Accionamientos eléctricos

CONTENIDO

Pre´ambulo XIII

1 Introducci´on 1

1.1 Definiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

Accionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

Accionamiento el´ectrico . . . . . . . . . . . . . . . 3

Accionamiento moderno . . . . . . . . . . . . . . . 3

Conformaci´on de accionamiento el´ectrico . . . . . . 5

Tendencias tecnol´ogicas . . . . . . . . . . . . . . . . 7

Ventajas de los accionamientos el´ectricos . . . . . . 8

Clasificaci´on de accionamientos el´ectricos . . . . . . 8

Motores el´ectricos empleados como accionador . . . 8

Un procedimiento de dise˜no . . . . . . . . . . . . . 10

Especificaciones del accionamiento el´ectrico . . . . . 12

Tipos de servicio en los accionamientos el´ectricos . 14

1.2 Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2 Cargas t´ıpicas en los accionamientos el´ectricos 17

2.1 Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.2 Introducci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.3 Caracter´ısticas est´aticas de los motores . . . . . . . 19

2.4 Clasificaci´on de cargas . . . . . . . . . . . . . . . . 19

Cargas t´ıpicas empleadas en AE . . . . . . . . . . . 19

2.5 Modelado de las cargas . . . . . . . . . . . . . . . . 21

Importancia del modelado de las cargas . . . . . . . 21

Expresiones matem´aticas de Jeq . . . . . . . . . . . 22

Expresiones matem´aticas del par de carga . . . . . 23

2.5.1 Mesa con tornillo sin fin . . . . . . . . . . . 24

2.5.2 Elevador simple . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.5.3 Accionamiento de banda transportadora . . 26

2.5.4 Accionamiento de pi˜non dentado y cremallera 26

2.5.5 Dispositivo de medici´on . . . . . . . . . . . 27

2.5.6 Masa inercial de un disco . . . . . . . . . . . 27

2.5.7 Masa inercial de una cuerda y polea . . . . . 28

2.5.8 Masa inercial de un cilindro r´ıgido . . . . . . 28

2.5.9 Masa inercial de un cilindro hueco . . . . . . 29

2.5.10 Viga con centro de masa descentrado . . . . 30

2.5.11 Masa inercial de un pilar rectangular . . . . 30

2.5.12 Masa inercial de objeto en movimiento lineal 31

Efecto de los engranajes . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.6 Modelos de fricci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.7 Determinaci´on experimental de la inercia . . . . . . 34

2.8 Representaci´on en bloques de la ecuaci´on mec´anica 36

2.9 Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3 Modelo y an´alisis del motor de corriente directa 39

3.1 Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.2 Introducci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.3 Modelo matem´atico del motor de corriente directa . 42

3.3.1 Diagrama equivalente del MDC . . . . . . . 45

3.3.2 Modelo del MDC en espacio de estados . . . 45

3.3.3 Normalizaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3.4 An´alisis del motor de corriente directa . . . . . . . 49

3.4.1 R´egimen permanente . . . . . . . . . . . . . 49

3.4.2 R´egimen din´amico a flujo constante . . . . . 53

3.5 Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

4 Control del motor de corriente directa DC 59

4.1 Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

4.2 Introducci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

4.3 Representaci´on en bloques MDC . . . . . . . . . . . 63

4.4 Control cascada del MDC . . . . . . . . . . . . . . 64

4.4.1 MDC controlado por corriente . . . . . . . . 67

4.4.2 MDC controlado por voltaje . . . . . . . . . 73

4.5 Limitador de velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . 75

4.6 Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

5 Modelos y an´alisis del motor de inducci´on 79

Notaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

5.1 Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

5.2 Introducci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

5.3 Marco conceptual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

5.4 Transformaciones de referencias . . . . . . . . . . . 87

5.4.1 Transformaci´on de Clarke . . . . . . . . . . 94

5.4.2 Transformaci´on de Concordia . . . . . . . . 96

5.4.3 Transformaci´on de Park . . . . . . . . . . . 98

5.5 Modelos matem´aticos del motor de inducci´on . . . . 99

5.5.1 Modelo trif´asico ortogonal . . . . . . . . . . 101

5.5.2 Modelo bif´asico ab o vectorial real. . . . . . 111

5.5.2.1 Modelo en ab . . . . . . . . . . . . 115

5.5.2.2 Modelo en αβ . . . . . . . . . . . . 119

5.5.3 Modelo dq . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

5.5.3.1 Modelo de Park dq. . . . . . . . . . 125

5.5.3.2 Modelo dq de Krause . . . . . . . . 127

5.5.4 Modelo a un eje . . . . . . . . . . . . . . . . 129

5.5.4.1 Corrientes y fem del est´ator. . . . . 129

5.5.4.2 Corrientes y fem del rotor. . . . . . 130

5.5.4.3 Corriente de magnetizaci´on. . . . . 130

5.5.4.4 Flujos magn´eticos del est´ator y rotor.131

5.5.4.5 Ecuaciones de tensi´on. . . . . . . . 133

5.6 An´alisis del MI en r´egimen permanente sinusoidal . 135

5.6.1 Modelo equivalente del MI . . . . . . . . . . 137

5.6.2 Potencia, par y p´erdidas en MI . . . . . . . 138

5.6.3 Eficiencia del MI . . . . . . . . . . . . . . . 141

5.6.4 Caracter´ısticas par velocidad . . . . . . . . . 142

5.6.4.1 C´alculo del par m´aximo. . . . . . 146

5.6.4.2 Modificaciones curva par-velocidad. 146

5.6.4.3 Caso MI Jaula Ardilla. . . . . . . . 148

5.7 An´alisis del MI en r´egimen transitorio . . . . . . . . 150

5.8 Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

6 Arranque del MI 155

6.1 Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

6.2 Introducci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

6.3 Arranque directo del MI . . . . . . . . . . . . . . . 157

6.4 Arranque del MI por resistencias . . . . . . . . . . 159

6.5 Arranque con auto-transformador . . . . . . . . . . 160

6.6 Arrancador estrella-tri´angulo . . . . . . . . . . . . . 161

6.7 Arrancador electr´onico . . . . . . . . . . . . . . . . 162

6.8 Ejercicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

7 Control cl´asico de los motores de inducci´on 167

7.1 Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

7.2 Control de frecuencia del MI . . . . . . . . . . . . . 168

7.3 Controlador escalar . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

7.3.1 M´etodo indirecto . . . . . . . . . . . . . . . 170

7.3.2 M´etodo directo . . . . . . . . . . . . . . . . 171

7.3.3 Control V/f . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

7.4 Control vectorial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184

7.4.1 Marcos de referencia . . . . . . . . . . . . . 186

7.4.1.1 Ligado al flujo del est´ator . . . . . 186    

7.4.1.2 Ligado al flujo del rotor . . . . . . 187

7.4.1.3 Ligado al flujo en el entrehierro . . 188

7.4.2 Controles vectoriales directo e indirecto . . . 190

7.4.2.1 Control vectorial directo . . . . . . 190

7.4.2.2 Control vectorial indirecto . . . . . 191

7.4.3 Variadores con control vectorial directo . . . 192

7.4.3.1 Con inversor regulado en corriente. 193

7.4.3.2 Con inversor regulado en tensi´on . 199

7.5 Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208

Referencias 211