BRAINCON

CONTROL PID CON CONVERTIDORES DE FRECUENCIA (4)

2014-04-10T17:48:00.000-07:00

Como se comentó en el post anterior, la acción proporcional no permite que la presión del sistema hidráulico se acerque al valor de la consigna, debido a un error constante conocido como offset.

ACCIÓN INTEGRAL I

Con esta técnica se aplica una corrección continua a la salida de frecuencia, para intentar reducir a cero la señal de error mencionada anteriormente (offset en la acción proporcional pura).

Esta acción produce un cambio en la salida cuando hay una señal de error. Responde al tamaño y a la duración del error mientras este esté presente. Esto se debe a que al integrar matemáticamente una señal constante se obtiene un resultado creciente en el tiempo.

La ganancia integral es la inversa del tiempo de integración Ti. A mayor ganancia integral mayor será el acercamiento de la variable de proceso al valor del set point pero se demora mas tiempo en hacerlo.

Si es muy elevada esta ganancia puede haber overshoots y también oscilaciones en la mayoría de los sistemas industriales.

Si la ganancia integral es baja puede perderse “rigidez” en el sistema, es decir la capacidad del sistema de responder a variaciones en el torque de la carga.

El control integral se activa con errores de largo plazo. No responde a transitorios cortos.

En el banco de bombas Braincon, con un set point del 43% se realizó una serie de experiencias a diferentes ganancias proporcional e integral. A continuación se muestran algunos de los resultados obtenidos.

Para Ki = 0.043 y diferentes KP:

No se logra una reducción del offset con tan poca ganancia integral.

Para KP= 4 y diferentes KI:

Se observa que al aumentar KI se reduce el error, pero se demora mas tiempo en estabilizar al sistema.

Se podría esperar mejoras en el offset aumentando KI, pero por ejemplo con esta sistema y un KI de 6, no solo no se logra mejorar el offset sino que el sistema empieza a oscilar:

Continuará....

CONTROL PID CON CONVERTIDORES DE FRECUENCIA (3)

2014-04-10T17:27:00.000-07:00

La frecuencia de salida es proporcional a la señal de error. Esto obliga a que siempre haya un error, para que haya frecuencia en la salida... A este concepto se le llama offset.

PROBLEMAS CON EL OFFSET EN LA ACCIÓN PROPORCIONAL.

Se realizó una serie de mediciones en el banco de bombas PID Braincon, utilizando un set point del 50% y cambiando el valor de la ganancia proporcional (P520). Se graficó el valor del Set Point (violeta), la variable de proceso (azul) y la frecuencia de salida del convertidor (rojo)

Algunos ejemplos:

El error en régimen permanente se va reduciendo a medida que se aumenta Kp. En los gráficos anteriores los valores obtenidos son 9.1 7.3 y 6.7% respectivamente. Ese error no se puede eliminar con un control solamente proporcional.

El resultado es que no se puede lograr la presión deseada, siempre se logra un valor menor. (OFFSET)

Para corregir este error, se debe configurar una acción integral, tema del post siguiente.

NOTAS:

La ganancia proporcional está activa siempre, no se puede eliminar esta acción.

Un detalle importante: la acción proporcional no depende de la duración de un transitorio.

A la inversa de la ganancia proporcional se la denomina banda proporcional.

CONTROL ON-OFF

Sería como utilizar un presostato en lugar de un transmisor de presión: se conecta el convertidor cuando hay baja presión y se lo apaga cuando llega al umbral del presostato. No sería útil realizarlo con convertidores de frecuencia... Si a un control proporcional se le pone una ganancia infinita o cero se obtiene un control ON-OFF. En rigor, el control proporcional entrega una acción proporcional a la señal de error dentro de un rango de funcionamiento o zona de proporcionalidad. Si el error supera esa zona, la salida del controlador será cero o máximo es decir un control on off (o todo-nada).

Con un control ON-OFF no se puede lograr un equilibrio exacto. Sería por ejemplo el caso de un compresor o un sistema de automáticos de tanque. El sistema enciende por debajo de un valor y corta por encima de otro (histéresis). Con un control proporcional se trata de mantener un nivel definido de la variable de proceso, todo el tiempo sin histéresis.

CONTROL PID CON CONVERTIDORES DE FRECUENCIA (2)

2014-04-10T17:05:00.000-07:00

Para mantener la variable de proceso en el valor deseado se requieren de algunas acciones sobre la frecuencia del convertidor. Ya se mencionó en el post anterior que las acciones de los controladores PID son 3:

· Proporcional
· Integral
· Derivativo

ACCIÓN PROPORCIONAL.

Para evitar cambios bruscos en la presión ante cambios de carga, se puede ajustar al convertidor para que varíe la frecuencia de salida en forma proporcional a la diferencia entre la variable de proceso y el set point. A mayor diferencia mayor frecuencia (en un control directo, en uno inverso será menor frecuencia).

El factor de proporcionalidad se conoce como ganancia proporcional Kp. A diferente ganancia diferente serán la respuesta del convertidor, dado que a igual diferencia de tensión de error entregará una frecuencia de salida mayor o menor.

Por ejemplo, para un CFW08 de la casa WEG, se obtuvo la siguiente relación entre señal de error, frecuencia de salida y ganancia proporcional:

Los valores del gráfico anterior fueron obtenidos en el banco de bombas PID Braincon, con un CFW08 y los parámetros:

P133=3Hz, P134=66Hz, P525=50%, P521=P522=0.

La señal de error usada en el eje x es la diferencia entre P525 (SET POINT) y P040 (PROCES VALUE)

Evidentemente el control tiene un límite, ya que no se puede obtener una frecuencia mayor que las máximas o mínimas permitidas (P133 y 134 del CFW08).

Una ganancia proporcional muy grande hace que el sistema responda muy rápido a un cambio en la presión de la cañería ya que la frecuencia cambia en un valor grande ante la señal de error. A partir de la respuesta del conjunto la señal de proceso empezará a aumentar y el convertidor bajará la frecuencia. Si la ganancia es demasiado elevada puede resultar en un comportamiento inestable.

OFFSET

Un inconveniente del control proporcional es que siempre queda una señal de error (OFFSET), es decir queda una diferencia entre la variable de proceso y el set point, que se hace más pequeña cuanto mayor sea la ganancia Kp. Si se desea eliminar este error permanente, debe introducirse una corrección manual o automática (de esto se trata la siguiente acción: la acción integral).

En el próximo post se verán algunos ejemplos para clarificar este problema.

CONTROL PID CON CONVERTIDORES DE FRECUENCIA. (1)

2014-04-10T16:47:00.004-07:00

Los convertidores de frecuencia cuentan con un modo de control en lazo cerrado que permite ajustar la velocidad del motor en base a una señal de referencia externa que debe mantenerse en un valor predeterminado.

Por ejemplo si se desea controlar la presión en un sistema hidráulico, se puede colocar un transmisor de presión en la cañería:

El transmisor de presión entrega una tensión x (variable de proceso) de 0-10V o una corriente de 4-20mA. Esta señal se conecta a la entrada analógica del convertidor (que debe configurarse para leer una variable de proceso).

El convertidor de frecuencia debe configurarse en modo PID para de esa forma poder indicar por teclado o por otra entrada analógica (en el caso del CFW08 plus) un valor de consigna w (SET POINT) es decir el valor de tensión que debería tener la salida del sensor que indica la presión del sistema, cuando la bomba está funcionando.

Existen dos algoritmos comúnmente utilizados en los controladores PID: Paralelo y Serie. A continuación se mostrarán los diagramas en bloques y las ecuaciones que rigen a ambos algoritmos. El objetivo de este post es ver técnicas experimentales de ajuste de las variables del controlador, no se va a realizar un análisis matemático complejo del mismo, solo se plantean las ecuaciones para comprender parte del formalismo.

Un control PID tipo paralelo sería:

En este diagrama genérico, la referencia de frecuencia del convertidor se define como:

Donde la señal de error e(t) se define por:

Siendo KP, KI, Kd las ganancias proporcional, integral y diferencial respectivamente.

Un control de tipo serie sería:

El PID serie (o interactivo) es uno de los mas utilizados, especialmente en equipos analógicos antiguos (se realizaba con amplificadores operacionales y el hecho de ser serie permitía lograrlo con menor cantidad de componentes) y se lo siguió utilizando en algunos equipos digitales por tradición.

Las respuestas de ambos tipos son similares.

Esta última es la configuración adoptada en el CFW08 de WEG. El CFW09 utiliza la anterior.

GLOSARIO.

Variable de proceso o variable controlada (X): es la señal que entrega el sensor que mide la variable que se quiere controlar (temperatura, presión, caudal, etc)

SET POINT (W): es el valor que se desea obtener de la señal.

Error u offset (e(t): diferencia entre la variable de proceso y el set point.

En el próximo post se analizan las acciones del controlador PID (acciones proporcional, integral y derivativa).

ARRANQUE ESTRELLA TRIANGULO (2): Ajuste del timmer

2014-02-13T17:38:00.001-08:00

Cómo se debe ajustar correctamente el tiempo de conmutación en un arranque estrella triángulo?

Continuando con el post anterior donde se habló de los inconvenientes en la conmutación de un arranque ET se va a analizar como ajustar correctamente el tiempo de conmutación. Este DEPENDE DE LA CARGA, tanto de su inercia como de su par resistente. No se puede dar un valor correcto "genérico", se debe sintonizar el arrancador con la carga en la puesta en marcha de la máquina.

Para que la corriente en la conmutación sea lo menor posible, se debe ajustar el temporizador de forma que el motor haya llegado a aproximadamente el 90% de la velocidad nominal durante la fase estrella antes de realizar el cambio. Esto no es difícil de lograr. Si el arranque dura unos segundos, se puede medir la corriente y contar el tiempo que tarda en establecerse el régimen. Con un poco de práctica "a oído" se logra el ajuste correcto, cuando el motor deja de acelerar, se debe hacer la conmutación.

ES MUY IMPORTANTE ESCUCHAR A LA MAQUINA.....

Que sucede si no se da el tiempo correcto?. Las mediciones siguientes se realizaron con un motor de 5.5 HP con carga inercial en diferentes valores de tiempo.

1) Tiempo muy largo:

El motor se queda accionando a la carga con baja tensión, está forzado innecesariamente. No se recomienda, salvo que el par resistente sea muy bajo.

2) Tiempo muy corto:

El transitorio de conmutación dura demasiado, el golpe en el eje es importante, se oye y se siente la vibración en la máquina.

3) ajustes correctos:

Se deja un pequeño margen de seguridad, para evitar que algún cambio en la carga lleve a la situación 2. Es preferible que el tiempo sea un poco mas largo, 10 al 20% del valor medido inicialmente es algo razonable, pero esto depende mucho de la experiencia que se tenga con ese tipo de máquinas. Si no hay posibilidades de variación de carga se lo puede ajustar mas.

DETECTOR DE SECUENCIA DE FASES

2014-02-13T15:07:00.001-08:00

Es habitual tener que conocer el orden de las fase en un tablero industrial. Algunas máquinas no admiten la prueba de giro en sentido inverso bajo ningún aspecto así que se debe tener la certeza de que el ordenamiento de las fases es el correcto antes de energizar la máquina.

No hay forma de saber cual es L1 L2 y L3, (o R, S, T para los mas veteranos...) a los fines prácticos solo interesa el ordenamiento. Una secuencia, positiva es decir, L1-L2-L3 es en cuanto al sentido de giro de los motores, idéntica a una L2-L3-L1 o a una L3-L1-L2. En cambio una secuencia L2-L1-L3 genera un giro en sentido inverso.

Se comercializan distintos dispositivos que realizan dicha función, pero habitualmente la tarea surge en "obra" donde no siempre se tiene al susodicho encima...

Hay distintas soluciones simples para este tema.

1) tener un motor pequeño normalizado.

Si se conecta el motor L1->U1, L2->V1 y L3 -> W1, el sentido de giro visto desde el eje del motor debe ser en el sentido que se mueven las agujas de un reloj. Los bornes U-V-W vienen identificados en la bornera del motor. Si gira al revés se deben invertir dos cables cualesquiera y se obtiene la secuencia positiva.

2) tener un relé de secuencia de fases. Este dispositivo detecta la secuencia y luego de 1 segundo activa un relé y enciende un led. Si no enciende la secuencia era incorrecta, se deben conmutar dos cables cualquiera.

3) tener 2 lamparitas de 25W y un capacitor de 0.47microF * 630V de poliester...
Se arma la serie entre las dos lámparas (tienen que ser incandescentes, no sirve led ni fluorescente compacta) y en el centro de la misma se conecta (en estrella) el capacitor.

La lámpara que enciende mas es L1, la otra L2 y el capacitor L3!!!!

No es un instrumento normalizado pero resuelve el problema...

MODBUS CON CLIC02 Y CFW08 (2)

2014-01-27T03:07:00.001-08:00

Un segundo ejemplo de como hacer la comunicación con Clic02. En este caso se desea leer 3 parámetros del CF y presentarlos en la pantalla del Clic. Se va a leer la frecuencia (P002), la tensión en la salida (P007) y además el valor del tiempo de la rampa de aceleración (P100).
En el ladder se arma una secuencia paso a paso, para garantizar el enclavamiento del puerto, es decir que solo una instrucción MU lo acceda por vez.
La sección de control de pasos del ladder es la siguiente:

Se está usando como una de las condiciones de transición de pasos la señal de la marca M3D del Clic que indica que terminó un telegrama Modbus. De esta forma se pasa a la instrucción siguiente solo si terminó la transmisión anterior.
El control de las salidas (al puerto y a la pantalla del clic) es el siguiente:

La configuración de las MU se hizo de la siguiente forma:

En el post anterior, se usaron DR, acá se accede directamente desde la casilla Comm Add. a la dirección deseada (en Hexa) del esclavo, como para ver otra alternativa de programación de MU.

La pantalla se configuró así:

El resultado en pantalla es el valor de P002 multiplicado por 100, el de P007 y el de P100 multiplicado por 10. Por ejemplo para 40Hz, 168V y 5 seg se verá lo siguiente:

En el próximo post se indica como escribir un parámetro en el CFW08 desde el Clic02.

MODBUS CON CLIC02 y un CFW08 (1)

2014-01-26T19:05:00.002-08:00

Con las versiones 3.X del Clic 02 de WEG (o el SG2 de la firma TECO) se abre la posibilidad de utilizar a este equipito como master Modbus y realizar una pequeña red con otros dispositivos.
La idea es comunicar dos o mas equipos:

En los siguientes ejemplos se muestra como acceder a parámetros del CFW08 y verlos en el HMI del Clic.

CIRCUITO
Se debe conectar al Clic con el puerto RS485 del convertidor. Este se forma con una HMI opcional que cuenta con dicho puerto.

El clic debe contar con un puerto. Por ejemplo el modelo 20VT-D como el que se va a usar en estos ejemplos y debe ser de la versión 3.X. En el frente del PLR figura como 3rd en rojo.

El clic tiene etiquetados los terminales del puerto en forma invertida.
Se debe utilizar un cable de tipo RS485 ( par trensado enmallado) conectando el terminal A del Clic con el B del CFW08 y el B del Clic con el A del CFW.

Es recomendable colocar una resistencia de 120 Ohms en cada fin de línea para evitar reflexiones. La HMI del CFW08 la incluye, se deben habilitar los dipswitch ubicados cerca de la bornera del puerto.

CONFIGURACION DEL CFW08
Se configura el puerto de comunicación con los mismos parámetros que se usan en el Clic 02:

P308= 2 (dirección en la red Modbus)

P312=3 (Modbus RTU, 9600 bps, paridad par)

P314=0 (sin función watch-dog)

CONFIGURACION DEL CLIC02

El clic02 se configura en el modo Modbus, para ello debe colocarse el Remote I/O en N y la dirección del master en un valor diferente de 0 (1 en este caso).

UN PRIMER PROGRAMA

El Clic 02 cuenta con las instrucciones MU para enviar telegramas Modbus. Dado que solo hay un puerto se debe realizar en el ladder enclavamientos para que solo una instrucción MU se utilice por vez. En este primer ejemplo se va a usar solo una instrucción MU.

1- En el registro DR 01 se indica que se debe leer la dirección de memoria 2 del esclavo (correspondiente al P002 del CFW08, es decir a la frecuencia de salida).

2- La longitud el dato se indica en el DR 02 (1 en este caso).

3- En la instrucción MU, se indica que el master debe leer en el esclavo 2, la dirección indicada en el DR 01. El resultado leído se almacena en el DR E0.

4- La pantalla H1 indica el valor leído y almacenado en ese registro.

INSTRUCCIÓN MU1:

El modo 1 indica leer un registro, en el remote ID 2 (el CFW08), en la dirección indicada en Comm. Add, es decir la indicada en el registro DR 01, con longitud guardada en el DR 02, y el resultado leído en el CF se guarda en el registro DR E0 del Clic.

La pantalla H1 se configura de esta forma:

De esta forma se visualiza el valor de la frecuencia multiplicada por 100 en la pantalla del Clic02 mientras esté accionada I1.

Los telegramas intercambiados entre maestro y esclavo son los siguientes:

Mas detalles sobre el protocolo Modbus en el manual Introducción a los PLC, relés lógicos programables del autor de este Blog. En siguientes post se verán otros ejemplos.

GOLPE DE ARIETE

2013-06-17T09:08:00.000-07:00

Al trabajar con bombas es habitual escuchar un estampido en el momento del apagado. Este se debe a que la energía cinética del fluido no se puede disipar inmediatamente y la masa de agua sigue moviéndose y rebotando contra la válvula de retención. Esto produce un transitorio de presión en el sistema que deteriora cañería, sujeciones mecánicas y válvulas. Este transitorio se conoce como golpe de ariete (water hammer).

Existen técnicas mecánicas para amortiguarlo (como siempre en ingeniería, la palabra "eliminar" es mala palabra... valga la redundancia!) que no serán tratadas aquí. Sí, se analizan dos variantes de control del motor y su influencia en la amplitud de este golpe.

Los valores indicados corresponden a una bomba KSB equipada con un motor WEG de 100HP, 1485 RPM, que abastece (junto con otras 4) una planta de bombeo ubicada en zona sur del gran Buenos Aires.

Estas bombas toman agua de una cisterna y la elevan a un tanque de aproximadamente 30m de altura ubicado a unos 30m de la estación de bombeo. Este tanque lleva por acción de la gravedad, el vital elemento hasta la ciudad.

CON ARRANQUE ESTRELLA TRIANGULO

En el video que sigue se visualiza el arranque y la parada de la bomba con un arranque estrella triángulo convencional:

En este video, se escucha un fuerte estampido cuando golpea la válvula de retención y se observa la amplitud de la vibración en la cañería incluso después del manchón.

A continuación la evolución de la corriente (en Amperes y segundos) durante el funcionamiento de la bomba.

Se ve una corriente de arranque (en estrella) del orden de 280A de pocos segundos de duración, un breve tiempo (10 segundos aproximadamente) de corriente cercana a los 140A en triángulo y luego la corriente de régimen permanente de aproximadamente 120A (la nominal del motor es de 139A)

Los siguientes son oscilogramas de corriente en una fase, donde se indica, solo como anecdótico para aquellos que hayan seguido post´s anteriores, el transitorio de la conmutación E-T en el primero y el efecto del capacitor de factor de potencia en la parada final en el segundo:

CON ARRANCADOR SUAVE

En el mismo tablero, se reemplazaron los contactores del E-T por un SSW07 de 171A. El banco de compensación de factor de potencia, se activa con un contacto auxiliar del equipo, cuando se termina la rampa de aceleración.

Si la misma bomba se acciona con un arrancador suave, se logran dos ventajas: una reducir la corriente de arranque, sin conmutación (como el pasaje de estrella a triángulo) con su efecto favorable sobre la red y a su vez sobre el transitorio de presión. Y la segunda ventaja es reducir el golpe de ariete en la parada. Esto último se logra haciendo que el motor se encargue de frenar a la masa de agua lentamente, de forma que la energía se vaya reduciendo lo más suavemente posible.

Desde el punto de vista de la parametrización del arrancador, se dispone de varias herramientas. En este caso se utilizó una rampa de tensión, controlando su duración, para prolongar el tiempo de parada. Se empezó configurando solo el tiempo de deceleración. Luego de unos cuantos intentos con diferentes rampas, se llegó a la conclusión de que este parámetro solo no fue suficiente ya que si bien se producía un golpe más suave seguía siendo importante. Se tuvo que experimentar con tres variables: el tiempo de deceleración, el salto de tensión en el momento del apagado y el valor de tensión final de la rampa. El conjunto de valores correctos se obtuvo experimentando y a “oído”, ya que solo se contaba con manómetro en el lado de la bomba, no del otro lado de la válvula de retención. El resultado se “oye” en el siguiente video:

La gráfica de corriente observada es:

Se observa que si bien la corriente de arranque orilla los 400A, la duración de este transitorio es inferior al caso del E-T. Además se ve el aumento de corriente en el final de la rampa de deceleración como se mencionó previamente, esto no sucede en el ET pero es aquí donde se está usando al motor para detener a la masa de agua en movimiento!!! Además existe una oscilación en el momento donde se produce el primer golpe, que es evidentemente mas suave que en el caso del ET. En algunos ensayos se presenciaron dos golpes.
La evolución de la tensión que entrega el soft starter, con la mejor parametrización experimentada es:

y un oscilograma con la corriente en el momento de dar la orden de apagar al arrancador:

Dado que la corriente en la parada aumenta mientras el motor está frenando a la masa de agua en movimiento se debe verificar que esté bien ajustada la protección del motor, puesto que en el fragor de la lucha cuerpo a cuerpo entre el técnico y la máquina durante la puesta en marcha es muy fácil excederse!!!.

También se debe respetar el tiempo entre arranques. Para ellos es útil configurar un parámetro que no permita arranques sucesivos en menos de unos minutos, de forma que el equipo logre refrigerar su etapa de potencia.

AJUSTE RECOMENDADOS.

Se recomienda iniciar con:

una rampa de deceleración del orden de los 15 segundos,
un escalón de tensión en el inicio de la rampa de deceleración del orden de 80% de la tensión nominal del motor
y un nivel de tensión de salida en el momento de la desconexión del orden del 50%

(en el caso de un SSW07 de la casa WEG, como en este trabajo son los parámetros 103, 104 y 105, a los que se accede con un opcional HMI o con una interface PC. Ya que el equipo en formato comercial viene sin ellos, se deben adquirir por separado).

En este caso puntual los valores de dichos parámetros fueron respectivamente 80% / 10seg / 55%.

Para llegar a ellos, se realizaron al menos 15 juegos de valores de estas 3 variables, durante la puesta a punto, llegando a esta configuración como la que permitió el menor impacto.
Para el ajuste de la rampa de aceleración fue de utilidad el manómetro que se encontraba en la entrada de la válvula de retención. Se encontró así que con una rampa de 10 segundos se lograba un valor aceptable de oscilación en la presión durante el arranque:

Se observa que la presión no inicia con el arranque del motor. Esto se debe a la curva caudal-velocidad de la bomba.
Además se tuvo que configurar el voltaje inicial en el 80% de la tensión nominal para lograr que el motor empiece a girar inmediatamente aplicada la orden de arranque al equipo.

NOTA IMPORTANTE.
No siempre se logra un valor bajo de golpe de ariete con un control en rampa de tensión. En determinados casos, en sistemas hidráulicos mas complejos se requiere de un "control de par". Dado que el SSW07 no lo incluye, se debe recurrir a un SSW06, de mayores prestaciones. Esto debe tenerse en cuenta a la hora de evaluar la solución ya que los costos se incrementan.
Además se puede contar con un convertidor de frecuencia, con la ventaja adicional de poder controlar el caudal y reducir el consumo en situaciones que así lo permitan.

PAR DISPONIBLE EN CONTROL ESCALAR.

2012-05-17T13:48:00.002-07:00

No siempre los fabricantes de convertidores de frecuencia ofrecen un medio de estimar que par puede lograrse con sus equipos. Para tratar de esclarecer este tema se ha ensayado con un dinamo-péndulo a un CFW10 (en modo escalar) con un motor de 1.5HP 2 polos. El banco de ensayos es el provisto al ISFT 188 de Gral. Rodriguez, que en esta imagen se ve con un motor monofásico:

Principio de funcionamiento:

El dinamo está montado sobre soportes de pie con rodamientos, en lugar de sobre sus patas, de forma que su carcasa puede moverse libremente. Sobre la misma se encuentran montados dos brazos de acero con pesas de 10N que pueden deslizarse como en una báscula. Cuando se aplica carga al dínamo este reacciona. Equilibrando el par de fuerzas de reacción con los contrapesos, se puede determinar la fuerza de reacción y con ella el par motor desarrollado. Lograr el equilibrio es complicado, el movimiento de la barra es de tipo pendular como se observa en el video:

A medida que se acerca al equilibrio la frecuencia de la oscilación se hace mas baja, permitiendo encontrar una medida de la pesa que se inclina mas hacia la derecha y otra posición que se inclina mas a la izquierda. Con un poco de pericia en su uso, estas dos medidas pueden diferir entre si en un par de mm. Tomando el promedio de ambas mediciones se obtiene la posición de equilibrio. En primer lugar se busca equilibrio sin girar. Esto se trata de determinar con las pesas a 50cm del extremo del soporte. Luego con el motor girando a diferentes cargas del dínamo. La diferencia entre las posiciones de equilibrio se multiplica por el peso de la pesa y se obtiene el par desarrollado.

Junto con estas mediciones se toman las RPM del eje,

también se mide la corriente del motor y se grafican los resultados a diferentes frecuencias de trabajo.

Ensayo:

El convertidor ensayado es un WEG, CFW10 de 7.3A con alimentación monofásica. El motor es un WEG de 1.5HP 2800RPM, 50Hz conectado en triángulo, con una corriente nominal de 4.55A. El par nominal de este motor es de 3.75Nm.

El gráfico de par motor (eje vertical en Nm) en función de la velocidad del eje (eje horizontal en RPM), para diferentes frecuencias de trabajo es el siguiente:

En este gráfico se ven varias características del modo de control escalar:

1) la velocidad no es constante, depende de la carga. La frecuencia indicada en el display del HMI, solo permite estimar la velocidad real del motor cuando este está en vacío. Con carga, debido al resbalamiento característico del motor asincrónico y como además el convertidor en escalar no corrige frecuencia al aumentar la corriente, se ve una caída en las RPM al aumentar la carga mecánica.

2) en frecuencias bajas el par máximo obtenido es muy inferior al nominal (3.75Nm)

3) en sobrevelocidad (frecuencias superiores a la nominal) el par máximo vuelve a reducirse.

3) incluso a 50Hz, no se obtiene el par nominal del motor.

En este gráfico no se indican los valores de corriente, por lo que podría parecer que se puede exigir un poco mas al motor. No es así... En el siguiente gráfico se marcan los valores de par obtenidos a la corriente nominal del motor, antes de que el convertidor saliera de servicio por error de sobrecarga (E05):

Los valores que superan los óvalos rojos son pares medidos con el motor sobrecargado. La línea imaginaria que forman estos puntos debería ser tomada como primer aproximación del par de régimen permanente disponible por el conjunto motor-CFW10. Los valores medidos por encima de estos puntos, activaron la protección por sobrecorriente del convertidor.

Se observa muy claramente que no puede llegarse al valor de par nominal en ninguna de las frecuencias ensayadas, llegando como máximo a un 80 % del mismo. Este problema es característico del control escalar.
Además se debe aclarar que en estas mediciones no se ha tomado en cuenta el efecto del calentamiento debido a armónicas ni a la falta de refrigeración del motor en bajas revoluciones, dado que por la corta duración de los ensayos, estos no resultaban de importancia. En una aplicación real deberá reducirse el par de régimen permanente para tomar en cuenta dicho calentamiento.

ARMONICAS (2° parte: corrientes por el neutro)

2012-03-18T17:11:00.003-07:00

En una planta industrial tienen un tablero con 20 convertidores monofásicos alimentados desde la red trifásica:

En un principio vino la consulta porque los interruptores duraban muy poco. Sospechando que la cercanía al trafo de distribución significara una corriente de cortocircuito elevada y que no sirvieran los pequeños interruptores din, se fue a medir y se observó que efectivamente estaba muy cerca, siendo recomendable utilizar un interruptor en caja moldeada (16 o 25kA), mas que interruptores din (6kA como mucho) pero además surgió otra sospecha: quien midiera la corriente para elegir el interruptor, tomó en cuenta el efecto de las armónicas?

Medidas Trms, arrojaron los siguientes valores:

Fase negra: 40Arms

Fase roja: 43Arms

Fase negra: 29Arms

La corriente en el neutro, normalmente en un sistema casi equilibrado debería ser muy baja. Uno hubiera esperado que fuera del orden de los 10A aproximadamente. Moraleja, se puso un interruptor de 63 A para protección del conjunto. Pero…..:

Mediciones en el neutro arrojaron un valor de 66Arms!!!!!........

Al colocar el osciloscopio con un adaptador de efecto Hall, se observó lo siguiente:

50A/div, aproximadamente 40Arms, 125A de cresta:

y para el neutro:

No muy sorprendente, pero se ve que la frecuencia es de 150Hz, no de 50Hz como hubiera sido de esperar en una red lineal..... Además hay 66Arms y casi 150A de cresta.

Una señal de 150Hz habla a las claras de la tercera armónica en estado natural... en vivo y en directo.

¿Por qué?

Si se analizan gráficamente las sumas de las corrientes de las tres fases, se ve que en el neutro no se cancelan como cuando se operan cargas balanceadas con señales sinusoidales puras:

El valor eficaz de la corriente por el neutro en un sistema “equilibrado”, es decir con 3 corrientes iguales con armónicas, se puede calcular en forma aproximada con Ifase * 1.73. Es decir que siempre será superior a la corriente de fase. Si las corrientes de cada fase son diferentes, la corriente del neutro será inferior a este valor. Por ejemplo en el caso particular de dos fases con una corriente de igual magnitud y la tercera sin carga, la corriente del neutro resulta ser 1.41* I fase. Sigue siendo superior a la de fase.

La solución a este problema es en principio colocar un interruptor en caja moldeada de 4*80A, o dos de 4*63 en grupos de 10 convertidores, replantear cálculo de cables y pensar seriamente en colocar reactancias de red en al menos paquetes de convertidores.

Quedaría la impresión que este problema solo afecta a cosas industriales. En las escuelas, ciber, centros de cómputo, oficinas, etc. hay muchas computadoras, conectadas en forma monofásica a una red trifásica. Por ejemplo la corriente en una fase de un laboratorio de informática de una escuela es poco sinusoidal:

En una tienda de venta de electrodomésticos, donde se exhiben televisores, en una casa con muchas lámparas de bajo consumo, en una oficina con muchos balastos electrónicos y computadoras, y en todos los lugares imaginables donde abunden cargas no lineales, se tendrá algún efecto no deseado debido a las armónicas.

Para elegir los calibres de las protecciones se deben realizar mediciones con instrumentos trms (true rms) ya que si solo se mide la componente de la primer armónica (la fundamental) con un instrumento de valor medio, el interruptor elegido quedará chico para la aplicación.

Además se debe medir la corriente en el neutro.

ARMONICAS (1° parte)

2012-03-18T14:12:00.002-07:00

Las armónicas son tensiones o corrientes senoidales puras que sumadas conforman la onda de tensión o corriente de carga que se está observando.

Como ejemplo, una onda cuadrada simétrica de 1V de amplitud máxima, con un período de 1000mseg, es decir de 1Hz se puede decir que es una composición de ondas senoidales con el siguiente “espectro”:

Primer armónica (fundamental): 1Hz, 1.27V de pico

Segunda armónica: No tiene

Tercer armónica: 3Hz, 0.42V

Cuarta armónica: no tiene

Quinta armónica: 5Hz, 0.25V

Y así se puede seguir hasta el infinito y mas allá. Graficando la onda original y sus armónicas 1°, 3° y 5°:

Si se suman algebraicamente y punto a punto estas señales senoidales, hasta la 5° armónica se obtiene:

Que se asemeja bastante a la onda cuadrada!!!! Sumando las armónicas superiores se va logrando un mejor acuerdo con la función original. Por ejemplo si se sigue sumando, hasta la 9° armónica:

Si bien este análisis no es muy formal desde un punto de vista científico, es evidente la veracidad de que se pueden sumar muchas ondas senoidales con la amplitud y frecuencia correcta, para obtener una onda cuadrada. Fue el Barón de Fourier quien primero halló una forma matemática para obtener la amplitud y fase de las señales armónicas por el año 1822 mientras buscaba la forma de resolver el problema de conducción del calor en placas metálicas. Postuló en su ThéorieAnalytique de la Chaleur que cualquier señal periódica de cualquier forma, se podía descomponer en suma de senos y cosenos de frecuencias múltiplos de la frecuencia de la señal. Llevó años poder justificar esta afirmación y de hecho hoy algunos matemáticos siguen investigando el campo de validez de la misma… pero ese es tema de otro blog…

APLICACIONES A LA ELECTROMECATRONICA:

Muchos equipos eléctricos y electrónicos generan armónicas. Como es esto? Si el equipo utiliza elementos no lineales, la onda de corriente es distorsionada, no es senoidal pura, aunque sí se lo alimente con una onda senoidal pura.

Que es un elemento no lineal? Es mas fácil decir lo que es un elemento lineal: una resistencia perfecta… Casi todo lo demás que se conecta a una red de distribución tiene no linealidades, es decir que si se aumenta la tensión la corriente varía en forma no lineal. Los principales elementos que introducen no linealidades son los núcleos ferromagnéticos en trafos, motores, reactancias, etc y la electrónica, especialmente los equipos que tienen fuentes de tipo conmutada (o switching) ya que rectifican la red directamente.

Por ejemplo, en un rectificador de media onda con carga resistiva, las tensiones (azul) y corrientes (rojo) de red serían:

Si encima (como sucede en prácticamente todas las aplicaciones) el rectificador tuviera carga capacitiva (un filtro) se produce un gran transitorio de corriente mientras el capacitor se carga a traves del diodo tomando energía de la red.

En el oscilograma siguiente se muestra en azul la tensión de salida al rectificador y en rojo la corriente tomada del transformador:

El diodo deja pasar corriente al capacitor mientras la tensión de red es superior a la tensión del capacitor, que se está cargando con dicha corriente. Cuando la tensión del capacitor es mayor que la de red, el diodo deja de conducir. No hay corriente mientras la tensión de red sea inferior a la del capacitor. Durante ese tiempo, el capacitor entrega corriente a la carga y su tensión se reduce exponencialmente con el tiempo de descarga.

El primer transitorio es de mayor amplitud ya que debe cargarse el capacitor desde cero. Los siguientes serán de menor amplitud:

Esta corriente deformada la manifiestan muchos equipos modernos. Dado que utilizan rectificadores de onda completa, se verá también el pico negativo en la corriente de red como en los ejemplos siguientes donde se muestran capturas de ondas de intensidad de diferentes cargas no lineales.

Computadora: se visualiza tensión y corriente en una notebook.

Lámparas de bajo consumo: 10A/div, 8 lámparas de 105W en una red monofásica. Valor de corriente rms: Valor de cresta, aproximadamente 20A.

Variadores de velocidad monofásicos:

en este caso con mucho ruido en la línea producto de la contaminación electromagnética producida.

Variadores de velocidad trifásicos:

Y algunos equipos no tan modernos, también generaban armónicas (aunque nunca las hubieramos visto!!!)

Capacitor para corregir Factor de potencia de 10KVAr:

Transformador monofásico 1KVA:

Lámparas fluorescentes. Tensión (azul) corriente (rojo) para un tubo de 20W:

Para 7 tubos de 40W:

Comparativa entre balastos electrónicos (rojo) y estándar (azul) para fluorescentes:

El valor rms del electrónico es inferior al std, pero el valor de cresta evidentemente no.

Incluso la tensión de red deja mucho que desear, en el sentido de la “pureza” de su onda ya que el trasnformador de distribución que está en el poste tiene núcleo de hierro, que no es un material magnéticamente hablando, muy lineal que se diga.

La mayoria de las cargas no lineales, generan un valor de cresta muy elevado. Muchos instrumentos no lo pueden medir correctamente por lo que encontrar un problema a “tester” es algo mas que complicado. Este elevado valor de cresta será responsable de producir una mayor caída de tensión en el pasaje por la cresta, lo que tiende a aplanar los máximos de voltaje de salida de los transformadores distorsionando la tensión de red y produciendo mas problemas aún.

La circulación de corrientes armónicas generan calor como cualquier otra corriente. Esto se manifiesta en un calentamiento no deseado en motores, cables, transformadores, interruptores, etc. Es por eso que se trata de atenuar estas componentes lo mas posible o al menos tomarlas en cuenta al dimensionar la instalación.

Softs para diseño, simulación y Dibujo Técnico.

2012-01-31T09:50:00.000-08:00

Dos soft de gran utilidad y de uso libre:
CADe-simu: un muy buen simulador de esquemas con relés temporizadores, etc pueden descargarlo de:

http://personales.ya.com/canalPLC/descarga.htm

junto con otros soft de gran utilidad (simuladores de PLC, SCADA, etc)
La clave de uso del producto se solicita por mail al diseñador del soft.

El segundo es un soft de dibujo asistido en 2D similar al popular de una marca muy conocida, lee y guarda en formato DWG. Es el Draft Sight que puede descargarse de:

http://www.3ds.com/products/draftsight/free-cad-software/

Solo es necesario registrarse y empezar a usarlo.

Contactores para capacitores: Sirven?

2012-01-27T14:18:00.000-08:00

Cuando se conecta un capacitor trifásico a la red, la corriente de inserción depende de la impedancia de la red. Un oscilograma típico (para un capacitor de 10kVAr) es :

Este transitorio elevado se puede reducir colocando una resistencia en serie durante la inserción para luego realizar un bypass anulándola. Los contactores para conexión de capacitores permiten realizar toda la maniobra:

La resistencia es de un bajo valor pero lo suficiente como para reducir dramáticamente la corriente de inserción:

El oscilograma obtenido con una cascada de 3 contactores y 3 bancos de 10KVAr (un contactor habilita al siguiente entrando así un capacitor después del otro con intervalos del orden de los 20mseg.) fue la siguiente:

Es clarísimo que se reduce notablemente el transitorio inicial.

Compensación del factor de potencia (2)

2012-01-27T13:34:00.000-08:00

INSTALACIONES TRIFASICAS

En este caso los capacitores vienen montados en baterías trifásicas y se expresan en potencia reactiva (KVAr.), no por su capacidad (μF).

La forma de operar es similar. Se ingresa en el gráfico siguiente con el valor del F.P. medido y se obtienen cuantos KVAr son necesarios por cada KW instalado.

Ej: El factor de potencia inicial es de 0.72. Del gráfico se obtiene un valor de 0.5KVAr / KW. Si la potencia instalada es de 10KW se debe colocar una batería de:

0.5KVAr/KW * 10KW = 5 KVAr para llevar el F.P. a 0.9.

Si no se cuenta con instrumental se procede de igual forma que en el caso monofásico.

OBSERVACION:

Se debe recordar que la compensación centralizada se utiliza solamente en potencias bajas, donde resulta antieconómico usar una compensación automática. Nunca se obtendrá una compensación precisa con esta técnica, salvo que la carga sea constante. En aplicaciones de potencias elevadas (del orden de 50KVAr en adelante) se sugiere el uso de un relé varimétrico, contactores y varias baterías de capacitores que se conectan automáticamente según la demanda de potencia reactiva.

Compensación de factor de potencia (1)

2012-01-27T13:31:00.000-08:00

INSTALACIONES MONOFASICAS:

Si se cuenta con instrumental y se mide el factor de potencia y la potencia total, se puede obtener el capacitor necesario para compensar el F.P. a un valor de 0.9 con el sig. gráfico:

Por ejemplo: Se mide el factor de potencia con un valor de 0.4. La potencia instalada a compensar es de 1KW. Del gráfico se obtiene un valor de aproximadamente 0.12μF/W. Se debe colocar un capacitor de 0.12μF/W*1000W = 120 μF para llevar el F.P. a 0.9.

CALCULO APROXIMADO SIN INSTRUMENTAL

Si no se tiene instrumental se puede tener un valor aproximado del valor necesario y usar el medidor de EDESUR para constatar la validez de la selección realizada. Por lo general se conoce de la factura de luz (si el medidor es digital) la energía activa (KW Hr) y la energía reactiva (KVAr Hr) acumuladas en el período de medición, junto con el factor de potencia calculado con esas mediciones por la empresa proveedora del suministro eléctrico. Se debe conocer por medición directa o estimación la potencia total instalada simultánea. Se usa el mismo gráfico para obtener el valor de la capacidad necesaria. Una estimación de la potencia se puede obtener dividiendo los Kwhr por la cantidad de hrs trabajadas en el período de medición. Otra forma es conociendo la potencia de los equipos instalados.

Para verificar se toma en un tiempo considerable las mediciones de KVArHr y Kwh del medidor. El factor de potencia promedio en ese período se obtiene de la siguiente ecuación:

F.P. = KWHr .

√ {(Kwh.)² + (KVArHr)²}

El cual debe ser superior a 0.85 como pide la reglamentación.

Si el medidor es electromagnético, este cálculo no puede realizarse ya que solo mide KWHr.

Sobrecompensando factor de potencia en motores

2012-01-26T14:26:00.000-08:00

Al colocar capacitores en bornes de un motor surgen algunas cuestiones que pueden complicar la vida si uno no está atento. Por un lado el capacitor suministra reactiva al motor cuando se corta la alimentación al mismo. Esto puede producir que el motor siga generando por mas tiempo si la inercia lo permite y hasta producir sobretensiones en el conjunto capacitor motor.
Ejemplo: motorcito trifásico de 0.37KW sin capacitor, forma de onda de tensión en sus bobinas al desconectarlo de la red:

Mismo motor con un capacitor de 0.75KVAr (baja la frecuencia de la oscilación, se prolonga un poco el tiempo de frenado):

idem con capacitor de 5KVAr (baja abruptamente la frecuencia de la oscilación y el tiempo de frenado, se oye en el motor una frenada muy abrupta, notese la caída en la amplitud del voltaje):

En este último caso podría sorprender que se acorte tanto el efecto generador, pero la cuestión es que el par frenante es muy elevado. Hablando mal y pronto es como si el capacitor quedara con "continua" y eso frena al motor. En rigor se observa una frecuencia muy baja producto de la resonancia eléctrica y como la velocidad del motor depende de la frecuencia se produce una violenta reducción en la misma.
Es por esto entre otras cuestiones, que se subcompensa al colocar capacitores directamente en paralelo al motor en forma individual. No es necesario contemplar esto en bancos grupales o cuando se utilizan contactores para comandar los capacitores.

Inercia eterna inercia...

2012-01-26T13:28:00.000-08:00

El año pasado se dio la casualidad de tener en mis manos para el mismo tiempo dos forzadores diferentes, ambos utilizaban la misma potencia de motor (2HP), pero con diámetros de turbinas muy diferentes. El grande:

La onda de corriente de este equipo es:

y el chico:

siendo su corriente:

Hay dudas sobre el efecto de la inercia en el sistema eléctrico?????
La energía se conserva. La energía que demanda la carga (mecánica) debe haber pasado por el tablero (eléctrico) que alimenta al motor. Por eso debe contemplarse el tipo de carga al dimensionar el sistema eléctrico, sus protecciones etc.

Calesita (y mas cálculos dinámicos)

2012-01-26T13:05:00.000-08:00

Jugando con la inercia y viendo como se produce el transitorio de arranque. Si la calesita está vacía el arranque es franco y cortito:

(son 100mseg/div y 10A/div. La calesita se acciona con un motor monofásico de 0.75HP y una reducción mecánica)

En estas otras ondas se observa como patina la correa durante el arranque con carga un adulto y dos chicos (los calesiteros la dejan floja como medida de seguridad, para que sea fácil frenarla a mano si un chico se cae por ejemplo).

El valor de la corriente final prácticamente no tuvo cambios. Solo la duración "entrecortada" del arranque.

La calesita da una vuelta en 14seg aproximadamente. (0.44rad/seg = 4.3RPM).

En régimen el consumo del motor es de 351W (216V, 3.58A, FP=0.45).

El valor de pico en el arranque es de 30A (6 IN), la duración del primer arranque es de menos de 100mseg, y luego (en la tercera imagen) toma picos de 10A (7rms) en los períodos de acoplamiento de la correa y de 20A (14rms) en la segunda imagen con una duración aproximada de 600mseg en total.

La potencia en la red, en régimen permanente es del 35% de la potencia eléctrica nominal.

Sin embargo los picos en los momentos de acoplamiento son superiores al 1.5 veces la Inominal (tercer imagen) y 5 veces la nominal en la segunda imagen si bien no pueden tomarse como realistas debido a que la correa está floja.

CALCULO MECANICO PARA LA SITUACION CALESITA SIN CHICOS.

MOMENTO DE INERCIA

La mayor carga inercial es el piso de madera, ya que las paredes son de fibra y el techo de lona.

El momento de inercia de un cilindro hueco se determina por:

J = ½ M (R1²+R2²)

La masa de madera se puede determinar asumiendo una densidad promedio de 700kg/m³ y estimando el volumen de madera involucrada. A eso se debe sumar la masa de la estructura de hierro asumida distribuida uniformemente.

Volumen de madera (espesor e= 1”, radio interior 1.5m, radio exterior 3m) :

Vol. Madera = π (R2²-R1²).e

Multiplicando por la densidad, este cálculo arroja una masa estimada de madera de:

Masa madera= 370kg

Estimando que la masa de la estructura es de unos 300kg, queda una masa total de aproximadamente 700kg.

Con esa estimación el momento de inercia de la calesita (vacía) sería de unos 3900kgm2.

PAR MOTOR.

C=P/ω

La velocidad angular del motor es de 1420 RPM ≈ 148rad/seg.

La potencia es de 0.75HP = 0.56KW.

Queda para el par nominal un valor de 3.7Nm.

El par de arranque de un motor monofásico típico es de un poco más del doble del valor nominal, es decir de unos 8Nm aproximadamente.

A continuación se utilizará la ecuación dinámica para un movimiento circular:

Cm-Cr =J´Δω/Δt

Cm es el par motor, Cr el resistente, J´ el momento de inercia reflejado al eje del motor, es decir a²J, donde a es la relación de reducción mecánica del conjunto, mas el momento de inercia del rotor.

En base a la medición en régimen se puede estimar que el par resistente de la calesita es de aproximadamente el 30% del par nominal, es decir de cerca de 1Nm.

Asumiendo en una primer estimación que el par resistente es constante, se puede estimar el tiempo de arranque:

Δt = J´Δω/ (Cm-Cr)

La relación de reducción mecánica es:

a= 0.44/150 = 0.003

Reflejando J, queda para el tiempo de arranque:

tarr ≈ 3900kgm²*(0.003)² *150 rad/seg / (8Nm -1Nm) ≈ 0.75 seg.

Según los oscilogramas de corriente el tiempo total de arranque es cercano a los 0.6 seg, en muy buen acuerdo con esta estimación del mismo, dando prueba de que las estimaciones realizadas son del orden de magnitud correcto. (en criollo: estamos calibrando el ojímetro con este cálculo)

ALGUNAS CONSIDERACIONES A TENER EN CUENTA.

Estas mediciones fueron hechas a los efectos de ver el tipo de aproximaciones a realizar para el diseño de una calesita más grande que la analizada. Esencialmente la estimación del momento de inercia. En el diseño final debe entenderse que:

· No se tomó en cuenta la masa de los chicos y padres acompañantes.

· No se tomo en cuenta la energía necesaria para el efecto del carrusel, es decir que los caballitos suben y bajan la masa de los chicos.

ESTIMACION DEL INCREMENTO DE CARGA CON CHICOS.

Asumiendo un máximo 15 chicos de 30kg c/u, y la presencia de hasta 6 padres de 100kg, se tendría que agregar una masa supuestamente bien distribuida de unos 1000kg. A esto se debe agregar el efecto dinámico del carrusel y de los chicos más inquietos.... La masa se duplica aproximadamente. Se espera que el tiempo de arranque sea un poco más del doble. Dado que no se debería afectar demasiado al par resistente, el dimensionamiento del motor para arranque directo no se ve afectado siempre que no se supere el máximo tiempo de rotor bloqueado admisible (del orden de 10 seg. Como margen de seguridad se asume una masa total de 2000kg en los cálculos que siguen.

DIMENSIONAMIENTO DEL MOTOR PARA OPERACION CON CONVERTIDOR DE FRECUENCIA

En el caso de operación con convertidor de frecuencia el primer problema que surge es que se debe tomar un margen de seguridad (ver gráfico para motores WEG autoventilados) en la potencia del motor debido al mayor calentamiento del mismo por las armónicas del convertidor.

El segundo problema es que el convertidor solo puede entregar una corriente del orden del 1.5 veces la nominal (esto depende de la marca del equipo, no es una regla general...) si se lo dimensiona justo con la corriente del motor.

Programando una rampa se puede limitar el par de arranque. Por ejemplo, con una rampa de 5 seg. y una masa total de 2000kg, para acelerar de 0 a 150rad/seg, se requiere un par de:

Cm= Cr + J´Δω/ Δt ≈ 4Nm.

(J´= 11400Kgm²*9.10^-6, Cr = 1Nm.)

Un motor de 1 HP tiene un par nominal de aproximadamente 5 Nm. Operando con convertidor puede obtenerse un par permanente del 90% a plena velocidad. Como este par (5Nm) se aplica solo en el arranque, no sería inconveniente con esa rampa lograr ese par para un motor de 1HP. Un convertidor de 1HP, permite lograr hasta un 50% del par nominal, es decir que con un motor de 1HP y un convertidor de 1HP, se puede accionar tranquilamente esta carga. Desconociendo si en la práctica surge algún par resistente extra, y no conociendo la forma exacta de la curva de par, se recomienda un convertidor de mayor capacidad que el motor, para permitir un sobrepar momentáneo mayor a 5Nm.

Por eso se recomienda utilizar un motor de 1HP con un convertidor de potencia para al menos 2HP.

Se recomienda ajustar la limitación de corriente del convertidor para permitir un frenado manual en caso de accidente y seguir con la correa floja... para que haga de embrague y permita un frenado mecánico manual.

El clásico carrito (Cómo seleccionar un motor: cálculos dinámicos).

2012-01-26T09:31:00.000-08:00

En los cursos de física inicial, la mayoría de los problemas de cinemática y dinámica toman como ejemplo el de un carrito en movimiento.
Esta es la historia de un carrito de unos 1500kg, parte de una trafiladora que hizo de las suyas. Este es el movimiento del carrito, cuando todo el cuento terminó:

La primer parte del movimiento es neutral, el carro es arrastrado por un motor de 200HP hacia la izquierda de la pantalla. La segunda parte es la problemática, debe hacer un movimiento muy rápido, a unos 1.5m/s y detenerse "a la voz de aura" en 0.5 seg.
Originalmente habían diseñado el sistema con un motor de 3000RPM 7.5CV. Al conectarle un convertidor de frecuencia WEG CFW09 de 16A, este se colgaba por error de sobrecorriente durante el arranque. El mecánico le sacó el convertidor y conectó el motor directo a la red, logrando que el carrito se moviera "normalmente" al menos para el... Cuando me comenta indignado el tema resultaba ser que esa porquería que le había conectado en el tablero, no servía. reviso la parametrización del equipo y no había caso, no tenía forma de reforzarlo de ninguna manera. Repito la experiencia de conectarlo directo y efectivamente se movía. Mido la corriente con la pinza amperométrica y tomaba 60A aproximadamente,durante todo el movimiento que duraba unos 20m de avance. El pobre motor, de unos 13A de IN, no salía del proceso de arranque!. Es decir que si seguía experimentando en forma directa lo iba a quemar...
Consulto al diseñador y pega el grito en el cielo: quién puso un motor de 3000RPM????? debe ir uno de 1000!!!!!
Acá no termina la historia. Con tres veces mas par, se inician las pruebas con un Czerweny de 5.5KW / 7.5CV 965 RPM, IN 13.1 A, El convertidor responde normalmente, dentro de lo esperado, en las primeras pruebas. Cuando empiezan a definir la cinemática correcta para la máquina final, no lo podíamos frenar y se pegaba un flor de golpe contra la estructura. El 09 tenía agregada una resistencia de frenado que parecía no dar a basto. El tiempo de frenado deseado era muy corto. Empecé a sospechar que el motor seguía siendo chico. Pero como se los demuestro? Dos ingenieros mecánicos habían estado tras el diseño. Estaban mas que urgidos para entregar la máquina. Se me ocurre conectar una interface y la pc al equipo y monitorear corriente, potencia y par para analizar lo que estaba pasando. Y el resultado fué el siguiente:

el trazo verde es la corriente tomada por el motor. Los datos se tomaron con el soft Superdrive de WEG. Se ve que está del órden de 2IN en una aceleración de 2 seg. El motor era chico.

Cuentas "de almacenero":

Se va a ignorar en esta estimación los pares de rozamiento y otros. El análisis que sigue es muy simple pero de utilidad como para poder evaluar el problema dinámico.

La reducción mecánica lleva la velocidad final del motor a 400RPM.

Asumiendo una masa de 1500kg y una velocidad final de 1.5m/seg la energía cinética desarrollada por el carro es de :

1500kg * (1.5m/s)^2 /2 = 1700 J

La energía cinética del rotor del motor a 400RPM es de aproximadamente 50 J.

Si se estima groseramente que la masa de la cadena, caja reductora etc aporten en unos 250 J a la energía cinética tenemos unos 2000 J en régimen. (En Argentina le llamamos ojímetro)

En el eje del motor;

Ec = Jeq * w^2 /2.

Despejando se obtiene un Jeq de 2.2. kgm2

Como

Cupla = Jeq*dw/dt

Se obtiene que en el tramo de aceleración de 0 a 1.5m/s en 1.5 seg, el par necesario para acelerar es de 62Nm.

En el frenado de 1.5m/s a 0 en 0.5 seg, se requiere de 180Nm.

Un motor de 7.5HP tiene un par nominal de 54Nm. El par de rotor bloqueado de un motor Czerweny de esas características es de 3 veces ese valor.

Al operar con variador se puede obtener un par de frenado de hasta el 150% del nominal como máximo.

Esto inclina la balanza a un motor de 12.5HP 970 RPM (90Nm), que si bien está un poco por debajo de estos valores, al ser los mismos aproximados y sobreestimados, sería un valor razonable de compromiso. La aceleración se lograría sin esfuerzos, y la deceleración si ayuda el roce y la carga mecánica se podría aproximar a la rampa deseada.

CONCLUSION:

Visto el cálculo informal, los ingenieros aceptaron el problema y se puso el motor de 12.5HP y un convertidor CFW09 de 24A con una R de frenado de 47Ohms 8KW.

Funcionó de maravillas como se ve en el video... A continuación la última serie de mediciones antes de embalar todo!!!

Rojo: Velocidad angular (RPM)

Verde: Corriente en el motor (A)

Fucsia: par motor (en % del nominal). Es negativo por que solo se indicó el de frenado (Superdrive no admite ambos a la vez)

Azul: tensión en el circuito intermediario (Vdc). Se nota un leve incremento en el voltaje DC durante el frenado. Si no tuviera la resistencia este provocaría una sobretensión que llevaría a trip al equipo.

Pero.. si está livianito!!! lo muevo con la mano!!!!

2012-01-26T08:04:00.000-08:00

¿Cuántas veces ante un problema mecánico, por ejemplo luego de la reforma de una máquina se quema un drive?. Cuando se consulta al mecánico sobre lo exigente de la máquina este contesta con la afirmación usada en el título de esta entrada al blog. Respuesta obligada: ¡muévala a 1500RPM con la mano!
Muchas veces se confunden conceptos mecánicos básicos, como inercia y resistencia. Puede ser que una máquina esté "liviana" es decir que tenga poca resistencia, poco roce estático, pero la inercia es la inercia, al menos desde que Galileo hizo lo suyo y Newton lo formalizó en sus "Principia". El par Cm que debe realizar el motor y por ende la energía eléctrica que debe entregarle a este el drive, depende de ambos términos, no solo de uno y matemáticamente viene dado por la siguiente expresión simplificada, que no es mas que la segunda ley de Newton aplicada a un movimiento circular:

Cr es el par resistente (depende del roce estático durante el arranque y del dinámico en régimen, también del par útil entregado por la máquina por ejemplo del trabajo que realiza la herramienta del torno, del par que ejerce las palas de un forzador para mover una masa de aire, etc)
J es el momento de inercia de todo el conjunto (incluye el momento de inercia del rotor del mismo motor, de las poleas, correas, caja reductoraa etc, de la transmisión, de las álas del ventilador, de todo lo que se mueva)
el cociente diferencial es la aceleración angular lograda.
Cuando la máquina está quieta y "se la mueve con la mano", el segundo término no influye, solo se está considerando el primero, que puede ser de bajo valor. Pero si la masa a mover es importante (cuidado: el término J incluye a la masa, pero también a su forma...) y el cambio de velocidad es grande, el segundo término es muy decisivo. Esto en ocasiones lleva a seleccionar un motor de mayor potencia que la necesaria en régimen, solo para "vencer la inercia".
El diseño correcto de una máquina requiere de cálculo y experiencia. Y debe verificarse el diseño final en la práctica. Cada vez que se reforma una parte mecánica debe tomarse en cuenta el incremento de par y redimensionar el conjunto motor-drive si fuera necesario.
Después de todo las leyes de Newton siguen siendo válidas aunque nos esforcemos en ignorarlas....

CFW08 WEG: uso de IHM remota

2012-01-26T07:34:00.000-08:00

El CFW08 ha demostrado ser un equipito muy noble en las aplicaciones cotidianas. Si bien es de la gama media de la familia de convertidores de WEG, se ha ganado su respeto como un variador confiable, adaptable a diversas aplicaciones y muy fácil de usar.
A la hora de usar una interface de usuario remota en el frente del tablero, no está muy clara la info del manual de WEG sobre como parametrizar al equipo.

Por ejemplo: se puede habilitar el convertidor desde una entrada digital (con una salida digital de un PLC por ej), activar - desactivar por rampa y alterar la frecuencia desde el HMI remoto serie. Los parámetros a configurar son:

P263=10

P220=0 siempre local

P221=0 ref. local hmi

P229=2 comandos local desde teclas HMI serie.

Si en cambio se quiere seleccionar loc/rem desde la IHM remota:

P220=5 sel. Desde ihm

P221=0 ref. teclas ihm

P229=2 comando desde teclas ihm rem.

ARRANQUE ESTRELLA TRIANGULO

2012-01-26T06:14:00.000-08:00

El clásico ET presenta un transitorio de corriente muy importante en el momento de la conmutación:

El oscilograma superior es la corriente tomada por una fase. el inferior el voltaje en una bobina.

Se trata de un motor WEG (datos en www.weg.net) de 5.5 HP alimentado con 3*380V, sin carga mecánica.

En estos oscilogramas se observa:

la corriente y la tensión en estrella
la corriente del arco mientras se levanta el contactor estrella y la tensión que genera el estator mientras no recibe alimentación, debida a la remanencia magnética y a la inercia del rotor.
la corriente de la conmutación a triángulo, cuando se vuelve a conectar el bobinado a la red, y esta se encuentra al motor como generador.
luego la corriente y tensión en triángulo.
por último, la tensión que genera el motor sin alimentación, mientras tenga movimiento inercial y remanencia magnética.

El transitorio de la conmutación puede reducirse si se elige correctamente la secuencia de fase y la conexión de las bobinas. El esquema de potencia correcto es el siguiente:

y el topográfico sería:

si en lugar de este esquema se realiza el siguiente, el transitorio de corriente es superior, produciendo una menor vida útil de los contactores.

Nota: cuidado con la sutil diferencia en el cableado. Un oscilograma captado con este esquema:

Un correcto orden en el cableado reduce drásticamente el transitorio. Así y todo, este no puede eliminarse por completo, ya que siempre habrá una diferencia de fase entre la tensión generada por el motor y la de red.

Una comparativa experimental entre los dos esquemas de potencia, utilizando para el comando un temporizador especial para este tipo de arranques arrojó los siguientes resultados:

Estas mediciones corresponden a un motor de 4 polos 5.5HP WEG W21. Los gráficos de arriba muestran la amplitud, en valor de pico, de la corriente de conmutación. Abajo se realizó un histograma con la frecuencia de aparición de picos en un rango de corriente definido. Para confeccionar estos diagramas se realizaron 46 arranques de este motor, con una carga puramente inercial y se registró con un DSO el transitorio. Luego se midieron las amplitudes de los picos en la conmutación.

Se ve que la cantidad de arranques con corrientes superiores a 55A es mayor en el circuito "mal " hecho que en el otro, donde el histograma se inclina a transitorios de corriente menores.

Se minimice o no, siempre habrá un "golpe de corriente" en la conmutación de un ET. Es imposible eliminarlo. Haciendo las cosas bien se puede minimizar y hacer así mas durables a los dispositivos de potencia. Si no es aceptable este transitorio, por los trastornos mecánicos que produce, se debería tomar en serio, si el presupuesto lo permite, la posibilidad de un arrancador suave o de un convertidor de frecuencia.

INVERSIÓN DEL SENTIDO DE GIRO

Si se desea invertir el sentido de giro de un motor que arranca en E.T, minimizando el transitorio de conmutación las fases que se deben conmutar son la L1 y L2 (R y S para los que todavía usamos la nomenclatura antigua...!) como se indica en el esquema siguiente:

Es común que no se utilice KM1 en los esquemas con inversión ya que si se lo reemplaza por un puente el circuito sigue siendo funcional.

AJUSTE DEL TEMPORIZADOR

El ajuste del valor del tiempo de conmutación también define en forma importante el transitorio de corriente. Es tema de otro post: ajuste del timmer.

SECUENCIAS: relés o contactores?

2012-01-26T05:46:00.000-08:00

Al armar secuencias paso a paso, donde un relé por vez está activado suele surgir un problema: el relé activo apaga al del paso anterior y a su vez realiza la retención del paso presente. Pero el relé del paso anterior, el que acaba de caer, habilita al paso activo... Puesto en imágenes:

Con KA1 activo, al pulsar S2 se energiza KA2. Este abre su NC 21-22 y cierra su NA 13-14. Al abrir su NC, libera la bobina de KA1 que abre su NA 23-24 en serie con la bobina de KA2. Debido a que los movimientos de los contactos llevan un tiempo, puede darse que KA2 caiga junto con KA1. Esto en la práctica sucede. Si se simula el circuito con un soft este problema no se ve.
Si la secuencia se arma con contactores, debido a su mayor inercia, KA2 tiene tiempo de retener, antes que se abra el NA 23-24 de KA1 y el esquema funciona correctamente, pero con relés se producen fallas en forma aleatoria. Si se utiliza un PLC, al ser este rigurosamente secuencial, no aparece ningún problema.

Este problema en los relés se conoce como "relay race" o en criollo: "gana el que desenfunda primero"...

Presentaciones.

2012-01-25T17:12:00.000-08:00

En http://www.4shared.com/dir/xCgzSto6/electromecanica.html están disponibles algunas presentaciones en pps:
Lógica de relés
Protección de motores
Arranque de motores
Plc
Algo de electroneumática.

Se trata desde temas básicos hasta diseño de secuencias por cascada y paso a paso.