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Producción de torque con variador y motor A.C.

Producción de torque con variador y motor A.C. Rockwell Automation Drives Business Reliance Electric. AC y DC Motor. Revisión de fundamentos de motores. Torque. 100%. La potencia de placa se alcanza a la rpm de placa, NO ANTES!. Potencia. Velocidad en placa. RPM. Motor Basics.

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Producción de torque con variador y motor A.C.

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Presentation Transcript

  1. Producción de torque convariador y motor A.C. Rockwell Automation Drives Business Reliance Electric Spring Update CD, May 2001

  2. AC y DC Motor Revisión de fundamentos de motores Spring Update CD, May 2001

  3. Torque 100% La potencia de placa se alcanza a la rpm de placa, NO ANTES! Potencia Velocidad en placa RPM Motor Basics La potencia de placa se alcanza en las rpm de placa HP = Torque * Speed / 5252 Zona de torque constante Zona de potencia constante Spring Update CD, May 2001

  4. Frame Bobinado del estator Rotor y eje Motor AC Estator trifásico con conexiones T1, T2 & T3 Spring Update CD, May 2001

  5. 120 * Frequency # Motor Poles Note que la Frecuencia es la única variable que puede influir el la velocidad del motor Operacion del motor AC Motor de dos polos RPM es igual a : Campo mágnetico rotatorio de motor de dos polos Spring Update CD, May 2001

  6. Conmutador y escobillas Armadura Motor DC Polos de campo Note que la armadura y el campo están fijos a 90° todo el tiempo La armadura el el campo están separados Spring Update CD, May 2001

  7. Voltaje - ( Caida Voltaje ) Flujo de campo Arm S N V V Funcionamiento de Motor DC Modelo Simple RPM es igual a: Ambos voltaje de armadura e intensidad de campo afectan la velocidad del motor Para aumentar el torque incrementamos la corriente de armadura Spring Update CD, May 2001

  8. Resumen: Puntos claves: • El motor de indución AC tiene un circuito: • Las conexiones al estator son T1, T2 y T3. • Los motores DC tienen tienen dos circuitos: • F1 y F2 para el campo. • A1 y A2 para la armadura. • Para tratar los motores AC como DC: • Veamos los AC como con dos circuitos Las diferencias mecánicas deben tratarsen matematicamente Spring Update CD, May 2001

  9. AC Drive Basics Fundamentos de variadores AC PWM Spring Update CD, May 2001

  10. Motor Red AC Diodo Rectificador Inversor IGBT Filtro DC Variador AC • El puent rectificador convierte AC en DC. • El voltaje DC es filtrado para reducir las variaciones. • El inversor convierte la DC en voltaje AC PWM. Spring Update CD, May 2001

  11. VLL @ Drive 500 Volts / Div. + DC Bus 1 - DC Bus 3 Phase Current 10 Amps / Div. M2.00s Ch1 1.18V Drive AC – Forma de onda PWM La onda PWM es una serie de pulsos repetitivos de voltaje Spring Update CD, May 2001

  12. Operation at Base Speed Voltaje de salida 460 460 / 60 = 7.67 V/Hz 230 115 Hz Frecuencia de salida 0 15 30 90 60 Frecuencia de palca Variado AC - Relación V/Hz La relación V/Hz determina que a frecuencia de placa se logra potencia de placa El motor es controlado por cambio de voltaje y frecuencia Spring Update CD, May 2001

  13. Output Voltage 460 230 / 30 = 7.67 V/Hz 230 115 Hz Output Frequency 0 15 30 90 60 Base Frequency AC Drive Basics - V/Hz Operation A 50% de la frecuencia de placa, la relación V/Hz determina que se logre el 50% de la potencia Funcionamiento a 50% de frecuencia de placa Al 50% de la velocidad, voltaje y frecuencia son reducidos a La mitdad Spring Update CD, May 2001

  14. A 25% de la velocidad se tiene 25% de la potencia de placa Voltaje de salida 460 115 / 15 = 7.67 V/Hz 230 115 Hz 0 15 30 90 Frecuencia de salida 60 Frecuencia de placa Variador AC – Funcionamiento V/Hz Funcionamiento a 25% de la frecuencia de placa A 25% de la velcidad, Voltaje y frecuencia decrecen en 3/4 Spring Update CD, May 2001

  15. Voltaje de salida 460 460 V / 60 Hz = 7.67 V/Hz + % BOOST 248 138 Aumento de Voltaje Hz Frecuencia de salida 0 15 30 90 60 Frecuencia de placa Variador AC – Funcionamiento V/Hz Para mejorar el arranque, se usa Incremento de voltaje que aumenta la magnetización del motor y el torque Aumentado el voltaje se mejora el torque en el arranque Spring Update CD, May 2001

  16. Variador AC – Funcionamiento V/Hz Aumentar el voltaje durante mucho tiempo recalienta el aislamiento del motor y puede resultar en un daño prematuro. Advertencia: La vida del aislamiento decrece 50% por cada 10C por encima de su temperatura de trabajo. Incapaz de trabajar como un motor DC, la industria va hacia el control vectorial Spring Update CD, May 2001

  17. Variador AC - Vectorial Si podemos separar y regular la componente de corriente que crea a torque en el motor, podremos regular torque en el motor, no solo la velocidad! Esta es la base del control vectorial La regulaión de corriente permite el control del torque Spring Update CD, May 2001

  18. Variador AC Fundamentos del variador vectorial Spring Update CD, May 2001

  19. Variador AC – Modelo del motor El modelo del motor se basa en los datos ajustados en los parámetros • Corriente de magnetización • Amperios de plena carga • Voltaje del motor • Frecuencia en placa • RPM en placa (Deslizamiento) • Potencia en placa La corriente de placa es el más importante de los datos Spring Update CD, May 2001

  20. Variador AC – Modelo del Motor Parametro: Corriente de magnetización • Corriente de magnetización es la corriente requerida para excitar el estator y las bobinas sin carga. • Corriente de magnetización: Corriente de vacio sin fricción • Determina el flujo mágnetico • (FLA - Mag. Amps) = 100% Torque Current • Una mala calibración de FLA puede reducir el torque La corriente de magnetización va del 35% al 50% FLA FLA = corriente a plena carga (Dato de placa) Spring Update CD, May 2001

  21. 100% Corriente para torque 90 Corriente de magnetización Variador AC – funcionamiento vectorial De esta forma el torque se produce aún a “0” RPM Corriente de magnetización = corriente de vacio Valor fijo de 0 RPM a RPM nominal La corriente de magnetización equivale a corriente de campo Spring Update CD, May 2001

  22. Variador AC– Modelo del Motor Parámetro: “Corriente a plena carga” (FLA) • El valor de FLA puede ajustar: • La sobrecarga del motor • La sobrecarga del variador • La disponibilidad de torque • (FLA x %OL) - Mag. Amps = Max. Corriente disponible para torque • Una mala calibración disminuye el torque y puede dañar el motor. Como cada algoritmo vectorial es único, revise este dato con el fabricante Spring Update CD, May 2001

  23. Variador AC – Modelo del Motor Parámetro: “Voltaje y frecuencia de placa” • Voltaje y Hz en placa pueden: • Determinan la relación de voltios y frecuencia a la salida del variador • Una mala calibración puede recalentar el motor, reducir la vida útil del aislamiento y el torque disponible. Debemos asegurarnos operación correcta del motor sin recalentamiento Spring Update CD, May 2001

  24. Variador AC – Modelo del Motor Parámetros: “frecuencia y RPM” • Determinan: • Cálculo del deslizamiento. • Espera medir unas RPM a determinada frecuencia • Permiten detectar y corregir errores de RPMs • Establecen el punto de debilitamiento de campo • Una mala calibración puede causar sobrecorrientes Los variadores AC regulan la velocidad teniendo en cuenta el deslizamiento Spring Update CD, May 2001

  25. Variador AC – Modelo del Motor Parámetro: “Potencia (HP ó Kw)” • La potencia puede ser usada para: • Estimar la impedancia del motor • Estimar la inductancia del motor • Calcular la ganacia para realimentación de torque • Una mala calibraciónpuede causar una pobre regulación de torque o velocidad La información de la potencia es vital Spring Update CD, May 2001

  26. 100% 100% Torque Current Torque Current 90 90 90 Magnetizing Current Magnetizing Current Variador AC – Funcionamiento Vectorial El Flux Vector actua más como un variador DC La corriente de magnetización decae por encima de la frecuencia de placa El debilitamiento de campo ocurre por encima de la frecuencia de placa Spring Update CD, May 2001

  27. 100% Torque Current Torque Current 10% 90 90 Magnetizing Current Magnetizing Current Variador AC – Funcionamiento Vectorial El torque del motor depende de la carga Los cambios en la corriente para torque dependen de los cambios de la carga Spring Update CD, May 2001

  28. 100% Torque Current Torque Current 10% 90 90 Magnetizing Current Magnetizing Current Variador AC – Funcionamiento Vectorial Torque en el eje del motor se basa en una referencia de torque La corriente de torque se basa en una referencia Spring Update CD, May 2001

  29. 100% Torque Current Pobre producción de torque Producción optima de torque Torque Current 90 ? Magnetizing Current Magnetizing Current AC Drive Basics - Vector Operation La corriente de torque debe estar a 90° con magnetización Sintonización inadecuada, incorrecta parametrización, mala realimentación de velocidad o baja potencia del variador ocasionaran mala regulación del torque. El torque es optimo solo cuando se mantienen los 90° Spring Update CD, May 2001

  30. ? Si los rodillos están acoplados durante el recorrido, se puede presentar una condición de velocidad directa y torque inverso. Use V/Hz or vectorial si la inercia o la velocidad es alta. Variador AC – Funcionamiento Vectorial Clase de carga: velocidad directa y torque inverso La forma en que la carga afecta al drive es crítico para el exito en la aplicación. La carga con velocidad directa y torque inverso es la más dificil de manejar. El tiempo para saber velocidad y posición es limitado por la inercia y la velocidad Spring Update CD, May 2001

  31. 100% Torque Current Torque Current Motor Current Motor Current 90 90 Magnetizing Current Magnetizing Current Variador AC – Funcionamiento Vectorial Corriente de motor = Suma vectorial de torque y magnetización Acá aparece el nombre de vectorial 100% A² + B² = C² Corriente del motor es la que se mide en sus fases Spring Update CD, May 2001

  32. Current Feedback Motor L1 L2 L3 E Micro P Variador AC – Funcionamiento Flux Vector Flux Vector regula corriente y torque usando velocidad del rotor y posición para optimizar torque en el eje junto con realimentación de corriente del motor. El encoder proporciona la información de rpm y posición Spring Update CD, May 2001

  33. HOT Motor % Torque Precisión del torque 5% o mejor ! COLD Motor Inch - Lbs Variaador AC – Torque y temperatura de rotor A medida que el motor llega a la temperatura de trabajo, la linealidad y precisíón del torque mejoran en Flux Vector Spring Update CD, May 2001

  34. Voltage Feedback Motor L1 L2 L3 E Micro P Variador AC – Control de campo orientado Es básicamente el mismo Flux Vector Control, con realimentación de Voltaje para detectar cambios de temperatura en el motor. El variador continuamente se adapta a los cambios de temperatura del motor Spring Update CD, May 2001

  35. Variadores AC - Resumen Ideas claves: • Los errores en la realimentación del encoder afectan el control: • Produciendo inestabilidad en la velocidad • Debe estar libre de ruido • Seleccione un encoder apropiado para motor vectorial • Tierras apropiadas son importantes • Los datos del motor deben ser precisos en el variador La información del motor medida o programada es la clave del exito Spring Update CD, May 2001

  36. Variador AC Actualmente hay dos tipos de variadores vectoriales • El de nucleo escalar • El de nucleo vectorial Todos los vectoriales sin realimentación no son los mismos Spring Update CD, May 2001

  37. Variador AC – Variador vectorial SVC basado en el escalar (V/Hz) • Usa un algoritmo sofisticado de limitación de corriente para mejorar el torque constante y el de arranque. • Necesita menos información para puesta en marcha ganando así simplicidad. • Puede manejar motores en paralelo. • Solo regula la frecuencia , fijando la corriente. • No regula el torque SVC con V/Hz puede manejar multiples motores Spring Update CD, May 2001

  38. Variador AC - Vectorial Solo vectorial: • Separa la corriente de torque y la de magnetización, para mantener el angulo de 90°. • El arranque es algo más complicado por que se necesita más información del motor. • Solo maneja un motor a la vez. • Controla velocidad y torque Spring Update CD, May 2001

  39. Sensores de corriente L1 Motor L2 L3 Micro P ( FVC + Speed Estimator ) Variador AC - Vectorial El variador SVC vectorial cálcula la velocidad del rotor y su posición Spring Update CD, May 2001

  40. POSICION RPMs TORQUE MOTOR La referencia de posición es opcional en la mayoria de controles vectoriales La referencia de velocidad es de uso común La referencia de torque puede ser directa, evitando el lazo de velocidad como referencia para aplicaciones como enrolladoras y Equipos de pruebas Variador AC – Lazos de control Hay tres lazos de control: 10 rad/sec 100 rad/sec 1,000 rad/sec Spring Update CD, May 2001

  41. Diagrama de control Flux Vector RED AC Referencia De velocidad + Torque Command Lazo de torque Lazo de velocidad Señales a los IGBTs Inversor PWM - Flux Command Realimentación de corriente Controlador de campo ACMotor Velocidad y posición rotor E Realimentación de velocidad AC Drive Basics - Regulator Diagram Spring Update CD, May 2001

  42. AC Motor Basics - Inverter Duty Motor para variador Spring Update CD, May 2001

  43. Ventilador si se desa trabajar a “0” RPM with 100% de Torque continuamente Algunos motores tiene el frame ajustado para disipar calor sin necesidad de ventilación forzada AC Motor Basics - Inverter Duty Spring Update CD, May 2001

  44. Seleccione el tipo de motor de acuerdo a sus necesidades Motor AC para inversor Tipo de motores AC Los motores con Frame T tienen en ´común la base y altura del eje. Los de Frame laminado proporcionan densidad an altas potencias y mejores curvas de comportamiento. Spring Update CD, May 2001

  45. El diseño del rotor afecta la producción de torque! El motor industrial estandar con rotor doble jaula de ardilla esta diseñado para lograr el mejor torque. El rotor “jaula de ardilla sencilla” está diseñado para usar con variador Motor AC para inversor El diseño del rotor cambia de motor a motor: Spring Update CD, May 2001

  46. El calentamiento del rotor afecta la produccíon de troque! Resistencia del estator Inductancia estator Inductancia Rotor + Current Working Inductancia de magnetización Resistencia Rotor Voltaje de entrada - Motor AC – Diagrama equivalente Diagrama del circuito equivalente del motor de inducción Spring Update CD, May 2001

  47. Motor diseño NEMA B Breakdown Torque (BDT) Regla del pulgar: El 80% de BDT se usa para cuando hay cambios subitos en la carga. Torque a plena carga Motor AC El torque pico depende de las características del motor Spring Update CD, May 2001

  48. Según la aplicación se debe escoger el motor por la curva de torque Motor AC – Region de operación NEMA Design “B” Motors vary in Breakdown Torque capacity Spring Update CD, May 2001

  49. 100 Torque 90 % TORQUE 80 Torque 70 60 50 40 Región aceptable Para operación continua 30 20 10 0 12 18 36 42 48 54 60 66 78 0 24 30 72 84 90 6 HZ Motor AC – Rango de operación Curva de motor para inversor con Variador Motor para variador a 1/10 de RPM placa Spring Update CD, May 2001

  50. 100 Torque 90 % TORQUE 80 Torque 70 60 50 40 30 20 10 0 12 18 36 42 48 54 60 66 78 0 24 30 72 84 90 6 HZ Motor AC- Rango de operación Curva de motor para inversor con variador AC La región de potencia constante va hasta el 150% de Frecuencia de placa Spring Update CD, May 2001

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