Características del funcionamiento del motor

9.2.7

Arranque por tiristores

El tiristor es un interruptor que puede ser conmutado en conducción (c2rr2-Do) y en corte (abierto) haciendo uso de potencias muy pequeñas y que no Tiene partes móviles. Su uso es un contactor o un inversor para conniuiacióa De altas potencias es obviamente adecuado. Su mayor ventaja es el alto rendimiento.

Lo ideal seria disponer de un motor de inducción que no requiriese equipo especial de arranque y cuya corriente de arranque no tuviese que ser Seis o siete veces mayor que la de carga.
Resulta muy antieconómico que los Circuitos de tiristor funcionen con estas intensas corrientes durante períodos Cortos, aunque el uso de los tiristores podría limitar las corrientes a un nivel Aceptable. Un sistema que no requeriría equipo adicional de arranque podría Ser uno de regulación de velocidad en un gran margen mediante el uso de un Inversor de frecuencia variable. En el arranque la frecuencia se ajustaría a Un valor todo lo bajo posible y, como la velocidad de funcionamiento es proporcional a la frecuencia, esta velocidad síncrona sería baja. Regulando el Aumento de frecuencia se regularía la velocidad y se limitarían las corrientes Transitorias. Sin embargo, si la aplicación del motor de inducción ha de ser Una transmisión a velocidad constante, entonces un simple contactor con Tiristores ofrece un buen método Para El Arranque

La figura
3.2 representa un regulador de tensión altera para el arranque De un motor de inducción en un circuito monofásico. Debido a que el tiristor Sólo deja pasar la corriente en un sentido, se conectan dos tiristores en paralelo -oposición, que dejan pasar la corriente alterna: La tensión de entrada Es fija. La tensión de salida se ajusta variando el periodo de conducción de Los tiristores, que son cebados alternativa y simétricamente respecto a la Onda de alimentación. El disparo tiene lugar en un punto ajustable del ciclo De tensión, como indica la figura 3.3. Esto es lo que se conoce por conmutación de fase. El ángulo de fase de cebado o excitación, a, disminuye desde Casi 180° para proporcionar ‘Una tensión baja cuando el motor arranca, Hasta 0° a plena velocidad y a la tensión nominal en los bordes del motor. La principal finalidad de este contactor de tiristores es la de limitar la corriente regulando la amplitud media de la tensión fundamental. Se pueden Mantener niveles aceptables de corriente sin pérdida apreciable de energía, Y en la figura 3.4 están representados algunos circuitos trifásicos ordinarios. En un sistema trifásico de cuatro kilos se requieren tiristores conectados en Oposición, pero en el caso de tres hilos puede ser reemplazado un tiristor de Cada par por un diodo, o pueden utilizarse sólo tres tiristores. Dos tiristores conectados en paralelo-oposición se pueden considerar Como una impedancia variable. Sóio cambian de impedancia desde o hasta. Infinito cuando ángulo de fase a varía de 0 a 180º. Estas impedancias Extremas se pueden ajustar mediante la adición de otros elementos. Por Ejemplo, en la figura 3.5 está representada una configuración de circuito cuya Impedancia equivalente se puede variar paulatinamente desde R, hasta (Ri+ + R2). Esta estructura de circuito puede ser conectada en serie con el devanado del estátor para arranque por resistencia de estátor. Para obtener un Mejor control del par motor se podría incorporar el mismo circuito en el del rotor del motor de inducción. Este segundo método de arranque da lugar a Mayores dificultades que el primero para cebar los tiristores exactamente en El punto preciso del ciclo, a causa de que debe ser detectado el ciclo de frecuencia de deslizamiento. Hay distorsión de forma de onda cuando los tiristores no conducen plenamente. Cuanto mayor ‘sea el ángulo de excitación a, mayor es el porcentaje De armónicos. Esto produce calentamiento adicional en la carga sin que Aumente la conversión de energía mecánica, y el factor de potencia es malo Incluso con carga resistiva, disminuyendo con la reducción de la tensión de Salida. Un método para lograr que la distorsión sea muy pequeña consiste en Utilizar reguladores junto con autotransformador, como indica la figura 3.6 En la que sólo está representada una fase. El arranque del motor de inducCión se efectúa a pequeña tensión con una buena forma de onda senoidal si Únicamente conducen plenamente THI y TH2. Adoptando la velocidad Como criterio de conmutación, los tiristores TH3 y TH4 pueden ser conec- Tados a fin de aplicar la tensión más alta al devanado y cortar a TH1 y TH2.

La figura 3.6 pone de manifiesto los principios básicos. Dos ejemplos Prácticosa ilustran dos maneras de ajustar la tensión para el arranque uthZando los tiristores para el cambio de tomas del transformador. En un ejemPlo se emplea un conmutador o cambiador mecánico convencional de toma Y sólo se utilizan los tiristores durante el cambio de toma. De esta manera Se puede eliminar el arco a causa de que los tiristores desvían de los contac- Tos la corriente durante el proceso de cicine y apertura del circuito. En c! Segundo ejemplo se reemplaza el cambiador mecánico de tomas por unida- Des de tiristores, por lo que no hay partes móviles. En la @yura 3.7 está representado un conmutador mecánico. Para arranCar el motor de inducción, el sector o contacto móvil cortocircuita los con- Tactos 22’. Al devanado de fase del estátor se aplica la más baja de las dos Tensiones, por lo que la corriente de arranque no excede de un nivel aceptaBle. Una vez que el motor de inducción ha alcanzado la velocidad de régiMen, el contacto móvil del.Conmutador se desplaza a los contactos 11’, Pasando por 2’, 2’1’ y 1’, para aplicar la tensión más alta, por lo que la Carga puede ser accionada con toda la potencia nominai de la máquina. Mientras los contactos 22’ están cortocircuitados, sólo los tiristores TH5 Y TH6 tienen aplicadas señales a sus terminales de puerta. Durante la se- Cuencia de la conmutación el contacto 2 queda en circuito abierto y el con- Tacto móvil sólo toca al 2’. La corriente continúa circulando por la carga a Través del camino provisto por TH5 y TH6, lo cual minimiza el arco cuando 2 queda en circuito abierto. Las señales de puerta de TH5 y TH6 son supri- Midas en esta etapa, por lo que en el primer cero de corriente los 2 tirisTores quedan bloqueados y la corriente de carga se desvía a través de Ro. Las señales de puerta son aplicadas & TH3 y TH4 de modo que, cuando los Contactos 2’ y. L’ entran en cortocircuito, el arco es mínimo los contactos 2’ y 1’ están a diferentes potenciales antes de que el contacto móvil los co- Necte entre sí). La impedancia de dispersión del transformador entre las Tomas, constituida por Roy Ri, limita la corriente circulante. Cuando el conTacto ¿’ queda en circuito abierto, TH3 y TF4 reducen el arco al minino. Después que el contacto 2’ queda en circuito abierto desaparecen las señales De puerta en TH3 y TH4, por lo que estos tiristores se bloquean en el siGuiente cero de corriente. En esta etapa el interruptor está conectado únicaMente al contacto -1’, por lo que la corriente de carga pasa por Ri partiendo De la toma de tensión más alta. Los tiristores TH1 y TH2 son disparados Para que conduzcan la corriente de carga, y luego minimicen el arco cuando El contacto móvil cortocircuita a l’1. Finalmente, la corriente circula directaMente desde la toma de tensión más alta a través del contacto 1, pero las Señales de puerta son aplicadas continuamente a TH1 y TH2 preparándolos Para otro cambio de torua. Los tiristores necesitan poca protección debido a que los conmutadores Mecánicos soportan las corrientes de avería y las sobretensiones durante el Funcionamiento normal. Sin embargo, se debe conectar una red RC para Prevenir las dv/dt transitorias y la tensión de cresta en la toma que se conMuta mecánicamente. En el segundo ejempio práctico-no se emplea mecanismo convencional De cambio de toma del transformador. El devanado secundario contiene Varias.Bobinas aisladas y, por consiguiente, independientes. Se pueden coNectar varias bobinas en serie para proveer la tensión necesaria. Las coneXiones se establecen por disparo de los tiristores correspondientes. Las Cinco bobinas secundarias de la secuencia binaria de la figura 3.8 pueden Proveer 31 niveles diferentes de tensión. Por consiguiente, la tensión de salida Varia de V a 31 V en escalones de V. A fin de obtener 17 V, los tiristores 1, S2, S3, S4 y 5. Conducirán y todos los otros estarán en corte durante los Semiciclos positivos y los 1’, S2’, S3’, S4 y 5’ conducirán y todos los otros Estarán en corte durante los semiciclos negativos. Los pares de tiristores en conducción, en serie con las bobinas hacen Posible que las tensiones de la bobina correspondiente contribuyan a la SaliDa, mientras los pares de tiristores en conducción, en paralelo con las bobiNas, impiden que contribuyan. Los pares de tiristores serie y paralelo de la Misma bobina nunca conducirán al mismo tiempo. El lugar de un par de tiristcres se podría utilizar un triac o un solo Tiristor en paralelo con un puente de diodos. El uso del triac depende del Valor de la dv/d: transitoria de conrzatación y el uso del puente de diodos Depende del coste comparativo.

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3.3 Regulación de velocidad del motor de inducción El motor de inducción se emplea comúnmente a causa de que es robusto y Relativamente simple y fácil de construcción. La carácterística par motor- Velocidad representada en la figura 3.9 es típica para una máquina de alto Rendimiento alimentada a tensión y a frecuencia constantes. El margen de Velocidad desde el funcionamiento en vacío o sin carga hasta la de carga En que se produce el atascamiento o paro del motor es sólo del 10 % de la Velocidad síncrona. Por consiguiente, la máquina es un motor de velocidad Sensiblemente constante. Sin embargo, a causa de la simplicidad del motor De inducción y de sus aplicaciones especiales, se han ideado varios procediMientos para conseguir que su velocidad sea ajustable. Los principios en que se basa la regulación de velocidad están relaciona- Dos con el ajuste de las tensiones del estátor y del rotor, el cambio de polos Pegulación del motor de inducción Y la variación de frecuencia. Los métodos de regulación de velocidad son Continuación de los métodos de arranque, pero se pueden enumerar adecuaDanente como sigue:

ii) Inversor de ciase 4 para motor de inducción trifásico. El inversor de clase 4 es una configuración de puente, y su forma se puede ver en la figura 3.18. Idealmente el tiristor es un interrupior. Está abierto o está cerrado. Si El suministro fuese de continua y despreciando los transitorios de conmutaCión de C y L, un tiristor conectado en la línea produciría una onda rectanGular de tensión entre los terminales de la carga. Con una carga trifásica tal Como un motor de inducción, cuyos tres devanados están desplazados en el Espacio 120° eléctricos, es necesario tener una configuración de conmutación Que produzca tensiones trifásicas de línea que también estén desplazadas 120°, pero en este caso con respecto al tiempo. La disposición básica у Mental está representada en la figura 3.25

Fig. 3.26 Onda de tensión en la carga y secuencia de disparo. Disparando cíclicamente los tiristores, sin o con variación angular del Solapamiento, se obtiene un suministro casi trifásico. Las tensiones de los Devanados con los impulsos de disparo están indicados en las figuras 3.26 Cuando no hay solape de tensión.

La figura 3.27 ilustra lo que ocurre en cuanto a ia f.M.M. En ei entreniITO del motor en función del tiempo. En el intervalo 0 a 1 (fig. 3.26) la Corriente sólo circula en la fase R y produce una f.M.M. Como en la figuTa 3.27 (a). Durante el intervalo siguiente 1 a 2, sólo conduce la fase Y y, Como se ve en la figura 3.27 (b), la f.M.M. Conserva la misma magnitud Aurque su dirección ha cambiado por haber girado 120º eléctricos. Durante 4 El intervalo 2 a 3 la f.M.M. Cambia girando otros 1209 hasta el intervalo 3 2 4 en que vuelve a tener su dirección original, babiendo girado 360º elécTricos y completado un cicio. Este desplazamiento angular de la f.M.M. Produce un flujo magnético casi rotatorio, lo que es necesario para el funCionamiento del motor de inducción. Ia alteración de la magnitud de los Intervalos secuenciales de tiempo alterará la frecuencia y, por consiguiente, La velocidad de la máquina. Hay otras varias maneras de crear una f.M.M. Escalonada -y-Torativa. Por ejemplo, una corriente que circule por R y B al mismo tiempo y luego Por Be Y como en la figura 3.25 utiliza los devanados más eficientemente  Y produce una f.M.M. Más alta aunque el paso o escalón sigue siendo 120°. En el otro extremo de la escala; sin conexión en estrella y con la corriente Circulando en cualquier sentido en cada devanado es posible un paso angú- Lar de 30º. Esto implica una disposición de la conmutación ( R), (B) y (Y) seguida por G+ R) (Y), etc., como en la figura 3.28. Las magNitudes de la f.N.M. Alternan con cada. Giro de 30°, por lo que hay desequiLibrio. Para conseguir el uso más eficiente de los devanados y siguiendo tan

• Fig. 3.29 Inversor trifásico de puente, clase 4.

Estrechamente como sea posible al suministro senoidal trifásico, se utiliza Un puente trifásico de modo que la corriente pueda alternar en los devanaDos. La figura 3.29 muestra la disposición general del puente aunque sin Detalles de los circuitos de conmutación. La figura 3.30 muestra las tensiones De los devanajos y la 3.31 muestra la carácterística de f.M.M. Para rotación Escalonada o en pasos de 60°. La forma rectangular de tensión produce una corriente estacionaria Ideal, que no obstante es bidireccional y, por tanto, la f.N.M. Es escalonada. Sin embargo, un análisis de armónicos pondrá de manifiesto una fuerte onda Connotación ocurrirá cada 1/6 de periodo. Es decir, comenzaado en THI De la figura 3.29, ios THI, 4 y 5 estarán en conducción. Al final de 1/6 de Un periodo, los THI, 4 y 5 se cortarán. Tan pronto como esto se realiza, TH1, 4 ó se conectarán y estarán conduciendo durante otro sexto de peRiodo antes de que se bloqueen los TH1, 3, 5 entrer en conducción. Esto Continuaría en pasos de tiempo y espacio secuencialmente, como muestra la

Figura 3.31. Los armónicos inferiores se reducen un poco de esta manera. Esta forma de conmutación forzada elegida para el inversor de puente Básico de la figura 3.29 puede adoptar muchas variantes sobre las seis for- Mas representadas en la figura 3.19. Algunas de éstas han sido ya descritas Por lo que en la sección siguiente se describirán otras nuevas.

C) Conmutación del inversor

En las tres secciones siguientes se describen tres tipos diferentes de conmuTación comprendidos entre las clases © y (d) de la figura 3.19. Estos son los Métodos de conmutación implicados en el inversor .McMurray,” el inversor Perfeccionado McMurray-Bedford 8 y el inversor con suministro auxiliar de Conmutación. Los procedimientos de diseño y la elección de los componenTes L y C se dan en las referencias citadas.

1. Inversor McMurray. El McMurray es un inversor conmutado por im- Pulsos en el cual se utiliza un circuito LC y un tiristor auxiliar para la con- Mutación en el circuito de carga. El impulso se deriva del circuito resonante LC y es aplicado para cortar a un tiristor que conduce la corriente de carga.
2. En la figura 3.32 sólo está representada la forma de puente monofásico. El inversor hace que conduzcan alternativamente TH1 y TH4, luego TH3 Y TH2. Todos los otros elementos tienen por objeto facilitar el corte y los Diodos conducen durante una parte de cada semiciclo para devolver la po- Tencia al suministro si la carga es reactiva.