Accionamientos Eléctricos

CAP. 1: Introducción a los Accionamientos Eléctricos Prof.: D. Fidel Fernández Bernal Lukas Sigrist

¿Dónde estamos? 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.

Introducción a los accionamientos eléctricos Modelado de sistemas electromecánicos Control V/f del motor de inducción Introducción a la electrónica de potencia y al PWM. Máquina síncrona de polos salientes. Ejes dq Vectores espaciales en máquinas eléctricas Modelo dinámico de máquina síncrona Modelo dinámico de máquina asíncrona Control vectorial Diseño de reguladores vectoriales Aerogeneradores y FACTS Control de máquinas DC y Brushless DC

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¿Dónde estamos? 1. Introducción a los accionamientos eléctricos 2. Modelado de sistemas electromecánicos Qué son. Para qué sirven. Ejemplos de la industria. 3. Control V/f del motor de inducción La asignatura. 4. Introducción a la electrónica de potencia y al PWM. 5. Máquina síncrona de polos salientes. Ejes dq 6. Vectores espaciales en máquinas eléctricas 7. Modelo dinámico de máquina síncrona 8. Modelo dinámico de máquina asíncrona 9. Control vectorial 10. Diseño de reguladores vectoriales 11. Aerogeneradores y FACTS 12. Control de máquinas DC y Brushless DC

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¿Qué es un accionamiento eléctrico? • Sistema compuesto por una alimentación electrónica controlable + máquina eléctrica rotativa. Variador electrónico Fuente de Tensión y Frecuencia variable Inversor

Rectificador

Motor

Fuente de Tensión fija y Frecuencia fija

Sistema Mecánico Sistema Control

Referencias Externas Referencias Usuario

Mag. Eléctricas Sensores

Mag. Mecánicas

Accionamiento Eléctrico Accionamientos Eléctricos – Cap 1: Introducción, Rev. Ene. 2015 – Fidel Fernández/Lukas Sigrist - 4

¿Para qué sirve un accionamiento eléctrico? • Control de velocidad/par – En algunos sistemas es imprescindible: • Tracción (trenes, coches, etc.)

• Brazos robot

• Bobinadoras de precisión

• Etc. Accionamientos Eléctricos – Cap 1: Introducción, Rev. Ene. 2015 – Fidel Fernández/Lukas Sigrist - 5

¿Para qué sirve un accionamiento eléctrico? • Control de velocidad/par – En sistemas en que se producen mejoras en el sistema productivo (aunque no sea imprescindible el control de velocidad): • Turbinas eólicas a velocidad variable: Mejora del 7% ¿Qué fija la velocidad de giro de la turbina eólica? Pista: pensar en un aerogenerador de una máquina de jaula de ardilla

• Control de velocidad de bombas: Ahorro del 30%

• Arranque suave (I1  IN)

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La Asignatura ¿Tengo que saber/aprender muchas cosas? Teoría de máquinas Sistemas eléctricos

Electrónica de potencia

Accionamiento

Teoría de control

Sensores

Modelado de sistemas mecánicos

Microcontrolador es

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La Asignatura ¿Cómo saco partido a la asignatura? • Asistiendo a clase, prestando atención, sin miedo de preguntar

• Repasando continuamente lo aprendido • Resolviendo los ejercicios propuestos

• Aprovechando el laboratorio, también para resolver dudas gracias a las simulaciones Accionamientos Eléctricos – Cap 1: Introducción, Rev. Ene. 2015 – Fidel Fernández/Lukas Sigrist - 8

La Asignatura Los profesores Fidel Fernández (teoría)

3ºC

D-307. ICAI. [email protected] Carlos Domingo (lab.) Endesa. [email protected]

Luis Díez Maroto (lab.) Norvento. [email protected]

3ºE

Lukas Sigrist (teoría y lab.) IIT (Francisco de Ricci). [email protected]

Javier Herrero Fuerte (lab.) Autónomo. [email protected] Accionamientos Eléctricos – Cap 1: Introducción, Rev. Ene. 2015 – Fidel Fernández/Lukas Sigrist - 9

La Asignatura Evaluación Final: 65% Teoría + 35% Laboratorio. Cada parte ha de aprobarse por separado. Teoría: 70% examen final + 30% (2x15%) exámenes seguimiento. Laboratorio: 50% prácticas + 50% examen de laboratorio. ¿Qué pasa si suspendo una de las partes y apruebo la otra? En caso de suspender en la convocatoria ordinaria una sola parte, la nota de la parte aprobada (teoría o laboratorio) se conservará. ¿Qué pasa si vuelvo a suspender en la convocatoria extraordinaria ?

En caso de suspender en la convocatoria extraordinaria alguna de las partes, se deberá repetir la asignatura completa en el siguiente curso. ¿Es obligatoria la asistencia a clase ? La inasistencia a más de un 15% de las clases de teoría o a más de un 15% de las clases de laboratorio podrá impedir la presentación a examen en la convocatoria ordinaria.

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La Asignatura Temario 9 créditos (90h  85h) Lab. (24h)

Teoría (61h)

17/2

30/3

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.

Introducción a los accionamientos Modelado de sistemas electromecánicos Control V/f del motor de inducción Intro. a la electrónica de potencia y al PWM Máq. síncrona de polos salientes. Ejes dq Vectores espaciales en máq. eléctricas Modelo dinámico de máquina síncrona Modelo dinámico de máquina asíncrona Control vectorial Diseño de reguladores vectoriales Aerogeneradores y FACTS Control de máquinas DC y Brushless DC

1. 2. 3. 4. 5.

6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.

Simulink. Arranque de MI mod. T Comparativa mod. T vs. mod. Din. Control V/f. Caract. estática Variador V/f comercial. Básico Variador V/f comercial. PWM y transitorio de arranque. Control V/f. Arranque y frenado. Control V/f. Simulación PWM Máquina síncrona. Ejes dq Máquina síncrona. Amortiguadores Control vectorial en MI. Control i Control vectorial en MI. Control  Examen

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La Asignatura El laboratorio •

Cada práctica tiene un .zip con: – Una guía del alumno: documento que guía paso a paso al alumno en la realización de la práctica. – Una plantilla de informe de laboratorio sobre la que incorporar todos los resultados, comentarios, etc., obtenidos en la práctica. Se completa durante la práctica de lab. – Ficheros Matlab/Simulink a completar por el alumno durante la práctica.

•

Como mínimo es necesario leerse la introducción de todas las prácticas previamente. – Muy recomendable echarle un ojo a toda la práctica entera. – Los cálculos teóricos sencillos que hay que hacer durante la práctica se pueden traer hechos de casa.

•

Cada práctica dispone de 1h50min. Se debe entregar un informe por grupo en pdf al acabar la práctica. – Se permite entregar excepcionalmente la práctica 24h más tarde (2 como máximo por grupo a lo largo del curso) sin penalización. Después x 0.5. Accionamientos Eléctricos – Cap 1: Introducción, Rev. Ene. 2015 – Fidel Fernández/Lukas Sigrist - 12

Bombas: con válvula de estrangulamiento (veloc. fija) vs sin válvula de estrangulamiento (veloc. var.)

• Se desea regular la presión-caudal del sistema hidráulico • Control por válvula de estrangulamiento • Control de la velocidad de la bomba. P1

P2 (fija)

Curva presión caudal del sistema hidráulico

50 Hz

P2: Presión sal bomba

Punto de operación nominal (diseñado)

Curva presión caudal a velocidad constante

P1: Presión entrada bomba

Qnom Accionamientos Eléctricos – Cap 1: Introducción, Rev. Ene. 2015 – Fidel Fernández/Lukas Sigrist - 13

Bombas: con válvula de estrangulamiento (veloc. fija) vs sin válvula de estrangulamiento (veloc. var.)

• Control por válvula de estrangulamiento (velocidad fija) P1

Calor

(Temp) P3 (variable)

P2 (fija) 50 Hz Potencia perdida válvula P = presión (H) x caudal (Q)

Curva sal bomba modificado por la válvula Curva del sistema hidráulico salida válvula

P2: Presión sal bomba P3: Presión

Curva presión caudal a velocidad constante

P1: Presión entrada bomba

Qreq Qnom Accionamientos Eléctricos – Cap 1: Introducción, Rev. Ene. 2015 – Fidel Fernández/Lukas Sigrist - 14

Bombas: con válvula de estrangulamiento (veloc. fija) vs sin válvula de estrangulamiento (veloc. var.)

• Control velocidad bomba P1

P2 = P3 (variable) 50 Hz

Si se regula la velocidad de la bomba para hacer que la curva H-Q pase por el punto de trabajo buscado (Qreq), la válvula de estrangulamiento se hace innecesaria y se produce un importante ahorro de energía Curva modificado por la válvula

Potencia ahorrada

Curva presión caudal a velocidad constante (1800 rpm) P2= P3: Presión sal bomba

Curva presión caudal a velocidad constante (1500 rpm)

P1: Presión entrada bomba

Qreq Qnom Accionamientos Eléctricos – Cap 1: Introducción, Rev. Ene. 2015 – Fidel Fernández/Lukas Sigrist - 15

Regulación de velocidad en bombas ¿Crees que lo tienes claro? ( P1 Abr. 09)

En un complejo industrial se desea regular la presión de un fluido de forma variable. Para ello se va a utilizar un regulador de velocidad V/f de lazo abierto clásico con el que se alimentará una electrobomba (bomba + motor de inducción trifásico). La presión requerida por el sistema se encuentra comprendido entre los 5 y los 10 bares, para caudales entre 50 y 100 L/s. Las características límites de la bomba para estos valores de presión y caudal se encuentran representadas en la siguiente figura: Pr (bares) 1480 rpm

10

Recordatorio: PEJE BOM (W) = Pr (Pa) · Q (m3/s) / BOM

5 1200 rpm

50

100

1 bar = 105 Pa Q (L/s)

NOTA: Se supondrá que la presión del fluido a la entrada de la bomba es constante e igual a 2 bar

El variador electrónico está alimentado por una red de 400 V. El valor máximo de corriente es de IMAX = 1.5 IN MOT, y el de frecuencia es de 100 Hz. De la electrobomba conocemos los siguientes datos: 380 V; Cos N = 0.8; 50 Hz; 4 polos; MOT = 0.85; r1 = 0.05 pu; nMAX = 2250 rpm; BOM = 0.8; JTOT = 5 s Si se compra un motor cuya potencia nominal sea la máxima consumida por la bomba, valor de dicha potencia en W. Valor de la corriente nominal del motor. Accionamientos Eléctricos – Cap 1: Introducción, Rev. Ene. 2015 – Fidel Fernández/Lukas Sigrist - 16

Regulación de velocidad en bombas ¿Crees que lo tienes claro? En un complejo industrial se desea regular la presión de un fluido de forma variable. Para ello se va a utilizar un regulador de velocidad V/f de lazo abierto clásico con el que se alimentará una electrobomba (bomba + motor de inducción trifásico). La presión requerida por el sistema se encuentra comprendido entre los 5 y los 10 bares, para caudales entre 50 y 100 m3/s. Las características límites de la bomba para estos valores de presión y caudal se encuentran representadas en la siguiente figura: Pr (bares) 1480 rpm

10

Recordatorio: PEJE BOM (W) = Pr (Pa) · Q (m3/s) / BOM

5 1200 rpm

50

100

1 bar = 105 Pa Q (L/s)

NOTA: Se supondrá que la presión del fluido a la entrada de la bomba es constante e igual a 2 bar

El variador electrónico está alimentado por una red de 400 V. El valor máximo de corriente es de IMAX = 1.5 IN MOT, y el de frecuencia es de 100 Hz. De la electrobomba conocemos los siguientes datos: 380 V; Cos N = 0.8; 50 Hz; 4 polos; MOT = 0.85; r1 = 0.05 pu; nMAX = 2250 rpm; BOM = 0.8; JTOT = 5 s Si se compra un motor cuya potencia nominal sea la máxima consumida por la bomba, valor de dicha potencia en W. Valor de la corriente nominal del motor. Accionamientos Eléctricos – Cap 1: Introducción, Rev. Ene. 2015 – Fidel Fernández/Lukas Sigrist - 17

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