Cap1. Introducción a Control
de Motores
INEL 5408 Control de Motores
Prof. Andrés J. Díaz Castillo
Contenido
• Importancia del Motor de Control
– Dispositivos de Potencia
– Operación de los dispositivos de potencia
• Motor Drive
– Máquinas eléctricas
– Convertidores de Potencia
– Controladores
– Carga
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Control de Motores
• Por medio del control de motores
hacemos que este desarrolle en todo
momento el torque y la velocidad
necesaria para realizar una tarea
específica aun cuando las condiciones de
carga y alimentación varíen.
– Motor DC se cambia el voltaje aplicado.
– Motor AC se cambia la frecuencia.
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Ventaja y Aplicaciones
• 65% de la energía
eléctrica es consumida
por motores.
• El control produce un
incremento en la
eficiencia de un 15 a
27%.
• Requiere un costo inicial
que tiene una tasa de
retorno que en el caso de
las bombas de altos
calibre es de 3 a 5 años.
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• Aplicaciones.
–
–
–
–
–
–
–
Propulsión eléctrica
Bombas y compresores
Actuadores de róbotica
Coveyors
Elevadores
Maquinas herramientas
Automatización de
procesos.
– Antenas.
– Fábricas de telas
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Dispositivos de potencia
•
•
•
•
•
•
Diodos
Power Transistor
SCR
GTO Thyristor
MOSFET
IGBT
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• Características
– Funcionamiento
– Rango de operación
de potencia.
– Rango de operación
de frecuencia.
– Ventajas.
– Desventajas.
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Energía manejada y energía
disipada.
• Potencia disipada es el
voltaje x la corriente que
tiene un dispositivo en un
determinado momento.
• Generalmente se
convierte en calor
(perdidas).
• Requiere utilizar métodos
de enfriamiento.
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• Potencia manejada es la
potencia que deja pasar a
la carga.
• Su valor máximo se
obtienen multiplicando el
voltaje en circuito abierto
multiplicado por la
corriente en cortocircuito.
• Es la potencia que realiza
trabajo útil en la carga.
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Modo de Interrupción de los
dispositivos.
• Operando un
transistor u otro
dispositivo como
interruptor se
minimiza la potencia
disipada y se
maximiza la potencia
manejada.
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• En este modo el
dispositivo trabaja
siempre en saturación
o en corte.
• En condiciones
ideales la potencia
disipada en ambos
estados es cero.
• Solo durante la
transición se produce
disipación.
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Frecuencia, densidad de potencia y
eficiencia.
• Mayor frecuencia mayor
densidad de potencia
• Menor frecuencia menos
pérdida.
• Existe una frecuencia
optima donde la
eficiencia se mantiene lo
suficientemente alta y se
puede conseguir buena
densidad de potencia.
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• Densidad de potencia
significa:
– Reducción de volumen del
convertidor.
– Reducción de peso
– Reducción de costo
• Eficiencia
– Menor consumo de energía
durante su operación.
– Mayor duración de baterías
en aplicaciones portátiles
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Diodos
•
•
•
Permiten el paso de la corriente
en una sola dirección.
La caída de voltaje en directo es
0.7V.
Importantes características
– Máxima reverse voltaje
– Máxima corriente en directo.
– Tiempo de recuperación en
inverso
•
•
Se consiguen rangos de voltajes y
corrientes en el orden de los KA y
KV a frecuencias de línea.
Para frecuencias altas se utilizan
Fast-recovering reverse-diodo,
que se pueden conseguir en el
rango de los 100A y 100V.
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D1
•
En aplicaciones de bajo voltaje los
diodos de germanio producen
caídas en directo de 0.3V
manteniendo la eficiencia en
niveles aceptables.
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Transistores de potencia
• Dispositivo de corriente
controlado por corriente.
• Operación optima en quasisaturación.
• Bajo voltaje de saturación.
• Baja impedancia de entrada.
• Operación máxima
–
–
–
–
–
V=1400V
I=1000A
Vce sat 2V
F=2 to 6Khz
Gain 4-10
• Se incrementa a 100 en
configuración darlignton.
• No se utilizan mucho hoy
en convertidores
modernos.
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Rectificadores controlados de
silicio
• Dispositivos de 4 capas.
Similar al diodo solo que
en foward necesita un
pulso para comenzar a
conducir.
• Se apagan cuando la
corriente se invierte o
pasa por cero.
• Debido a su dificultad de
apagado solo se utiliza
en rectificadores y
controladores de motores
de alta potencia
(>30MW).
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• La frecuencia de
operación es de 300 a
400 Hz.
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MOSFET Transistor
• Dispositivo de corriente
controlado por voltaje.
• Alta impedancia de
entrada.
• Alta resistencia de
conducción.
• Rango de operación
– V=100 a 100A
– V=1000 a 10A
– F=30KHz a 1MHz
– Perdidas en el estado on.
– Se puede utilizar para
sensar la corriente que
pasa a travez de el.
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IGBT
• Combinación de
MOSFET and BIPOLAR.
• Se controla con un voltaje
en la compuerta (alta
impedancia)
• El voltaje de colector a
emisor en directo es tan
pequeño como un
bipolar.
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•
•
•
•
•
Rango
1.2KA at 3.2KV
0.6KA at 6.6 kV
On state drop 5V
Freq: < 20KHz
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Calculando las pérdidas.
• Energía pérdidas de
conducción
E st  0 . 5V S I S [ t s1  t s 2 ]
• Energía pérdidas
encendido y apagado
E sc  I sV on [ t on  t d 2  t s 1  t d 1 ]
• Total pérdida de potencia
Psw 
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E sc  E st
t on  t off
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Sistema controlador
• Consiste de 4
elementos
– Máquina Eléctrica
Status
– Convertidor
– Controlador
Power
Torque/Speed
Controler
– Carga
Converter
/Position
Motor
Torque/Speed/Position
Load
Pressure/torque/Temperatrue
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Maquina eléctrica
• Tipos mas utilizado
en controles.
– DC
• Shunt,series,compound
,separetely-excited dc
motor
– AC
• Inducction,wound-rotor
syncchronous,permane
nt magnet syncronous
reluctance.
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• Criterio para
seleccionar un motor
–
–
–
–
Costo
Capacidad térmica
Eficiencia
Característica torque
velocidad.
– Acceleracíon
– Densidad de potencia
– Robustez
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Eficiencia del motor
• Es la razón entre la
potencia mecánica de
salida y la potencia
eléctrica de entrada.
• La placa del motor
generalmente ofrece
información de
Potencia, velocidad,
corriente y voltaje.
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• El torque se puede
encontrar utilizando la
siguiente ecuación
To 
m 
Power , W
Speed , rad / sec
2 N r

Po x 745 . 6
m
, N .m
, rad / sec
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Ejemplo de cálculo de eficiencia
•
Un motor de 5 HP y 1000RPM tiene voltaje de entrada 100V y 50 Ampere
si la resistencia de la armadura es 0.20ohm calule. A) torque en el eje.
B)potencia de airgap. C)torque de airgap C)torque de perdida en caja de
bolas y fricción del aire. D) eficieciencia del motor
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Power Converter
• Rectificadores
controlados
Rectificadores
– ACtoDC DCmotor
• Inversores
Inversores
– DCtoAC AC motor
• Cycloconverter
Cycloconverter
– AC Big Motor.
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Controlador
Torque/Speed/Position
commands
Torque/Speed/Position
feedback
Vc,Fc,Start,Shut-out
Controlador
Thermal and other feedback
• El controlador esta compuesto de circuitos de baja
potencia que pueden ser analogos o digitales. En este
se implementa el tipo de control (Torque o velocidad) y
las constantes (P I D) para cada variable. Tambien se
implementa acciones de control de seguridad para
protejer la maquina y la carga.
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Carga
T1,w1
B1
• La carga tiene una curva
caracteristica T vs Velocidad
que forma parte del analisis
completo del control de motor.
• Cuando la carga se acopla a
travez de engranaje el torque
T1 y la velocidad w1original se
transforman a otros valores T2
w2 proporcional al numero de
dientes N1 y N2 de estos.
Motor
Jm
N1
B2
Carga
Jl
N2
T1 w1  T 2 w 2
T 2  T1
N2
N1
2
 N1 
 J1
J  

 N2 
T2,w2
'
1
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