Antecedentes históricos
Figura
1
Leyenda de la
figura 1:
(1)
1913: Rectificadores de mercurio
Utilización de
rectificadores de arco de mercurio para controlar motores de c.c.
(2) 1915: Equipo Ward-Leonard
El equipo
generador Ward-Leonard permite por primera vez la velocidad variable de forma
completa.
(3) 1963: Tiristores
Primeros
accionamientos controlados por tiristor.
(4) 1985: Control Digital
Primeros
accionamientos de c.c. accionados digitalmente.
(5) Tecnología de control
La orientación
de campo del motor se obtiene utilizando un conmutador mecánico con escobillas.
El par se
controla utilizando la corriente del inducido (rotor) y la corriente de campo
del estátor separadamente excitado.
Las principales
desventajas son unos elevados costes de mantenimiento y una reducción de la
fiabilidad.
1.- ¿Qué variables se regulan en el control
electrónico de un motor de corriente continua?
1.1.- Generalidades
Los motores de
corriente continua son de fácil regulación, estando bien determinado su campo
de velocidades. Desde siempre han sido los ideales para aplicaciones donde la
precisión es crítica.
Las
características Par-Velocidad de un motor pueden modificarse actuando sobre
alguna de las variables que definen la ecuación de la velocidad del motor c.c.
En el control
electrónico se regula por:
·
Regulación por la tensión en el inducido
·
Regulación por el flujo de excitación
1.2.- Regulación por la tensión en el inducido
Modificando la
tensión del inducido, se obtiene una traslación de la característica
Figura
2
Este es el modo
de acción más utilizado. La variación de la velocidad se obtiene simplemente
por acción sobre la tensión de inducido.
1.3.- Regulación por el flujo de excitación
Se puede
aumentar la velocidad de la máquina, manteniendo la tensión del inducido
constante, simplemente desmagnetizando a la máquina, es decir, disminuyendo el
flujo de la misma.
Figura
3
La regulación
del flujo de excitación puede conseguirse por variación de la corriente de
excitación.
1.4.- Prestaciones y limitación de la velocidad
variable
Los límites de
la variación de velocidad en un motor c.c. aparecen a causa, esencialmente, del
colector (velocidad periférica máxima, dificultades de conmutación, etc).
Los límites en
el par, a causa de la corriente máxima, de los calentamientos y de la
desimantación.
Temporalmente,
se pueden exceder temporalmente los límites de par y de potencia, en el caso de
servicios intermitentes.
Figura
4
Las
prestaciones de potencia pueden alcanzar algunos MW.
En velocidad
pueden estar desde algunas r.p.m. hasta 10.000 r.p.m. máximo, con rangos de
velocidad de 1 a 1000; incluso mucho más.
2.- Variación de la velocidad con rectificadores
2.1.- Generalidades
Para variar la
tensión en bornes del motor pueden usarse rectificadores a base de tiristores
que suministran una corriente continua a los motores a partir de una corriente
alterna que toman de una red monofásica o trifásica.
Figura
5: Equipo de tiristores para el accionamiento de motores de c.c
2.1.1.- Proceso de regulación
El rectificador
T alimenta el inducido del motor M. La velocidad n del motor, medida con una
dinamo tacométrica D se compara con la velocidad de referencia dada por el
potenciómetro Pt, y la diferencia, denominada normalmente "tensión de
error" es amplificada mediante el amplificador A, antes de cambiarla al
generador de impulsos G-I. Éste es el llamado BUCLE DE REALIMENTACIÓN DE
VELOCIDAD.
Se añade otro
bucle de realimentación de CORRIENTE, mediante la utilización del Shunt Sh, que
entrega una tensión proporcional a la intensidad del inducido Ii en una de las
entradas del amplificador A'. En la otra entrada de este amplificador se
inyecta la tensión de salida procedente del amplificador A.
Obsérvese que
se da prioridad a la acción del bucle de corriente, a fin de que la corriente
Ii no pueda sobrepasar en ningún momento el valor máximo fijado.
El generador de
impulsos genera los impulsos de cebado a los tiristores con un desfase que será función de la tensión de control que
proporciona el amplificador A' al generador de impulsos.
Curiosidad
Durante mucho
tiempo se utilizó el denominado "grupo Ward-Leonard" para obtener la
tensión Ui variable en el inducido para modificar la velocidad del motor.
En la
actualidad este sistema ha quedado obsoleto y ha sido completamente desplazado
por los rectificadores a tiristores, siendo un pequeño rectificador auxiliar el
encargado de proporcionar la corriente constante de excitación.
2.2.- Variadores de continua no reversibles
Se utilizan
cuando un motor de c.c. sólo debe girar en un sentido y la carga no requiere
frenados rápidos.
Dentro de este
grupo de variadores puede hacerse una clasificación en tres subgrupos:
·
Montajes
alimentados con tensión monofásica.
·
Montajes a
media o baja potencia alimentados con tensión trifásica.
·
Montajes de
gran potencia alimentados con tensión trifásica.
2.2.1.- Variadores de continua no reversibles
(Monofásicos)
Por lo general
sólo se alimentan con tensión monofásica los variadores de velocidad de pequeña
potencia, hasta 10 kW aproximadamente, aunque hay un caso especial que es el de
los motores de tracción eléctrica de las locomotoras ferroviarias siendo de muy
altas potencias y monofásicos.
Figura
6
El montaje más
utilizado es el puente monofásico con dos posibilidades:
2.2.1.1.- Puente
totalmente controlado:
El puente
totalmente controlado no presenta problema alguno para variar la Ui desde + Uimax
a cero e incluso puede llegar a invertirla. Por tanto, permite trabajar en dos
cuadrantes (I y II) limitándose a aplicaciones de unos 10-15kW.
Figura
7
2.2.1.2.- Puente
semicontrolado
Para variar la
tensión de salida del montaje entre Umax y cero debe aumentarse el ángulo de
retardo de cero a , lo que entraña dificultades de
conmutación cuando es elevado y obliga
a disponer de un "ángulo de seguridad". Por este motivo debe
incorporarse un diodo de "rueda libre", D, que facilita la
conmutación para débiles valores de Vmotor y, por lo tanto, de la velocidad.
Por este mismo
motivo, este rectificador sólo permite trabajar en un cuadrante limitándose a
aplicaciones no superiores 15kW.
Figura
8
Figura
9: Esquema simplificado de un regulador no reversible con
puente
monofásico semicontrolado
Leyenda de la
figura 9:
(1) Circuito
inductor derivación (shunt).
(2) Rectificador
que alimenta a la excitación derivación (shunt).
(3) Resistencia
limitadora.
(4) Rectificador
de potencia que alimenta al inducido.
(5) Circuito
inducido
El rotor lleva
en un extremo de su eje, una dinamo tacométrica
- Tensión y
compensación de IR, o mediante dinamo tacométrica.
- Limitación
de intensidad ajustable durante el arranque, o en caso de sobrecarga del motor.
- Rampas de
aceleración y deceleración ajustables por separado.
- Control
mediante potenciómetro de las siguientes funciones: aceleración y deceleración,
velocidad o tensión de intensidad máxima, compensador de IR, etc.
(6) Alimentación
de c.a. monofásica.
(7) Dinamo
tacométrica para control de velocidad.
(8) Sincronismo.
(9) Generador
de impulsos.
(10) Regulación
de intensidad (I).
(11) Rectificador
c.a. a c.c. (~/=).
(12) Aceleración.
(13) Regulador
de velocidad (n).
(14) Potenciómetro
de referencia.
(15) Entrada de
dinamo tacométrica para control y regulación de la velocidad.
2.2.1.2.1.- Características
de este equipo
Posibilidad de
regulación de la velocidad o del par motor.
Circuito de
control en lazo que admite dos tipos de realimentación:
- Tensión y
compensación de IR, o mediante dinamo tacométrica.
- Limitación
de intensidad ajustable durante el arranque, o en caso de sobrecarga del motor.
- Rampas de
aceleración y deceleración ajustables por separado.
- Control
mediante potenciómetro de las siguientes funciones: aceleración y deceleración,
velocidad o tensión de intensidad máxima, compensador de IR, etc.
2.2.1.2.2.- Ejemplo
de características técnicas del circuito de control
2.2.1.2.3.-Ejemplo
de características técnicas del circuito de potencia
Figura
10: Convertidor monofásico unidireccional
Curiosidad
En la práctica
suele utilizarse el montaje semicontrolado pues es más económico (sólo dos
tiristores), da un rizado de tensión rectificada más pequeño y un mejor factor
de potencias, lo que significa un menor consumo de potencia reactiva.
Sin embargo si
se prevé el funcionamiento a pequeñas velocidades y carga débil es preferible
usar el totalmente controlado pues el semicontrolado en estas condiciones es
problemático.
2.2.2.- Variadores de continua no reversible
(Trifásicos de media o baja potencia)
En este caso se
utilizan normalmente los montajes en puente trifásico para evitar el empleo de
un transformador. Fundamentalmente pueden utilizarse dos configuraciones:
·
Puente
totalmente controlado (con seis tiristores)
·
Puente
semicontrolado (con tres tiristores y tres diodos)
El montaje
mixto es más económico que el completo, sobre todo para potencias elevadas,
debido al hecho de que requiere la mitad de tiristores. Además, la potencia
reactiva tomada de la red es más pequeña, teniendo el inconveniente de dar una
tensión de orden 3, en lugar de la de orden 6 que entrega el puente completo
con tiristores.
Figura
11
Figura
12: Esquema simplificado de un regulador trifásico unidireccional
totalmente
controlado
Leyenda de la
figura 12:
(1) Red
trifásica de corriente alterna, 220V/380V; 50/60 Hz. Si el equipo es de otra
tensión, habría que colocar un transformador.
(2) Transformador
- Rectificador a tensión constante, con la que se alimenta el devanado
inductor.
(3) Rectificador
de corriente con variación de sus valores en función de los consumos del motor,
devanado inducido.
(4) Equipo
rectificador de corrientes trifásicas, a base de tiristores.
(5) Motor de
c.c. Devanado inducido.
(6) Dinamo
tacométrica accionada por el motor M.
(7) Devanado
inductor de excitación shunt.
(8) Modulador.
(9) Regulador
de la corriente.
(10) Regulador
de la velocidad.
(11) Comparador.
(12) Rampa de
aceleración.
(13) Potenciómetro
exterior de regulación y selección de la velocidad.
Curiosidad
Para medianas
potencias se utiliza corrientemente el puente mixto, pero en general se añade
una inductancia de alisado (o de aplanamiento) en serie con el inducido del
motor.
Para bajas
potencias, se emplea indistintamente el puente mixto con inductancia de
alisado, o el punto completo, que permite la supresión de dicha inductancia.
2.2.3.- Variadores de continua no reversibles
(Trifásicos de gran potencia)
Los equipos de
gran potencia se alimentan normalmente por medio de una red trifásica y bajo
una tensión tal, que requiere la utilización de un transformador reductor.
Por otro lado,
hay que disminuir el rizado de la tensión rectificada aplicada al motor y
procurar un consumo adecuado de potencia reactiva de la red (el menor posible),
así como que la intensidad tenga un nivel de armónicos no demasiado elevado.
Fundamentalmente
se utilizan dos configuraciones:
Figura
13: Montaje elevador-reductor
Figura
14: Montaje con doble puente mixto
Curiosidad
Tanto el
montaje elevador-reductor como el doble puente mixto utilizan un transformador
con dos secundarios que proporcionan sistemas de tensiones trifásicas iguales,
pero decaladas π/6.
En el montaje
elevador-reductor, se añade a la tensión rectificada constante Uimax / 2 dada
por el puente con diodos, la tensión variable que entrega el puente completo
con tiristores (que puede variar entre +Uimax y -Uimax.)
En el montaje
con doble puente mixto, se suman dos tensiones rectificadas variables entre
Uimax y cero.
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