Torque prodac drives

Spring Update CD, May 2001
Producción de torque con
variador y motor A.C.
Rockwell Automation Drives Business
Reliance Electric

Revisión de
fundamentos de
motores
AC y DC Motor

La potencia de placa se alcanza en las rpm de
placa HP = Torque * Speed / 5252
Torque
RPMVelocidad en
placa
100%
Zona de torque
constante
Zona de potencia
constante
Motor Basics
La potencia de placa
se alcanza a la rpm de
placa, NO ANTES!

Estator trifásico con conexiones T1, T2 & T3
Motor AC
Frame
Rotor y eje
Bobinado del
estator

Spring Update CD, May 2001Campo mágnetico rotatorio de motor de dos polos
RPM es igual a :
120 * Frequency
# Motor Poles
Motor de dos polos
Note que la
Frecuencia es la
única variable que
puede influir el la
velocidad del motor
Operacion del motor AC

Armadura
La armadura el el campo están separados
Note que la armadura y el
campo están fijos a 90° todo
el tiempo
Polos de campo
Conmutador y
escobillas
Motor DC

RPM es igual a:
Ambos voltaje de
armadura e intensidad
de campo afectan la
velocidad del motor
Modelo Simple
Voltaje - ( Caida Voltaje )
Flujo de campo
Arm
S NV
V
Para aumentar el torque
incrementamos la
corriente de armadura
Funcionamiento de Motor DC

Puntos claves:
Las diferencias mecánicas deben tratarsen matematicamente
• El motor de indución AC tiene un circuito:
• Las conexiones al estator son T1, T2 y T3.
• Los motores DC tienen tienen dos circuitos:
• F1 y F2 para el campo.
• A1 y A2 para la armadura.
• Para tratar los motores AC como DC:
• Veamos los AC como con dos circuitos
Resumen:

Fundamentos de
variadores AC PWM
AC Drive Basics

• El puent rectificador convierte AC en DC.
• El voltaje DC es filtrado para reducir las variaciones.
• El inversor convierte la DC en voltaje AC PWM.
MotorRed AC
Inversor
IGBT
Diodo
Rectificador
Filtro DC
Variador AC

La onda PWM es una serie de pulsos repetitivos de voltaje
1
3
+ DC Bus
- DC Bus
VLL @ Drive
500 Volts / Div.
Phase Current
10 Amps / Div.
M2.00s Ch1 1.18V
Drive AC – Forma de onda PWM

El motor es controlado por cambio de voltaje y frecuencia
Frecuencia de
salidaFrecuencia de
palca
60
Voltaje
de salida
Hz
30
460
230
115
15 90
460 / 60
= 7.67 V/Hz
0
Operation at Base Speed
Variado AC - Relación V/Hz
La relación V/Hz determina que a frecuencia de placa
se logra potencia de placa

Al 50% de la velocidad, voltaje y frecuencia son reducidos a
La mitdad
Output
FrequencyBase Frequency
60
Output
Voltage
Hz
30
460
230
115
15 90
230 / 30
= 7.67 V/Hz
0
AC Drive Basics - V/Hz Operation
A 50% de la frecuencia de placa, la relación V/Hz
determina que se logre el 50% de la potencia
Funcionamiento a 50% de frecuencia de placa

A 25% de la velocidad se tiene 25% de la potencia de
placa
Frecuencia
de salidaFrecuencia de
placa
60
Voltaje
de salida
Hz
30
460
230
115
15 90
115 / 15
= 7.67 V/Hz
0
A 25% de la velcidad, Voltaje y frecuencia decrecen en 3/4
Variador AC – Funcionamiento V/Hz
Funcionamiento a 25% de la frecuencia de placa

Para mejorar el arranque, se usa Incremento de voltaje
que aumenta la magnetización del motor y el torque
Aumentado el voltaje se mejora el torque en el arranque
Frecuencia
de salidaFrecuencia de
placa
60
Voltaje
de salida
Hz
30
460
248
138
15 90
460 V / 60 Hz
= 7.67 V/Hz +
% BOOST
0
Aumento de
Voltaje

Aumentar el voltaje durante mucho tiempo
recalienta el aislamiento del motor y puede
resultar en un daño prematuro.
Incapaz de trabajar como un motor DC, la industria va hacia el
control vectorial
Advertencia: La vida del aislamiento
decrece 50% por cada 10C por encima
de su temperatura de trabajo.

Si podemos separar y regular la componente de
corriente que crea a torque en el motor,
podremos regular torque en el motor, no solo la
velocidad!
La regulaión de corriente permite el control del torque
Esta es la base del
control vectorial
Variador AC - Vectorial

Fundamentos del
variador vectorial
Variador AC

• Corriente de magnetización
• Amperios de plena carga
• Voltaje del motor
• Frecuencia en placa
• RPM en placa (Deslizamiento)
• Potencia en placa
La corriente de placa es el más importante de los datos
Variador AC – Modelo del motor
El modelo del motor se basa en los datos
ajustados en los parámetros

Corriente de magnetización es la corriente requerida para
excitar el estator y las bobinas sin carga.
• Corriente de magnetización: Corriente de vacio sin
fricción
• Determina el flujo mágnetico
• (FLA - Mag. Amps) = 100% Torque Current
 Una mala calibración de FLA puede reducir el torque
La corriente de magnetización va del 35% al 50% FLA
FLA = corriente a plena carga (Dato de placa)
Variador AC – Modelo del Motor
Parametro: Corriente de magnetización

De esta forma el torque se produce aún a “0” RPM
La corriente de magnetización equivale a corriente de campo
Corriente de magnetización = corriente de vacio
Valor fijo de 0 RPM a RPM nominal
Variador AC – funcionamiento vectorial
Corrien
te para
torque
Corriente de
magnetización
100%
90

El valor de FLA puede ajustar:
• La sobrecarga del motor
• La sobrecarga del variador
• La disponibilidad de torque
• (FLA x %OL) - Mag. Amps = Max. Corriente disponible para
torque
 Una mala calibración disminuye el torque y puede
dañar el motor.
Como cada algoritmo vectorial es único, revise este dato con
el fabricante
Variador AC– Modelo del Motor
Parámetro: “Corriente a plena carga” (FLA)

Voltaje y Hz en placa pueden:
• Determinan la relación de voltios y frecuencia a la
salida del variador
 Una mala calibración puede recalentar el motor,
reducir la vida útil del aislamiento y el torque
disponible.
Debemos asegurarnos operación correcta del motor sin
recalentamiento
Parámetro: “Voltaje y frecuencia de placa”

Determinan:
• Cálculo del deslizamiento.
• Espera medir unas RPM a determinada frecuencia
• Permiten detectar y corregir errores de RPMs
• Establecen el punto de debilitamiento de campo
 Una mala calibración puede causar sobrecorrientes
Los variadores AC regulan la velocidad teniendo en cuenta el
deslizamiento
Parámetros: “frecuencia y RPM”

La potencia puede ser usada para:
• Estimar la impedancia del motor
• Estimar la inductancia del motor
• Calcular la ganacia para realimentación de torque
 Una mala calibraciónpuede causar una pobre
regulación de torque o velocidad
La información de la potencia es vital
Parámetro: “Potencia (HP ó Kw)”

El Flux Vector actua más como un variador DC
El debilitamiento de campo ocurre por encima de la frecuencia
de placa
La corriente de magnetización decae por encima de la
frecuencia de placa
Variador AC – Funcionamiento Vectorial
Torque
Current
Magnetizing Current
100%
90
Torque
Current
Magnetizing Current
100%
9090

El torque del motor depende de la carga
Los cambios en la corriente para torque dependen de
los cambios de la carga
Torque
Current
Magnetizing Current
100%
90
Torque
Current
Magnetizing Current
10%
90

Torque en el eje del motor se basa en una referencia de
torque
La corriente de torque se basa en una referencia
Torque
Current
Magnetizing Current
100%
90
Torque
Current
Magnetizing Current
10%
90

La corriente de torque debe estar a 90° con magnetización
El torque es optimo solo cuando se mantienen los 90°
Sintonización inadecuada, incorrecta parametrización,
mala realimentación de velocidad o baja potencia del
variador ocasionaran mala regulación del torque.
AC Drive Basics - Vector Operation
Torque
Current
Magnetizing Current
100%
90
Producción
optima de
torque
Torque
Current
Magnetizing Current
?
Pobre
producción de
torque

Clase de carga: velocidad directa y torque inverso
El tiempo para saber velocidad y posición es limitado por la
inercia y la velocidad
La forma en que la carga
afecta al drive es crítico para
el exito en la aplicación.
La carga con velocidad
directa y torque inverso es la
más dificil de manejar.
?
Si los rodillos están acoplados
durante el recorrido, se puede
presentar una condición de
velocidad directa y torque inverso.
Use V/Hz or vectorial si la inercia
o la velocidad es alta.

Corriente de motor = Suma vectorial de torque y
magnetización
Acá aparece el nombre de vectorial
Corriente del motor es la que se mide en sus fases
100%
Magnetizing Current
Torque
Current
Magnetizing Current
100%
Motor
Current
90
Torque
Current
Motor
Current
90
A² + B² = C²

Flux Vector regula corriente y torque usando velocidad
del rotor y posición para optimizar torque en el eje junto
con realimentación de corriente del motor.
El encoder proporciona la información de rpm y posición
L1
L2
L3
Current
Feedback
Motor
E
Micro P
Variador AC – Funcionamiento Flux Vector

A medida que el motor llega a la temperatura de trabajo,
la linealidad y precisíón del torque mejoran en Flux Vector
Precisión del
torque 5% o
mejor !
Variaador AC – Torque y temperatura de rotor
% Torque
Inch - Lbs
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 30 deg
80 deg
Ideal Value
HOT
Motor
COLD
Motor

Es básicamente el mismo Flux Vector Control, con
realimentación de Voltaje para detectar cambios de
temperatura en el motor.
El variador continuamente se adapta a los cambios de
temperatura del motor
L1
L2
L3
Voltage
Feedback
Motor
E
Micro P
Variador AC – Control de campo orientado

Ideas claves:
La información del motor medida o programada es la clave del
exito
• Los errores en la realimentación del encoder afectan el
control:
• Produciendo inestabilidad en la velocidad
• Debe estar libre de ruido
• Seleccione un encoder apropiado para motor vectorial
• Tierras apropiadas son importantes
• Los datos del motor deben ser precisos en el variador
Variadores AC - Resumen

•El de nucleo escalar
Todos los vectoriales sin realimentación no son los mismos
Actualmente hay dos tipos de variadores vectoriales
• El de nucleo vectorial
Variador AC

SVC basado en el escalar (V/Hz)
SVC con V/Hz puede manejar multiples motores
• Usa un algoritmo sofisticado de limitación de corriente
para mejorar el torque constante y el de arranque.
• Necesita menos información para puesta en marcha
ganando así simplicidad.
• Puede manejar motores en paralelo.
• Solo regula la frecuencia , fijando la corriente.
• No regula el torque
Variador AC – Variador vectorial

Solo vectorial:
• Separa la corriente de torque y la de magnetización,
para mantener el angulo de 90°.
• El arranque es algo más complicado por que se
necesita más información del motor.
• Solo maneja un motor a la vez.
• Controla velocidad y torque

El variador SVC vectorial cálcula la velocidad del
rotor y su posición
L1
L2
L3
Motor
Sensores
de
corriente
Micro P
( FVC + Speed Estimator )

POSICION RPMs TORQUE MOTOR
La referencia de
posición es
opcional en la
mayoria de
controles
vectoriales
La referencia de
velocidad es de uso
común
La referencia de torque puede
ser directa, evitando el lazo de
velocidad como referencia para
aplicaciones como enrolladoras y
Equipos de pruebas
Hay tres lazos de control:
1,000 rad/sec100 rad/sec10 rad/sec
Variador AC – Lazos de control

Referencia
De velocidad
Flux
Command
Torque
Command Señales a los
IGBTs
RED AC
Realimentación
de corriente
Velocidad y
posición rotor
+
-
Lazo de
torque
Lazo de
velocidad
Controlador
de campo
Inversor
PWM
Realimentaci
ón de
velocidad
AC
Motor
E
Diagrama de control Flux Vector
AC Drive Basics - Regulator Diagram

Motor para variador
AC Motor Basics - Inverter Duty

Algunos motores tiene el frame
ajustado para disipar calor sin
necesidad de ventilación forzada
Ventilador si se desa trabajar a
“0” RPM with 100% de Torque
continuamente
AC Motor Basics - Inverter Duty

Tipo de motores AC
Los de Frame laminado
proporcionan densidad an altas
potencias y mejores curvas de
comportamiento.
Los motores con Frame T tienen en
´común la base y altura del eje.
Motor AC para inversor
Seleccione el
tipo de motor
de acuerdo a
sus necesidades

El diseño del rotor cambia de motor
a motor:
El rotor “jaula de ardilla sencilla” está
diseñado para usar con variador
El motor industrial estandar con rotor
doble jaula de ardilla esta diseñado
para lograr el mejor torque.
Motor AC para inversor
El diseño del
rotor afecta la
producción de
torque!

Diagrama del circuito equivalente del motor de inducción
Motor AC – Diagrama equivalente
Resistencia
del estator
Inductancia
estator
Inductancia
Rotor
Resistencia
Rotor
Inductancia de
magnetización
Voltaje de
entrada
-
+
Current
Working
El calentamiento
del rotor afecta la
produccíon de
troque!

El torque pico depende de las características del motor
Motor AC
Motor diseño NEMA B
Torque a plena carga
Breakdown Torque (BDT)
Regla del pulgar:
El 80% de BDT se usa
para cuando hay cambios
subitos en la carga.

Según la aplicación se debe escoger el motor por la curva de
torque
Motor AC – Region de operación
NEMA Design “B” Motors vary in Breakdown Torque capacity

Motor para variador a 1/10 de RPM placa
Curva de motor para inversor con Variador
%
T
O
R
Q
U
E
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72 78 84 90
Torque
Torque
HZ
Región aceptable
Para operación continua
Motor AC – Rango de operación

La región de potencia constante va hasta el 150% de
Frecuencia de placa
Curva de motor para inversor con variador AC
%
T
O
R
Q
U
E
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72 78 84 90
Torque
Torque
HZ
Motor AC- Rango de operación

El motor para variador trabaja a “0” RPM con 100% Torque
Constante
Curva de torque de motor para variador con variador vectorial
%
T
O
R
Q
U
E
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72 78 84 90
Torque
Torque
HZ
Región de trabajo continuo
AC Motor – Rango de operación

Algunos motores trabajan hasta 2 veces la fercuencia de placa
Curva de torque de motor para variador y variador vectorial
HZ
%
T
O
R
Q
U
E
0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72 78 84 90
Torque
Torque
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
96 102 108 114 120
Motor AC – Rango de operación
Algunos motores
pueden trabajar hasta
8 veces la frecuencia
de placa

Comparación
De comportamiento
de los variadores
Variador AC

Selección para cargas rotativas
Starting into
rotating loads
V/Hz SVC FVC
Better Good Best
• FVC es la mejor si la posición y la velocidad son conocidas.
• V/Hz es muy comodo y adaptable con altas inercias.
• SVC más dificil de manejar debidoa las limitaciones del
fabricante. Procesador y algoritmo dependiente.

• V/Hz funciona perfecto con motores en paralelo.
• SVC or FVC es posible unicamente si los ejes de los
motores están acoplados y l variador puede trabajar solo
con el total de la corriente.
Selección para motores en paralelo
Multi-motor
Operation from
one drive
V/Hz SVC FVC
Best
Not
Recommended
Not
Recommended

• V/Hz es bueno hasta 10:1 Constant Torque.
• SVC es bueno hasta 40:1 Constant Torque.
• FVC es bueno hasta 1,000:1 incluyendo velocidad cero.
Selección Para torque constante
Constant
Torque Range V/Hz SVC FVC
Good Better Best

• V/Hz no es medible la respuesta.
• SVC bueno hasta 100 Radians/second.
• FVC bueno hasta 1,000 Radian/second.
Control Selection
Dynamic
Response V/Hz SVC FVC
Good Better Best
No
tuning
Adjustable
Gains for tuning
Adjustable
Gains for tuning

Feature Flux Vector - benefits DC Drive - limitations
Power Factor 92% to 96% at all speeds &
loads
88% to 33% dependent on
speed & load
Torque Production 1,000 radian/sec 300 radian/sec
Operation at Stall Closed Loop Flux Vector at
Stall continuous
DC operation at Stall limited by
brushes & commutator
Motor Cost AC Motor cost is less
expensive due to simplicity
DC Motor cost is higher due to
labor complexity & parts
High Speed
Applications
Lower rotor mass allows
high speed operation
Mechanically limited in speed
due to construction
Comparativo

Las tecnologías AC y DC tiene sus virtudes cada una
Feature Flux Vector - limitations DC Drive - benefits
Line Regeneration 60% to 100% premium over
drive cost to do
5% to 25% premium over drive
cost to do
Motor Lead Length Limitation of lead length – can
affect operation & reliability
No concerns of lead length
other than voltage drop
Drive Only Cost More expensive due to
controller complexity
Less expensive due to
controller simplicity
Shock Load
Applications
Less inertia at motor requires
more tuning and setup time
Armature inertia helps to
dampen shock loads
Comparativo

Performance
Features
DC Drive
w/ Encoder
DC Drive
w/ Tach
DC Drive
w/o Fdbk
Flux
Vector
Sensorless
Vector
Operating
Speed Range
0 RPM to
Base RPM
90 RPM to
Base RPM
90 RPM to
Base RPM
0 RPM to
Base RPM
45 RPM to
Base RPM
CT Speed
Regulation
w/o load
change
1,000 : 1
0.01%
70 : 1
1.0%
20 : 1
3.0%
1,000 : 1
0.01%
40 : 1
0.5%
CT Speed
Regulation
w/ 100% load
change
100 : 1
0.05%
30 : 1
3.0%
10 : 1
5.0%
100 : 1
0.05%
20 : 1
1.0%
El comportamiento de los variadores AC y DC es similar
Drive Selection - Speed Range

Preguntas?
Gracias!

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