analogy input). Salida anloga (Analogy Output). Sistema de Control Distribuido (Distributed Control System). Entrada digital (digital input). Salida digital (Digital Output). Controlador Lgico Programable (Programable Logic Controller).

ABREVIATURAS

AC: AP: Aux.: B: BH: CIB: CT: DC: DCB: DCBL: DCBM: DI: DIC: DTM: EM Aux: EM: Fac.:

Corriente alterna. Proteccin automtica. Auxiliar. Bypass. Bomba hidrulica. Tarjetas de interfaz de cliente. Transformadores de corriente de anillo cerrado. Corriente directa. Tarjeta de control del variador. Tarjeta para el control del rectificador o lado de lnea. Tarjeta para el control del inversor o lado de mquina. Estado del interruptor de aislamiento. Contactor interno del variador. Turbina del Molino. Contactor auxiliar del elevador. Bobina del contactor auxiliar. Factor de multiplicacin ocupado para relacionar la flotacin de las mazas con el nivel del donelly.

FLOmax:

Mayor flotacin de la mazas entre la flotacin izquierda y

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derecha. FNC: FNDIS: FOI: HECS: I/O: MBH: MBT: MH: MP: ND: O.L: PID: PV: RTD: RUN: SCB: SDTM: SGCT: SP: T: TB: TSN: VAR: VSB: XIO: Contactor para la conexin y desconexin. Interruptor para la desconexin del ventilador. Tarjetas de interfaz de fibra ptica. Sensores de efecto hall de anillo cerrado. entrada/salida. Motor Banda de Hule. Motor Banda transportadora. Motor Hidrulico. Proteccin manual. Nivel del Donelly. Rel de sobrecarga. Control Proporcional Integral Diferencial. Valor actual. Sensor de temperatura de resistencia variable. Contacto de salida del variador de frecuencia. Tarjetas de condicionamiento de seal. Solenoide de la turbina del molino. Tiristores simtricos de compuerta conmutada. Nivel deseado. Tacmetro. Transportador de bagazo. Mdulo supresor de transientes. Variador. Tarjetas de sensores de voltaje. Tarjeta de entrada y salidas externas.

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SIMBOLOGA

B C E eff f FP I IM IS IW k L N NM NS P P Q R s S T V Banda de Hule V Banda Transportadora V VS :

Campo magntico Capacidad de corriente. Voltaje inducido Eficiencia Frecuencia Factor de potencia Corriente Corriente de magnetizacin Corriente alimentacin Corriente del rotor constante de proporcionalidad. Inductancia Velocidad de rotacin (en RPM) Velocidad de salida del motor. Velocidad sncrona Presin. Potencia real o mecnica Potencia Reactiva Resistencia Deslizamiento Potencia compleja Torque Velocidad de banda de hule. Velocidad de banda transportadora. Volts Voltaje de alimentacin o terminal ganancia. Ohms Flujo magntico

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Posicin angular o fasorial Velocidad angular (en rad/s) porcentaje. menor que. mayor que

% < >

UNIDADES DE MEDIDAS

A H Hp o HP Hz kVA kVAR kW M mA mH p.u. Psi Rad/s RPM seg V Vac Vdc Vpico C .

Amperes Henrys Caballos de Fuerza Hertz Kilo volts-ampere Kilo VAR Kilowatts Mega Omhs miliamperes miliherios Por unidad Libras por Pulgada Cuadrada Radianes por Segundo Revoluciones por Minuto Segundos Volts Voltaje alterno Voltaje directo Voltaje pico Grado Celsius

Corriente. Inductancia. Potencia mecnica. Frecuencia. Potencia Compleja. Potencia Reactiva. Potencia Real. Resistencia elctrica Corriente. Inductancia. Voltaje, corriente y potencia. Presin. Frecuencia de rotacin. Velocidad de rotacin. Tiempo. Voltaje. Voltaje. Voltaje. Voltaje pico. Temperatura.

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PRLOGO

El objeto del presente trabajo es estudiar los diferentes dispositivos involucrados en el control y la proteccin de los motores de induccin de mediana tensin del rea de molinos de la industria azucarera. Se est modernizando el rea de los molinos con el fin de mejorar los niveles de productividad, rentabilidad y calidad que se necesitan en los productos elaborados para ser ms competitivos en el mercado.

Esta modernizacin incluye la sustitucin de las turbinas de vapor, encargadas del movimiento de los molinos, por motores de induccin de mediana tensin. Para poder comprender el rol que jugarn los motores de induccin en el rea de molinos es necesario conocer el proceso en el cual estarn involucrados y los dispositivos que se encargarn de controlar los motores de induccin, que son los variadores de frecuencia.

Para desarrollar el estudio de los motores de induccin y de los variadores de frecuencia, en el proceso desarrollado en el rea de molinos, el trabajo se divide en trece captulos, donde se explican detalladamente las partes y funciones principales que se desarrollan en el proceso de produccin.

En el captulo uno se pretende dar una breve orientacin sobre el proceso de produccin desarrollado en el ingenio desde el rea de patios hasta el rea de molinos, adems de la importancia que implica el cambio de turbinas de vapor por motores de induccin de mediana tensin.

El captulo dos contiene informacin terica bsica de los motores de induccin y de los variadores de frecuencia.

En el captulo tres se estudian las partes principales del rea de patios y molinos, con el fin de lograr una mejor comprensin del proceso de produccin en estas dos reas. Una vez conocedores de las partes del proceso, se tendr una mejor comprensin del control de ste, lo cual se explica en el captulo cuatro.

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Familiarizados con el proceso y los conceptos tericos de los elementos se conocer en el captulo cinco, la descripcin y los rangos de operacin especficos de los motores de induccin.

En los captulos, seis, siete, ocho, y nueve se abordar la estructura del variador de frecuencia, sus entradas y salidas para comunicarse con el proceso, su modo de operacin, los parmetros destinados a su programacin, y la modificacin de stos por el operador, a travs de una interfaz de usuario.

Conociendo las condiciones necesarias en las que deben operar los elementos involucrados en el proceso podemos estudiar el funcionamiento de las protecciones en el rea de molinos; que se describe en el captulo diez.

En el captulo once se desarrolla un mantenimiento preventivo del variador, con el propsito de alargar su vida til y no provocar algn dao, para evitar llegar a procesos correctivos.

Finalmente en los captulos once y doce se encuentran las conclusiones y recomendaciones de la investigacin desarrollada en este trabajo.

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CAPTULO 1: GENERALIDADES

En el proceso desarrollado para la produccin de azcar en el ingenio existen reas que deben ser controladas y protegidas para mejorar su eficiencia, calidad y la proteccin de su personal. Uno de estos procesos es el que se lleva a cabo desde el rea de patios hasta el rea de molinos.

Comenzaremos haciendo una breve explicacin del proceso de produccin en el rea de patios y de molinos, para tener un panorama general de la funcin que tendrn los nuevos elementos del proceso que son: el motor de induccin y el variador de frecuencia. Ambos se incorporarn en sustitucin de las turbinas de vapor ubicadas en el rea de molinos, y as, se entendern las ventajas que traern para este proceso.

El proceso industrial de produccin de azcar comienza con la preparacin de la caa, que se realiza en el rea de patios. El proceso se inicia en las mesas alimentadoras. stas constan de prepicadoras, que son ejes con cuchillas accionados por motores elctricos que giran a diferentes velocidades, dependiendo de lo que requiera el proceso, y bajo las cuales se hace pasar la caa que es llevada despus a las bandas transportadoras, las cuales la conducen hacia los distintos elementos que se encargan de darle un tamao y acondicionamiento adecuado, y as dejarla lista para realizar la extraccin del jugo en el rea de molinos.

Este jugo es obtenido cuando la caa pasa por los molinos. Cada molino consta de 4 mazas, y la caa se introduce entre ellas. Estas mazas presionan la caa para extraer el jugo. Para lograr obtener la mayor cantidad de jugo posible, existe una tandem de siete molinos, que exprimirn la caa varias veces, hasta que sta salga convertida en bagazo en el ltimo molino. Este bagazo es transportado hacia las calderas, para producir vapor.

Como podemos ver, el rea de molinos es de vital importancia, ya que en ella se da la separacin entre el bagazo y el jugo de caa. El jugo obtenido es el elemento que seguir el proceso para la produccin del azcar.

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El vapor tiene mucha utilidad en la planta de produccin. Una de ellas es la generacin de electricidad para el consumo interno de la planta y el exceso de esta generacin se utiliza para abastecer a la red de distribucin local.

La utilizacin de energa es considerada como una medida esencial para la vida de la industria azucarera. Para lograr este objetivo es necesario mejorar las plantas y as poder hacer el proceso ms eficiente y ahorrar ms vapor; que puede ser utilizado para generacin de energa elctrica.

Los ingenios modernos estudian cmo mejorar sus procesos y tener ms ahorro de vapor. Uno de los procesos que consume una cantidad significativa de vapor es el que se da en el rea de molinos, al ser stos movidos por turbinas, que a su vez son accionadas por vapor. As, al sustituir las turbinas de vapor por motores elctricos se evitan consumos abruptos de vapor y se alcanza un mejor control sobre la operacin de los molinos; obteniendo como resultado un proceso ms eficiente. El ahorro de vapor se conseguir solo si la cantidad de vapor que se utiliza para hacer funcionar la turbina es mayor que la utilizada para generar la energa elctrica que abastece al conjunto del variador y motor.

En uno de los estudios que realiz un ingenio, se reemplaz una turbina de vapor por un motor elctrico de induccin de la misma potencia con un variador de frecuencia. Y as pudieron desviar el vapor que se utilizaba para alimentar dicha turbina que accionaba el molino hacia la planta de generacin de electricidad, obteniendo como respuesta que el 33% del vapor que se utilizaba para alimentar a la turbina bastaba para generar la potencia elctrica necesaria para alimentar al motor utilizado en el molino.

Adems del ahorro en el consumo de vapor, se obtienen los siguientes beneficios:

Mejora de la eficiencia en el control del proceso: el variador de frecuencia posee un control ms preciso de la molida de caa, ya que puede regular la velocidad del motor automticamente para solventar cambios de carga ocasionados por la alimentacin de caa. Presentando adems, una facilidad de integracin a la

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automatizacin del proceso, debido a la capacidad de comunicarse con los dems elementos del proceso.

Facilidad de mantenimiento: las turbinas de vapor necesitan un mantenimiento mayor que los motores de induccin trifsicos.

Simplicidad mecnica: el acople de las turbinas de vapor hacia los molinos consista en tres reductores de velocidad. Con los motores elctricos de induccin solamente se requieren dos. Cada reductor de velocidad significa un porcentaje de prdidas mecnicas por friccin.

Aumento de la vida til en los elementos mecnicos: el variador proporciona arranques y paradas suaves. Su control de velocidad posee lmites de torque, lo cual es una medida de proteccin tanto para el motor, como para los elementos mecnicos conectados a l.

Tomando en cuenta las ventajas que presenta la aplicacin de los motores de induccin manejados por variadores de velocidad de media tensin, la Compaa Azucarera Salvadorea ha decidido realizar la sustitucin de las turbinas de vapor ubicadas en el rea de los molinos, para optimizar los procesos de produccin y generacin de electricidad.

Enfocando el estudio en el proceso del rea de los molinos, el motor de induccin y el variador de velocidad. La presente tesis pretende ser un apoyo tcnico a la modernizacin que se esta ejecutando.

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CAPTULO 2: TEORA BSICA

Esta seccin trata acerca de la teora bsica de funcionamiento y aplicacin de los motores AC y de los variadores de frecuencia que servir para conocer ms a fondo stos equipos que son muy utilizados en los procesos industriales.

2.1. Teora bsica de motores trifsicos de corriente alterna AC Este captulo abordar cmo es el funcionamiento bsico de un motor de induccin

trifsico, cules son sus partes ms importantes, para tener las bases al estudiar la teora del variador de frecuencia, que es el controlador de la velocidad del motor.

2.1.1. Aplicacin de los motores trifsicos AC Los motores AC son utilizados para muchas aplicaciones industriales, por ejemplo en el ingenio azucarero podemos encontrarlos en distintas reas, con el fin de lograr el

movimiento de elementos como: bandas trasportadoras, prepicadoras, molinos, etc. Y para lograr el accionamiento de estos elementos, los motores se acoplan a otro eje o engranaje para realizar este objetivo y poder transferir su energa mecnica; por ejemplo, los motores elctricos ubicado en el ingenio destinados al accionamiento de los molinos (figura 2.1), se encuentran acoplados mediante un eje a reductores de velocidad, los cuales estn acoplados al molino.

Figura 2.1. Motor Elctrico AC como parte de una Aplicacin.

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2.1.2. Construccin de los motores trifsicos AC Los motores AC trifsicos se pueden clasificar (figura 2.2) dependiendo de su forma de construccin de la siguiente manera:

Figura 2.2. Clasificacin de los motores AC.

Todos los motores AC tienen partes en comn, estas son: rotor y estator. Como se muestra en la figura 2.3, el estator es la parte fija del motor y el rotor es la parte giratoria. Los motores AC funcionan debido a la interaccin entre las fuerzas electromagnticas generadas por el campo magntico en el estator al alimentar sus bobinas con corriente alterna, y el campo inducido en el rotor por el campo del estator.

Estator

Rotor

Figura 2.3. Estator y rotor.

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La diferencia entre un motor sncrono y un motor asncrono es la forma en que se induce la fuerza electromagntica en el rotor, esto se puede ver en la siguiente figura 2.4:

Figura 2.4. Motor Asncrono y Sncrono.

En los motores sncronos se debe alimentar con corriente directa (DC) el rotor para que pueda inducirse un campo electromagntico en ste, y en los motores asncronos no es necesario alimentar el rotor, ya que el estator es el que se encarga de inducir el campo electromagntico en l, esto resulta una ventaja de simplicidad en la operacin para los asncronos, debido a que no debemos de poseer una fuente de corriente directa para alimentar al rotor, basta con la alimentacin AC.

Los motores asncronos se dividen en: Rotor Devanado y Jaula de Ardilla. Estos dos motores funcionan mediante el mismo principio, pero se diferencian en la construccin de su rotor. El motor de Rotor Devanado (figura 2.5) tiene bobinas en su rotor. Y el motor Jaula de Ardilla (figura 2.6) no tiene bobinas, sino barras metlicas en la superficie cilndrica de su rotor. Este ltimo es el tipo de motor que se utiliza para el accionamiento de los molinos en el ingenio azucarero.

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Figura 2.5. Rotor devanado.

Figura 2.6. Rotor jaula de ardilla.

El motor Jaula de Ardilla es el ms utilizado de estos motores asncronos, ya que al no tener bobinado el rotor, y poseer barras metlicas, se vuelve menos delicado y es ms fcil de realizar su mantenimiento.

2.1.3. Campo magntico rotatorio Cuando acercamos un imn a una pieza de metal, como se muestra en la figura 2.7, sta tratar siempre de adherirse al imn, debido a que el campo magntico que genera el imn o magneto induce un campo magntico en el metal. Y la pieza de metal debido a sus caractersticas fsicas se magnetiza y se desarrolla una fuerza de atraccin entre el imn y la pieza metlica.

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Figura 2.7. Fuerzas Magnticas.

El motor elctrico utiliza este principio magntico, solo que en este caso se debe generar el imn y esto se logra al alimentar las bobinas del estator con corriente alterna, a este imn se le conoce como electroimn; es decir, un imn generado con energa elctrica. En el caso del motor el campo magntico que se genera debe ser giratorio por lo que se realiza una orientacin de las bobinas del estator como la que se muestra en la figura 2.8.

El objetivo para el funcionamiento del motor es tener que hacer girar el rotor, para esto se debe producir un campo magntico giratorio en el estator, el cual explicaremos a

continuacin, para poder comprender el giro del rotor que se estudiar en la siguiente seccin.

El campo magntico que

se desarrollar en el estator, ser producido mediante la

aplicacin de voltaje AC al estator, lo cual generar una corriente que fluir por los devanados del estator. Es importante mencionar que polaridad (negativo o positivo) del campo magntico desarrollado en los devanados depender de la direccin del flujo de la corriente, y la intensidad del campo ser directamente proporcional a la cantidad de corriente aplicada.

Para que se pueda desarrollar el objetivo del campo magntico giratorio, es necesario tener al menos dos devanados por fase, como se puede observar en la figura 2.8, donde, A1 es un devanado y A2 es otro devanado, pero los dos estn alimentados por la misma fase A.

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Figura 2.8. Ubicacin de los devanados del estator.

Para visualizar el desarrollo del campo magntico analizaremos el tiempo en que una de las fases tiene corriente cero, as como se muestra en la figura 2.9. Para el ejemplo, la fase A est en su momento de cruce por cero, por lo que no hay corriente fluyendo por ella. La fase B tiene corriente fluyendo en el sentido negativo y la fase C en el sentido positivo. Esto implica que en este instante de anlisis B1 y C1 se vuelven polos negativos, mientras que B2 y C2 se tornan positivos establecindose un flujo magntico entre ellos, como se muestra en la figura 2.10. La cantidad de lneas representa el flujo producido por el campo magntico desarrollado en el estator, el cual como mencionbamos es proporcional al voltaje aplicado al estator e inversamente proporcional a la frecuencia de la seal de voltaje que mencionamos.

Figura 2.9. Anlisis de los instantes de las corrientes trifsicas.

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Figura 2.10. Lneas de flujo magntico producidas por la corriente en los devanados.

Ahora evaluemos la seal en intervalos cada 60 elctricos, y observemos que al final de cada intervalo, se repite la situacin anterior, slo que esta vez la fase que tiene el cruce por cero es distinta a la fase A y el campo en el motor ha rotado 60 fsicos como se puede observar en la figura 2.11.

Figura 2.11. Giro del campo magntico del estator.

De esta manera, al final de los 6 intervalos, el campo magntico del estator ha girado 360. La velocidad a la que gira el campo magntico es conocida como la velocidad sncrona ( N S ), que depende de la frecuencia de la red ( f ) y del nmero de polos que posee el motor ( p ). La ecuacin 2.1 que se muestra a continuacin rene estos parmetros.

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NS =

120 f p

(Ec. 2.1)

El nmero de polos lo determina la cantidad de bobinas o devanados que se utilicen por fase en el estator. El nmero de polos mnimos es dos, y esto sucede cuando se tienen dos devanados por fase, como en el caso que analizbamos anteriormente. Por lo tanto como muestra la ecuacin 2.1 si el nmero de polos es mayor, la velocidad sncrona disminuye y viceversa.

En la tabla 2.1 se muestran velocidades sncronas con su correspondiente nmero de polos que debe poseer el motor. Es importante notar que el nmero de polos siempre es una cantidad par.Tabla 2.1. Velocidad sncrona con el nmero de polos.

Nmero de Polos 2 4 6 8 10 12

Velocidad Sncrona (60Hz) 3600RPM 1800RPM 1200RPM 900RPM 720RPM 600RPM

El control de ste campo magntico giratorio del estator es la base del control de velocidad vectorial de los motores, que se abordar en la seccin 2.2.8.

2.1.4. Giro del rotor

Ahora que se ha estudiado el campo giratorio en el estator, veremos lo que sucede con el rotor.

El rotor del motor Jaula de Ardilla como mencionbamos est hecho con barras metlicas, las cuales al sentir la presencia del campo magntico giratorio generado en el estator, se magnetizarn y surgir el efecto que habamos mencionado anteriormente, que el metal intentar adherrsele al electroimn, y existir una fuerza de atraccin entre las barras del

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rotor y el campo magntico, y ya que este es giratorio, causar la rotacin del rotor (figura 2.12).

Figura 2.12. Giro del rotor.

En la figura 2.11 pudimos observar que el estator hace la funcin de un imn giratorio, a causa de ello las barras del rotor se sienten atradas por el campo electromagntico que genera el estator, y es as como al encontrarse sobre un eje de rotacin el rotor comienza a girar.

La velocidad a la que gira el rotor idealmente tendra que ser la velocidad sncrona, pero recordemos que el motor siempre va a ser parte de una aplicacin en la que se le acopla a su eje un dispositivo mecnico. Entonces como resultado de este acople, ahora el rotor, adems de sentir la fuerza magntica del estator, tambin sentir otra fuerza en sentido contrario al movimiento que est desarrollando, debido a la carga que posee conectada (figura 2.13); por lo que el rotor nunca va a girar a la velocidad sncrona, sino a una velocidad menor que la sncrona.

Figura 2.13. Acople del motor a alguna carga mecnica.

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Para comprender mejor las fuerzas que accionan sobre el rotor se muestra un diagrama de las fuerzas tangenciales que actan sobre l. Estas son: la fuerza que se ejerce por la atraccin del campo del estator y la fuerza que le ejerce la carga (figura 2.14):

Figura 2.14. Fuerzas ejercidas sobre el estator.

Llamemos Fcampo a la fuerza que le ejerce el campo del estator al rotor y Fcarga a la fuerza que ejerce la carga acoplada al eje del rotor. Estas fuerzas generarn un torque de giro sobre rotor, ste es directamente proporcional al radio del rotor (R) al cual se aplica la fuerza (F). Por lo tanto si tenemos dos fuerzas tangenciales aplicadas al rotor tendremos dos torques. Al torque que ejerce el campo del estator lo llamamos Tcampo= RxFcampo, y al ejercido por la carga conectada al eje del rotor Tcarga= RxFcarga. La carga ejerce una fuerza en sentido contrario a la que ejerce el campo; por lo que necesitamos conocer la aplicacin a la que se va a someter el motor para hacer la seleccin ms adecuada, para que pueda vencer la oposicin que generar la carga.

La accin de estas dos fuerzas sobre el rotor generar un deslizamiento (Ec.2.2). El deslizamiento (s) es la diferencia que existe entre la velocidad sncrona del motor (NS ) y la velocidad a la que realmente se encuentra girando el rotor (NM ). Lo que nos indica que tanto se esta desviando la velocidad real del motor de la velocidad sncrona a la que debe girar.

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s=

NS NM NS

(Ec. 2.2)

La velocidad real del rotor en funcin de la frecuencia, el nmero de polos y el deslizamiento est dada por la ecuacin 2.3:

NM =

120 f (1 s ) p

(Ec. 2.3)

El deslizamiento como vimos se produce por la accin de dos momentos de torsin. Ahora veremos la influencia que se da en el torque de campo, cuando aumente el torque de carga. Y es que el torque de campo aumentar para poder contrarrestar el efecto del incremento de carga que tiene conectado. Esto traer consigo una mayor corriente de alimentacin en el estator para tener un mayor flujo de campo magntico que pueda ejercer un torque de campo mayor sobre la carga.

En el momento del arranque, es cuando el motor est ms cargado. Esto es debido a que la carga est esttica, y existe una inercia asociada al elemento, que es la oposicin al cambio de estado dinmico, que en este caso sera el de entrar en movimiento de rotacin. A ese instante se le llama Rotor Bloqueado. Para poder ver este comportamiento para un motor en particular, estos en sus especificaciones tienen una curva caracterstica de torque contra velocidad y corriente contra velocidad, en donde se puede saber el comportamiento de dicho motor desde el torque de arranque hasta que llega a la velocidad nominal a plena carga (figura 2.15).

Al observar la figura 2.15, se logra identificar que en el torque de arranque y la corriente son elevados, con respecto a los valores que presenta la curva de comportamiento del motor. Al vencerse el estado de rotor bloqueado, podemos ver que la corriente ir

disminuyendo, y es debido a que el motor empieza a vencer a la carga. El torque aumentar hasta llegar al torque en el cual habr vencido completamente a la carga. Despus de ese

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instante, el torque empieza a disminuir hasta llegar al torque correspondiente a la corriente nominal.

Figura 2.15. Curva Torque/Corriente contra velocidad.

2.1.5. Especificaciones de un motor

Existen una gran variedad de motores en el mercado, diseados para distintas aplicaciones. Estas caractersticas de diseo, se muestran a travs sus especificaciones tcnicas, siendo estas las que describiremos a continuacin:

Voltaje de Trabajo Frecuencia Potencia Desarrollada Nmero de Fases Velocidad Nominal Corriente Nominal Eficiencia Factor de Potencia Factor de Servicio Aislamiento Trmico de los Bobinados

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Voltaje de trabajo

El voltaje de trabajo es el voltaje de alimentacin que hay que proporcionarle al motor para que su funcionamiento sea ptimo. Siempre hay un rango de operacin en el voltaje; ste es especificado por el fabricante. Si se llega a alimentar al motor fuera del rango de operacin, el motor simplemente no funcionar o se daara. Generalmente los voltajes de alimentacin de los motores trifsicos son 120V, 208V, 240V, 480V, 600V, 1000V, 2300V, 4160V.

Frecuencia

Es la frecuencia de la seal de alimentacin para la cual el motor es diseado. Por ejemplo los motores americanos los fabrican para que operen a 60Hz y los motores europeos los fabrican para que operen a 50Hz.

Potencia desarrollada

Es la potencia mecnica (eje) de salida que desarrolla el motor a plena carga. La potencia de salida de los motores trifsicos va desde aproximadamente 1/2 HP hasta 15,000HP.

Nmero de fases

Es el nmero de fases de la seal de alimentacin para el motor. Si los motores son monofsicos el nmero de fases es 1 (generalmente son motores de 120V), y si son trifsicos el nmero de fases es 3 (generalmente son motores de 120V, 208V, 240V, 480V, 600V, 1000V, 2300V y 4160V).

Velocidad nominal

Es la velocidad a la cual el motor girar aproximadamente cuando el motor est a plena carga (100%). Las velocidades nominales son generalmente menores a la velocidad sncrona. Si en la placa de un motor se dice que la velocidad es de 1781RPM, es porque estamos hablando de un motor de 4 polos en donde su velocidad sncrona es 1800RPM a 60Hz. Recordando la tabla 2.1 de velocidades sncronas y nmero de polos a 60Hz.

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Tabla 2.1. Velocidad sncrona con el nmero de polos.

Nmero de Polos 2 4 6 8 10 12

Velocidad Sncrona (60Hz) 3600RPM 1800RPM 1200RPM 900RPM 720RPM 600RPM

Corriente nominal

Es la corriente por fase del motor cuando est operando a plena carga. ste es un valor muy importante porque nos sirve para dimensionar las protecciones del motor y seleccionar los conductores que se conectarn al motor para alimentarlo.

Eficiencia

La eficiencia es la razn entre la potencia de salida y la potencia de entrada. Ya que el motor es un equipo que convierte la energa elctrica en energa mecnica, la potencia elctrica es convertida a potencia mecnica, pero en el proceso de conversin existen prdidas, por lo que la potencia mecnica de salida no ser igual a la potencia elctrica de entrada (figura 2.16).

Figura 2.16. Eficiencia del motor.

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La eficiencia del motor esta definida la ecuacin 2.4, en donde T es el torque o par de salida, y M es la velocidad de rotacin del motor, V es el voltaje por fase, FP es el factor de potencia e I es la corriente de lnea:

Eficiencia = eff =

T M Potencia Salida = Potencia Entrada 3VI * FP

(Ec. 2.4)

Factor de potencia

El factor de potencia es un indicador de eficiencia del consumo de energa de la red. La potencia elctrica es una potencia compleja y sta es conformada por una potencia real y potencia reactiva. Para entender mejor ste concepto, veamos primero el siguiente tringulo de potencia elctrica (figura 2.17).

Figura 2.17. Tringulo de potencia.

Donde S es la Potencia Compleja, P es la Potencia Real, y Q es la Potencia Reactiva. La magnitud de la potencia compleja estar dada por la ecuacin 2.5:

S = P2 + Q2

(Ec. 2.5)

19

La potencia compleja es la potencia total generada. La potencia real es la que desarrolla trabajo, en cambio Q es la potencia que se genera en elementos capacitivos e inductivos por el desfase que estos provocan entre la seal de voltaje y la seal de corriente.

El factor de potencia se puede calcular a travs del coseno del ngulo que existe entre la magnitud de potencia real y la potencia compleja (Ec. 2.6).

FP = Cos =

P S

(Ec. 2.6)

Entre mayor es el factor de potencia se consume menos potencia reactiva, y entre menor es el factor de potencia se consume ms potencia reactiva (figura 2.16).

Factor de servicio

Este es el valor que indica que puede trabajar un motor arriba de la potencia nominal. Por ejemplo, cuando las especificaciones de un motor indican que ste tiene un factor de servicio de 1.0, significara que el motor est diseado para trabajar ptimamente, hasta el 100% de su potencia nominal. Si se tuviera un factor de servicio de 1.2, el motor estara diseado para trabajar hasta en un 20%, por encima de su potencia nominal.

Este es un factor muy importante para el dimensionamiento de los conductores que se utilizan para la alimentacin de los motores, debido a que si se trabajara por encima de su potencia nominal, esto implicara tambin un aumento de la corriente de operacin, por lo tanto, los conductores tendran que tener la capacidad para soportar estos aumentos de corriente.

Aislamiento trmico de los bobinados

La Asociacin Nacional de Manufactureros Elctricos de los Estados Unidos (NEMA) ha establecido clases de aislamiento trmico para los bobinados (figura 2.18), para clasificar a los motores por su resistencia trmica. Lo que indicara cuales son los aumentos mximos

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de temperatura, que podra soportar el motor en condiciones de trabajo. Las clasificaciones son: Clase A, Clase B, Clase F y Clase H.

Figura 2.18. Clases de aislamiento trmico de los bobinados.

Cuando las especificaciones de un motor indican que el motor es clase de F, significara que el motor trabajando a una temperatura ambiente de 40C, podra tener un incremento mximo de temperatura de 105C, con un margen de 10C arriba de esa temperatura. Es decir, que la temperatura mxima permisible para los bobinados de ese motor sera de 145C con 10C de margen. Cuando las bobinas pasan del valor permisible, el esmalte aislante que stas tienen empezara a derretirse, pudiendo ocasionar un cortocircuito interno en el motor.

21

2.2. Teora bsica de variadores de velocidad

2.2.1. Aplicacin de los variadores de velocidad

Como vimos

anteriormente los motores son un eslabn de los procesos industriales

(figura 2.19), aplicndose stos en bombas, ventiladores, bandas transportadoras, molinos etc.

En stos la variacin de la velocidad se vuelve necesaria para desarrollar muchas de sus aplicaciones, y trabajar slo a la velocidad nominal del motor se convierte en una limitante. Para poder realizar estas variaciones de velocidad en el motor, se utilizan los variadores de velocidad, los cuales se encargan de controlar el funcionamiento del motor, regulando su velocidad para ajustarla a la demandada por el proceso.

Figura 2.19. Distintas aplicaciones de los variadores en la industria.

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2.2.2. Variables del motor relacionadas con el control de velocidad

Para entender las variables del motor que se manipular para el control de velocidad es necesario entender las partes que componen el circuito equivalente del motor AC. ste circuito equivalente se muestra en la siguiente figura 2.20:

Figura 2.20. Circuito equivalente del motor.

Donde:Vs: Rs: Ls: Is: E: LM: IM: RR: LR :

Voltaje de Lnea aplicado a las terminales del motor. Resistencia del Estator Inductancia del Estator Corriente del Estator Voltaje Inducido en el Rotor Inductancia de Magnetizacin Corriente de Magnetizacin Resistencia del Rotor Inductancia del Rotor 23

IW:

Corriente del Rotor o de Trabajo, porque es la que genera Torque.

Al voltaje de alimentacin aplicado en las terminales del motor se le llama Vs . Este voltaje debido a que el bobinado del estator presenta una resistencia (Rs) y una inductancia (Ls), presentar prdidas. Por lo tanto el voltaje que genera la corriente que desarrolla el campo magntico, para mover al rotor, no ser el voltaje de alimentacin, sino que ser ste menos las prdidas, a este voltaje resultante se llama voltaje inducido (E).

Vs = I s ( Rs + 2fLs ) + E

(Ec. 2.7)

Entonces:E = Vs ( Rs + 2fLs ) I s

(Ec. 2.8)

La corriente de magnetizacin (IM) es la responsable de producir el flujo magntico que induce el voltaje (E) en el rotor. Esta corriente de magnetizacin depende del voltaje inducido y de la frecuencia, la expresin esta dada por la ecuacin 2.9:

IM =

E 2fLM

(Ec. 2.9)

La corriente del rotor o de trabajo (IW) es la que circula en las barras del rotor a causa de la tensin inducida (figura 2.20). La corriente del estator (Is) es la que alimenta al estator, esta corriente la podemos medir porque es la que circula en los conductores de alimentacin. La relacin que existe entre la corriente de magnetizacin y la del rotor est dada por la ecuacin 2.10.2 2 I S = IW + I M

(Ec. 2.10)

El flujo magntico ( ) es el campo magntico que atraviesa la zona entre el estator y el rotor, encargado de producir el torque en el rotor. El flujo magntico guarda relacin (Ec.2.11), con el voltaje inducido y la frecuencia de la seal de alimentacin. Donde el flujo magntico aumenta al aumentar el voltaje inducido y disminuye al aumentar la frecuencia.

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E f

(Ec. 2.11)

El torque que desarrolla el motor depende del flujo magntico y de la corriente del rotor, como esta dado en la ecuacin 2.12.

T = kIW

(Ec. 2.12)

Donde k es una constante que depende de las dimensiones del rotor, es el flujo magntico e IW es la corriente del rotor. Una vez conociendo estas ecuaciones que describen el comportamiento del motor, podremos comprender las variables a modificar para regular la velocidad del motor, modificando las caractersticas de la seal de alimentacin.

En la ecuacin 2.1 que describe la velocidad sncrona del motor, vemos que existen dos parmetros que modifican la velocidad de giro del motor, el nmero de polos y la frecuencia de la seal de alimentacin. El nmero de polos resulta imposible estarlo cambiando para estar regulando la velocidad del motor en un proceso. Pero si se puede modificar la frecuencia de la seal de alimentacin, para cambiar la velocidad de giro del motor. As, la frecuencia es directamente proporcional a la velocidad sncrona del motor.

Ns =

120 f p

(Ec. 2.1)

Ahora se analizar que sucede con las variables elctricas del motor cuando se modifica la frecuencia. Realizando esta regulacin de la frecuencia en el rango de torque constante (figura 2.21), que consiste entre cero y su valor de frecuencia nominal, porque en este rango

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es donde toma validez la proporcionalidad del flujo con la relacin de voltaje inducido y frecuencia (

E ). f

Primero veamos que sucede con la potencia de salida del motor, que se encuentra definida en la ecuacin 2.13, donde T es el torque o par, y r es la velocidad del rotor en radianes por segundo.

P = T r

(Ec. 2.13)

La velocidad angular a la salida del motor en radianes por segundo est definida por la ecuacin 2.14:

r =

4f (1 s ) p

(Ec. 2.14)

Y si el torque de salida que proporciona el motor es igual a (Ec. 2.15):

T = kIW

(Ec. 2.15)

El efecto de la disminucin o el aumento de la frecuencia se reflejar en los devanados del estator. Siendo la corriente del estator igual a (Ec. 2.10):

2 2 I S = IW + I M

(Ec. 2.10)

Y la corriente de magnetizacin es igual a (Ec. 2.9):

IM =

E 2fLM

(Ec. 2.9)

Al variar la frecuencia por debajo del valor nominal, la corriente de magnetizacin ser mayor que la corriente de magnetizacin a frecuencia nominal, ya que la frecuencia siempre tendr un valor menor y sta es inversamente proporcional a la corriente de magnetizacin.26

As las variaciones de frecuencia por debajo de la frecuencia nominal reflejarn un incremento en la corriente del estator. Esto ocasionar un exceso de flujo magntico entre los bobinados y el rotor provocando un calentamiento, el cual seria un consumo de potencia extra, lo que traera una sobrecarga para el motor.

Entonces para contrarrestar este efecto de sobrecarga del motor, si se disminuye la frecuencia, es necesario disminuir el voltaje inducido a modo de mantener constante la relacin de flujo E/f, para que el motor siempre trabaje a torque constante, y la corriente en el estator del motor mantenga su valor nominal.

Si el flujo ( ( IM =

E ) es constante, el torque ( T = kIW ) y la corriente de magnetizacin f

E ) se mantendrn constantes. Y como IM se mantiene constante, la corriente del 2fLM

2 2 estator ( I S = IW + I M ) se mantendr constante tambin.

Figura 2.21. Regin de torque y potencia constante.

En las siguientes secciones se abordar como es la forma en la que el variador procesa la corriente alterna y vara la frecuencia aplicada al motor.

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2.2.3. Funcionamiento bsico del variador

El variador es un controlador de velocidad para el motor, donde su funcin bsica es modificar la seal de alimentacin del motor para controlar su velocidad. Un diagrama del proceso de variacin de la seal de alimentacin es la siguiente (figura 2.22):

Figura 2.22. Diagrama bsico del variador de frecuencia.

La secuencia de conversin es la siguiente: 1. La alimentacin AC a 60Hz se conecta al rectificador. 2. El Rectificador convierte el voltaje AC de 60Hz, a voltaje DC para su posterior conversin. 3. El inversor convierte el voltaje DC a voltaje AC, pero con distinta frecuencia y si es necesario con distinta magnitud de voltaje para poder controlar la velocidad del motor.

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2.2.4. Conceptos bsicos de semiconductores

Los semiconductores son dispositivos electrnicos que permiten el control de las seales elctricas. La aplicacin de stos para el caso de los variadores de velocidad es en el rectificador y en el inversor.

Existen dos tipos de semiconductores:

Semiconductores no Controlados Semiconductores Controlados

Los semiconductores no controlados son aquellos que no necesitan una seal externa para que funcionen. Un semiconductor no controlado es el Diodo. Los dems se basan en el principio del diodo.

Los semiconductores controlados son aquellos que necesitan una seal externa para que funcionen. Un semiconductor controlado es el tiristor (SCR). Los dems se basan en el principio del tiristor.

Los semiconductores ms utilizados en el control de motores son los siguientes:

El Diodo El SCR El GTO El SGCT

El diodo

Conocer el funcionamiento del diodo facilitar entender el funcionamiento de los dems semiconductores. Los dems son una variante del diodo, incluyendo los semiconductores controlados que son los ms utilizados en los controles modernos de motores.

El funcionamiento bsico del diodo es el siguiente (figuras 2.23y 2.24):

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Figura 2.23. Diodo.

El diodo solamente deja pasar la corriente en una direccin (de nodo A a ctodo K) cuando el voltaje VD es superior a 0.7 el voltaje de alimentacin. En pocas palabras, la parte positiva del voltaje la deja pasar y la negativa no la deja pasar.

Para su mejor comprensin tenemos este circuito bsico (figura 2.24.):

Figura 2.24. Funcionamiento del diodo.

Se puede observar en la figura 2.24, que en un circuito bsico de una fuente AC con una resistencia, al comparar la seal de voltaje de entrada con la de salida, el voltaje negativo de la curva de entrada no la deja pasar el diodo, por eso es que la seal de voltaje de salida se encuentra recortada.

El SCR (Rectificador Controlado de Silicio)

El SCR conocido tambin como tiristor es un tipo de semiconductor controlado que funciona similar al diodo, solo que ste necesita de una seal externa para su activacin, a esta seal se le llama seal de disparo. El esquema es el siguiente (Figura 2.25): 30

Figura 2.25. Tiristor.

El SCR funciona igual que el diodo cuando se le de una seal de disparo a G (Gate o Compuerta) desde un dispositivo externo. Al activarse el tiristor deja de conducir si el voltaje entre A y K es positivo y dejar de conducir cuando el voltaje entre A y K se vuelve negativo. Se comporta de acuerdo a la siguiente grfica (figura 2.26):

Figura 2.26. Funcionamiento del tiristor.

Se puede observar que cuando se le da un pulso de disparo al SCR, ste empieza a conducir, y cuando el voltaje de alimentacin llega a su etapa negativa, el SCR se apaga, y

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se enciende hasta que vuelva a la etapa positiva y le llegue de nuevo el pulso dado por el circuito de disparo.

Semiconductores utilizados en los variadores de frecuencias como es el GTO y el SGCT son una variante del SCR.

EL Tiristor de Apagado de Compuerta (GTO)

El GTO opera de una manera similar al SCR, con la nica variante que al darle un pulso negativo a la compuerta (G), podemos hacer que el tiristor se apague o deje de conducir cuando el voltaje entre A y K es positivo.

Figura 2.27 GTO.

Cuando le damos un pulso de compuerta (IG) positivo al tiristor lo encendemos; es decir, hacemos que el tiristor conduzca, y cuando le damos un pulso negativo a la compuerta mientras est conduciendo, apagamos al tiristor, y deja de conducir.

En el siguiente circuito que muestra la figura 2.28 conectamos el GTO de forma similar SCR:

Figura 2.28. Circuito bsico GTO.

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En la figura 2.29 se puede observar que cuando le aplica un pulso positivo a la compuerta, y la seal de entrada se encuentra en la regin positiva, el GTO empieza a conducir, y si mientras est conduciendo se le aplica un pulso negativo el GTO deja de conducir hasta que el voltaje de entrada vuelve a ser positivo de nuevo y se aplique el pulso a la compuerta.

Figura 2.29. Graficas GTO.

El SGCT (Tiristor Conmutado de Compuerta Simtrica)

El SGCT (figura 2.30) es la ltima generacin de semiconductores controlados. Es una mejora del GTO. Tiene un disparador controlado por medio de microprocesador, y est diseado para interrumpir voltajes hasta los 6500V y corrientes hasta los 1500A.

Figura 2.30. Fotografa de un SGCT.

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El SGCT tiene la capacidad de hacer conducir y apagar una seal de voltaje en reversa (en el lado negativo), como lo podemos ver tomando como circuito base el mostrado en la figura 2.31. y las grficas de la figura 2.32.

+ Ventrada -

+ Vsalida -

Figura 2.31. Circuito bsico con SGCT.

Figura 2.32. Comportamiento del SGCT.

Se puede observar que cuando le aplica un pulso positivo a la compuerta (Ig), y la seal de entrada se encuentra en la regin positiva, el SGCT empieza a conducir, y si mientras est conduciendo se le aplica un pulso negativo el SGCT deja de conducir hasta que se le

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aplique nuevamente un pulso a la compuerta entra en conduccin. El mismo comportamiento tiene al aplicarle los pulsos en la regin positiva en la regin negativa.

Esta propiedad de conmutacin lo hace ideal para rectificadores e inversores de variadores de frecuencia, porque al tener esa capacidad de interrupcin, hace que en el diseo del rectificador e inversor se utilicen menos semiconductores que se necesitaban para realizar la misma funcin.

2.2.5. Rectificador

El rectificador es un dispositivo que convierte una seal senoidal de corriente alterna (AC) a una seal de corriente continua (DC) como se muestra en la figura 2.33.

Figura 2.33. Funcin del rectificador.

Los dispositivos encargados de hacer la rectificacin son los semiconductores. Hay muchos tipos de rectificadores, desde rectificadores no controlados hechos con diodos, hasta rectificadores controlados hechos con SCRs, GTOs y los ms modernos hechos con SGCT.

El diagrama bsico de un rectificador trifsico que utilizan los variadores de frecuencia se muestra en la figura 2.34.:

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Figura 2.34. Rectificador trifsico.

La idea es convertir la seal trifsica alterna a una seal de corriente directa para su posterior procesamiento, que consistir en convertirlo en voltaje alterno (AC) pero con distinta frecuencia y voltaje para alimentar al motor, y as poder variar su velocidad de rotacin.

2.2.6. Inversor

El inversor es la parte donde el voltaje rectificado DC se convierte a una seal trifsica de voltaje y corriente AC (figura 2.35). La seal convertida posee distinta frecuencia y

magnitud de voltaje que el de la seal que entra al rectificador.

Figura 2.35. Funcin del inversor.

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El inversor tambin funciona a base de conmutacin de semiconductores, solo que en esta ocasin los semiconductores no pueden ser del tipo no controlados, porque se necesita una secuencia de conmutacin para poder lograr la conversin de corriente directa a corriente alterna.

El diagrama bsico del inversor utilizado en la mayora de variadores de frecuencia es el siguiente:

Figura 2.36. Inversor trifsico.

El inversor trifsico interrumpe la seal DC, realizando un proceso de troceado por medio de los semiconductores controlados, y as a la salida del circuito inversor es una una seal de Modulacin por Ancho de Pulso (PWM).

La seal tpica modulada por pulsos tiene la forma siguiente:

Figura 2.37. Seal PWM.

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El inversor por medio de los semiconductores interrumpe a una frecuencia muy alta la seal de voltaje de manera que vaya tomando la forma de la seal que se muestra en la figura 2.38, esta se compone de pulsos de voltaje con una magnitud constante, pero con distinto ancho de pulso. Esta es la seal de voltaje que se le aplica al motor.

Figura 2.38 Reconstruccin de seal de pulsos a senoidal.

Los pulsos con menor ancho son asignados a bajos niveles de voltaje, en cambio los pulsos de mayor ancho son asignados a altos niveles de voltaje. La seal que el motor reconstruye no es puramente senoidal, pero si lo ms parecido a una seal senoidal.

2.2.7. Control escalar

El control escalar de velocidad de un motor, es un Control E/f, es en el cual la velocidad del motor es controlada por la frecuencia aplicada.

Variacin de la frecuencia por debajo de la nominal

Como se puede observar en la figura 2.39, si se desea variar la frecuencia por debajo de la nominal, se tiene que trabajar en la regin de torque constante, donde el voltaje inducido aplicado al motor tiene que variar con la misma proporcin que la frecuencia para mantener la relacin de flujo del motor E/f constante. Esta variacin se hace de forma lineal, donde la potencia del motor es directamente proporcional a la frecuencia.

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Regin E/f ConstanteFigura 2.39. Regin de torque constante.

As como se explicaba en la seccin 2.2.2, la frecuencia no puede variar si el voltaje inducido al motor no vara con la misma proporcin porque entonces habra un exceso de flujo magntico entre el estator y el rotor que ocasionara un sobrecalentamiento de los devanados.

En primer lugar tenemos un bloque controlador que es el que da las rdenes a un actuador acerca de la velocidad a la que se desea llegar. La orden puede ser manual por medio de un potencimetro o botones con velocidades ajustadas JOG, o bien pueden ser ordenes automticas que provienen de algn dispositivo de control externo como un DCS.

Figura 2.40. Diagrama de un variador con control escalar.

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Tenemos un bloque actuador que al recibir la orden del controlador, manda las seales de conmutacin a los semiconductores del rectificador e inversor para que transformen la seal correspondiente que ser aplicada al motor.

El voltaje, la corriente y la frecuencia son monitoreados a la salida del variador para retroalimentar al actuador, para que ste envi los pulsos de conmutacin necesarios a los semiconductores, para transformar la seal DC en una seal AC que posea los valores de la frecuencia y voltaje deseados para la modificacin la velocidad de giro del motor.

Se dice que el control escalar desde el punto de vista del motor, tiene un control de Lazo

Abierto, porque el variador no est monitoreando la velocidad a la cual gira el motor, sinoque la calcula por medio de la frecuencia y voltajes aplicados a l.

2.2.8. Control vectorial

El control vectorial de la velocidad de un motor, modifica la frecuencia y el voltaje de alimentacin, para controlar el vector de campo magntico giratorio que es quien desarrolla el movimiento del motor, por eso el nombre de control vectorial o control de campo

orientado.

El control vectorial de un motor se basa en controlar el vector de campo magntico giratorio del estator (figura 2.41):

Figura 2.41. Rotacin del campo magntico en el rotor.

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El campo magntico del motor gira a la velocidad sncrona que est dada por:

NS =

120 f p

(Ec. 2.1)

Dicho campo magntico es proporcional al flujo magntico ( ). As modificando el campo podemos controlar el torque del motor. Recordando la ecuacin 2.15. Tenemos que:

T = kI W

(Ec. 2.15)

Donde el flujo es funcin del campo magntico y esta dado por la ecuacin:

= BN A

(Ec. 2.19)

Donde BN es el campo magntico neto giratorio del motor y A es el rea que atraviesa el campo magntico. Entonces podemos decir que:

Para controlar la velocidad del motor necesitamos controlar la velocidad del campo magntico giratorio.

Para controlar el torque del motor necesitamos variar la magnitud del campo magntico giratorio.

Por lo que el Control Vectorial para poder variar la velocidad del motor realiza el control de magnitud y velocidad del vector de campo magntico. En la figura 2.42 se muestra un diagrama esquemtico de un variador de frecuencia que utiliza control vectorial. El diagrama esquemtico del variador que utiliza control vectorial es muy parecido al que utiliza control escalar.

En primer lugar tenemos un bloque controlador que es el que da las rdenes a un actuador acerca de la velocidad a la que se desea llegar. La orden puede ser manual por medio de un potencimetro o botones con velocidades ajustadas JOG, o bien pueden ser ordenes

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automticas que provienen de algn dispositivo de control externo involucrado en la aplicacin industrial.

El bloque actuador cuando recibe la orden del controlador, manda las seales de conmutacin a los semiconductores del rectificador e inversor para que transformen la seal correspondiente que ser aplicada al motor.

Figura 2.42. Diagrama de un variador con control vectorial.

Este control realiza el monitoreo de las variables elctricas de salida al igual que el control escalar, pero adems se tiene un monitoreo de la velocidad del motor por medio de un Encoder, que es el sensor que se encarga de medir la velocidad real de giro del motor, ya que ste se encuentra conectado al eje del rotor, para as calcular el valor del deslizamiento (s), que es la diferencia entre la velocidad sncrona y la velocidad del motor.

Existiendo un control de Lazo Cerrado, donde se retroalimenta la seal de velocidad para que el controlador del variador mande las seales adecuadas a los semiconductores, para generar las seales elctricas de corriente y voltaje necesarias para que el motor alcance la velocidad deseada para la aplicacin.

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Existe un tipo de control vectorial que no necesita Encoder para vigilar la velocidad, a este tipo se le llama Sensorless. ste monitorea a la salida del variador las seales de voltaje, corriente, y frecuencia, y por medio de un algoritmo matemtico calcula el valor del deslizamiento (s).El deslizamiento es un parmetro que vara con los cambios de carga del motor; por lo tanto, en el control vectorial se trata corregir el deslizamiento que tiene el motor, cuando se desea variar la velocidad.

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CAPTULO 3. DESCRIPCIN GENERAL DEL PROCESO EN EL REA DE PATIOS Y MOLINOS 3.1. Elementos del rea de patiosA continuacin se describirn los elementos que participan en el proceso de preparacin de la caa de azcar, el cual se da en el rea de patios. Esta zona es la que abarca desde las mesas alimentadoras hasta la banda de hule. El proceso de preparacin se realiza a travs de los siguientes elementos:

a. Mesas alimentadoras b. Bandas transportadoras c. Prepicadoras d. Picadoras e. Niveladoras

A continuacin se muestra la representacin del rea de patios en la figura 3.1.

Figura 3.1. Esquema general del rea de patios.

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a. Mesas AlimentadorasLas mesas alimentadoras, como su nombre lo dice, son las que se encargan de alimentar a la banda transportadora 1 de caa. Estas mesas tienen como funcin principal preparar la caa para entrar en la banda transportadora 1, dndole un tratamiento adecuado para evitar que se atasque la caa al entrar y pasar por esta banda.

Las mesas alimentadoras son tres y se conocen con los nombres de: mesa alimentadora 1, mesa alimentadora 2 y mesa alimentadora 3.

Las mesas se dividen en tres partes principales (figura 3.2):

Figura 3.2. Partes principales de las mesas alimentadoras.

Rompe rollos: son ejes que estn provistos de aspas que giran en sentido contrarioal movimiento de la caa, con el fin de quitar cualquier amarre o atadura que esta pueda traer. Su funcin es dispersar y hacer de manera ms uniforme u ordenar la entrada de la caa a la banda transportadora 1. Los rompe rollos se muestran en la figura 3.3.

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Figura 3.3. Rompe rollos.

Cadenas de arrastre: se encargan de dar el movimiento a la caa dentro de lasmesas alimentadoras hacindola pasar por los rompe rollos, hasta llegar a la banda transportadora 1. stas se encuentran en el fondo de las mesas alimentadoras y se muestran en la figura 3.4.

Figura 3.4. Cadenas de arrastre.

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Sarandas: son rejillas que actan como colador, y su funcin principal es eliminarparte de los slidos (tierra y piedra) que pueda llevar el cargamento de caa. La caa cae encima de las sarandas y los slidos pasan a travs de stas.

b. Bandas transportadorasLas bandas transportadoras tienen como funcin principal llevar la caa por todos los elementos que contiene el rea de patios, utilizados para la preparacin de la caa, como se muestra en la figura 3.5.

En total son 4 bandas trasportadoras y reciben el nombre de banda transportadora 1, banda transportadora 2, banda transportadora 3 y banda de hule.

La banda transportadora 1 recibe la caa de las mesas alimentadoras y la hace pasar a travs de la prepicadora 1 y la picadora 1. Luego, esta caa es depositada en la banda

transportadora 2. Despus, es llevada hacia la niveladora 2 y a la picadora 2, para luego ser depositada en la banda transportadora 3.

La banda transportadora 3 mueve la caa hacia la niveladora 3, luego a la picadora 3 y por ltimo hacia la niveladora 4, antes de depositarla en la banda de hule.

Esta ltima banda transportadora llamada banda de hule, lleva la caa ya preparada de la banda transportadora 3 y la deposita en el primer elemento del rea de molinos. Antes de llevar la caa desmenuzada o preparada hasta el molino 1, es pasada por debajo de un electroimn para detener cualquier slido metlico que pueda ir en el bagazo. Es por este motivo que la banda debe de ser de hule; es decir, de un material con propiedades no magnticas, para no interferir en el proceso de preparacin.

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Figura 3.5. Banda transportadora.

c. PrepicadorasLas prepicadoras son un conjunto de cuchillas sobre un eje que gira para cortar la caa. Estas deben estar de manera que pueda cortar hasta la caa que va en el fondo de las bandas transportadoras, sin que las cuchillas daen a estas ltimas. Las prepicadoras son las encargadas de darle el primer corte a la caa antes de pasar a las picadoras. En el proceso existen dos prepicadoras, la primera que se encuentra en la mesa alimentadora 1 y la segunda que est sobre la banda transportadora 1, antes de la picadora 1.

d. PicadorasLas picadoras son ejes que pueden girar y estn provistos de machetes o cuchillas que se encargan de picar o darle un corte adicional a la caa, dejndola de una manera ms adecuada para pasar por todos los elementos que se encuentran ms adelante. Se pueden observar en la figura 3.6.

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Figura 3.6. Picadora.

e. NiveladorasLas niveladoras sirven para darle un nivel adecuado al colchn de caa depositada en las bandas transportadoras, ya que la caa va saliendo de las picadoras en pedazos ms pequeos, pero de una manera muy desordenada, formando un amontonamiento de caa.

Por lo tanto, con las 3 niveladoras existentes, se le da al colchn de caa una forma ms adecuada para entrar en los otros elementos. La primera se encuentra a la entrada de la picadora 2, llamada niveladora 2 (ver figura 3.7), la segunda a la salida de la picadora 2, llamada niveladora 3 y la tercera a la salida de la picadora 3, llamada niveladora 4.

Las niveladoras tambin sirven para hacer ms eficiente el proceso de preparacin, porque mientras ms uniforme entre el colchn de caa a las picadoras, mejor es el corte, pues ste se realiza de igual manera sobre todo el colchn, evitando as el atoramiento de la caa en alguna parte de los elementos que estn en el rea de patios.

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Figura 3.7. Niveladora.

3.2. Proceso de preparacinConociendo todos los elementos que participan en el proceso de preparacin, podemos describir todo el proceso de manera continua.

Primero, la caa es depositada en las mesas alimentadoras a travs de dos gras hidrulicas, las cuales son mostradas en la figura 3.8. En estas mesas es donde comienza el proceso de preparacin. ste consiste en darle un tamao y acondicionamiento adecuado a la caa para tener un proceso eficiente y sin ocasionar algn dao en los elementos que contiene el ingenio azucarero en el rea de patios y molinos. Una vez que se deposita la caa en la banda transportadora 1, sta es trasladada hacia la banda transportadora 2, pasando antes por la prepicadora 1 y picadora 1.

La banda transportadora 2 recibe la caa de la banda transportadora 1, luego la hace pasar por la niveladora 2 y la picadora 2, para llegar hasta la banda transportadora 3. Luego, la banda transportadora 3 mueve la caa hacia la niveladora 3, despus a la picadora 3 y al final la pasa por la niveladora 4, antes de llegar a la banda de hule. Esta banda es el ltimo elemento del rea de patios que participa en el proceso de preparacin, antes de depositar la caa en el rea de molinos.

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Figura 3.8. Gra Hidrulica y Mesas Alimentadoras.

3.3. Elementos en el rea de molinosEl rea de molinos es la parte de la fbrica en donde se da la extraccin del jugo de la caa y donde se obtiene el bagazo, el cual sirve para generar vapor que es utilizado en varias partes del proceso para obtener azcar. En la fbrica existe un conjunto de 7 molinos, los cuales se representan de la manera como estn ubicados (ver figura 3.9)

Figura 3.9. Esquema general del rea de molinos.

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Los elementos principales que participan en el proceso de produccin de azcar en el rea de molinos son los siguientes: a. Donelly b. Mazas c. Tolvas d. Reductores de Velocidad e. Elevadores f. Bombas de Maceracin

a. DonellyEl donelly es un elemento del molino que es ocupado como un gran recipiente o contenedor que va recogiendo la caa o bagazo que va llegando. ste desaloja la caa a la velocidad con que estn girando las mazas.

b. TolvasCumplen la funcin de recipientes en forma de cono truncado e invertido, que sirven para conducir el jugo, el cual ser bombeado a diferentes partes de la fbrica.

c. MazasLas mazas son las que trituran la caa o bagazo que va llegando del donelly (ver figura 3.10). stas son puestas en movimiento a travs de un sistema de reductores de velocidad, que se encuentran entre los motores elctricos o turbinas y las mazas. Una vez se ha triturado la caa, se saca hacia los elevadores.

Figura 3.10. Mazas.

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d. Reductores de VelocidadSon un sistema de engranajes que tienen como funcin principal adaptar la velocidad y el torque del motor elctrico o turbina a las mazas, todo con el fin de disminuir la velocidad y aumentar el torque. En la fbrica existen 3 tipos de engranajes o reductores de velocidad, los cuales son:

1. Reductor de Alta: este es el que se encuentra acoplado al eje de la turbina, que solo lo tiene el molino 3. 2. Reductor de Media: este se encuentra entre el reductor de alta o motor y el reductor de baja, y lo tienen todos los molinos. Se muestra el reductor de media en la figura 3.11.

Figura 3.11. Reductor de media.

3. Reductor de Baja: este se encuentra entre el reductor de media y las mazas, este reductor lo tienen todos los molinos. Se puede observar en la figura 3.12.

Reductor de baja

Figura 3.12. Reductores de baja.

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A continuacin se muestran, en la tabla 3.1, todas las relaciones de velocidad con las que se cuenta en el sistema de molinos y tambin con la reduccin total de velocidad.

Tabla 3.1. Relaciones de velocidad.

REDUCTOR MOLINO 1-2 ALTA NO HAY MEDIA 25.03:1 BAJA 4.276:1 TOTAL 107.03:1

MOLINO 3 5.694:1 25.03:1 4.276:1 609.42:1

MOLINO 4-6 NO HAY 25.03:1 4.276:1 107.03:1

MOLINO 7 NO HAY 12:01 15.06:1 180.87:1

En la fbrica, todos los molinos trabajan con motor elctrico, a excepcin del molino 3, el cual trabaja con turbina.

En el sistema se tienen dos reductores de velocidad para todos los molinos, a excepcin del molino 3, que ti