Tesis - Controy y Protección de Motores en el Area de Molinos en un Ingenio Azucarero
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Descripción: Mi tesis de graduación, realizada por David Mejia, Ingmar Vladimir Arévalo y José Estevez para optar al gra...
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UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA “JOSÉ SIMEÓN CAÑAS”
CONTROL Y PROTECCIÓN DE MOTORES DE INDUCCIÓN EN ÁREA DE MOLINOS DE UN INGENIO AZUCARERO
TRABAJO DE GRADUACIÓN PREPARADO PARA LA
FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
PARA OPTAR POR EL GRADO DE
INGENIERO ELECTRICISTA
POR
VLADIMIR INGMAR IVÁN ARÉVALO MILLA JOSÉ ROBERTO ESTÉVEZ SALAS DAVID ALEXANDER MEJÍA RODRIGUEZ OCTUBRE 2005 SAN SALVADOR, EL SALVADOR, C.A.
RECTOR JOSE MARIA TOJEIRA, S.J.
SECRETARIO GENERAL RENE ALBERTO ZELAYA
DECANO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA CELINA PEREZ RIVERA
COORDINADOR DE LA CARRERA DE INGENIERIA ELÉCTRICA OSCAR ANTONIO VALENCIA MONTERROSA
DIRECTOR DEL TRABAJO HECTOR POMPILIO ESCOBAR AMAYA
LECTOR JORGE FRANCISCO MEJIA ZETINO
RESUMEN EJECUTIVO
El presente trabajo es desarrollado en once capítulos, donde se aborda el estudio sobre el control y protección de los motores de inducción, ubicados en los molinos del ingenio azucarero. Las áreas de estudio que comprende son: el proceso de producción de azúcar en el área de molinos y el funcionamiento de motores de inducción controlados por variadores de frecuencia de media tensión. Primero se recaba la información del proceso que se desarrolla en el área de molinos y los elementos integrados a ésta. Después el estudio se enfoca con mayor profundidad en el papel que desempeñan en el proceso, los motores de inducción
y los variadores de frecuencia.
Así, una vez conocido el proceso y sus
elementos, se procede finalmente a la investigación de la lógica de control y protección que necesita dicho proceso.
En el capítulo uno se hace una descripción general del proceso de modernización que se realiza en el área de los molinos, donde se explica porqué ésta puede mejorar el nivel de calidad de la producción, al utilizar motores eléctricos de inducción trifásicos en vez de turbinas de vapor, para accionar los molinos que se encargan de hacer la extracción de jugo de caña de la azúcar.
En el capítulo dos se desarrolla un estudio de la teoría básica de dos componentes fundamentales en el proceso en el área de molinos, los cuales son el motor de inducción trifásico y el variador de frecuencia. En la teoría del motor se explican los conceptos básicos de su funcionamiento. Luego se aborda la teoría del variador de frecuencia, en la cual se explica su funcionamiento y cómo realiza el control de la velocidad del motor.
En el capítulo tres se explica cual es la funcionalidad de los elementos principales ubicados en el área de patios y molinos, para poder entender como se hace el proceso de preparación realizado en el área de patios y el proceso de extracción de jugo de caña hecho en el área de molinos. Conociendo como se hacen ambos procesos, se procede a explicar en el capítulo 4, la manera de hacer el control
de éstos. También se hace una descripción del
v
funcionamiento de los sensores ocupados para el control del proceso y cual es la manera de integrarlos a éste.
El capítulo cinco se hace una descripción de las especificaciones de los motores de media tensión utilizados en los molinos. Para poder identificar los rangos permisibles para el ajuste de parámetros en la programación del variador.
A continuación, en el capítulo seis se realiza la introducción al variador de frecuencia de media tensión, por lo que se hace una descripción de su estructura física con el objetivo de identificar claramente sus elementos. Además, se explica cual es su funcionalidad en el proceso que desarrolla el variador. El estudio se divide en dos áreas, una enfocada a la parte que realiza el control, y otra a los elementos de potencia.
En el capítulo siete se realiza la descripción de las entradas y salidas del variador de media tensión. Siendo por medio de éstas
que el variador
interactúa con los dispositivos
periféricos. Las entradas y salidas tienen una función predeterminada, y se encuentran relacionadas a un área en particular. Así, según su funcionalidad se ha agrupado su estudio en áreas específicas de acción. Siendo estas áreas de acción: la alimentación de media tensión, la velocidad, la temperatura, la operación y el proceso.
En el capítulo ocho se detalla cómo realizar el ajuste de los parámetros de programación del variador, los cuales determinan el comportamiento de éste. Para esto, primero se realiza una descripción de cada parámetro, para después comprender la integración de éstos en el control de velocidad que se desee tener, así como en la actuación de las protecciones para el motor, el proceso y el variador mismo. La modificación del valor de los parámetros, se hace a través de un interfaz de usuario, la cual es abordada en el capítulo nueve. Donde se explican los procedimientos a desarrollar en la interfaz para modificar los parámetros.
Las protecciones con que cuenta el proceso en el área de molinos, se detallan en el capítulo diez, donde se explican cuales son los tipos de protecciones que existen, el funcionamiento
vi
de éstas y condiciones bajo la cuales pueden actuar o no. Además se describen todos los diagramas de protecciones correspondientes a cada molino y elevador.
En el capítulo once, se ha desarrollado una guía de mantenimiento preventivo, en el cual se encuentran detalladas la actividades que de forma periódica se deben realizar para mantener trabajando el variador
en condiciones óptimas de funcionamiento y para reducir las
posibilidades de ocurrencias de fallas; es decir, prolongar el tiempo de vida útil del equipo.
vii
viii
ÍNDICE
Siglas…………………………………………………………………………………. xxi Abreviatura………..…………………………………………….………………………xxi Simbología……………………………………………………….…………………….xxiii Unidades de medida…………………………………………..………………………...…xiv Prólogo………………………………………………………………………………...…...xv
CAPÍTULO 1. GENERALIDADES………………………...………………………………1
CAPÍTULO 2. TEORÍA BÁSICA 2.1. Teoría básica de motores trifásicos de corriente alterna (AC)…………………….5 2.1.1. Aplicación de los motores trifásicos AC………………………………...5 2.1.2. Construcción de los motores trifásicos AC……………………………...6 2.1.3. Campo magnético rotatorio……………………………………………...8 2.1.4. Giro del rotor…………………………………………………………...12 2.1.5. Especificaciones de un motor………………..........................................16 2.2. Teoría básica de variadores de velocidad………………………………………….22 2.2.1. Aplicación de la variación de velocidad de un motor…………….........22 2.2.2. Variables del motor relacionadas con el control de velocidad………………………………………………………………..23 2.2.3. Funcionamiento básico del variador……………………………………28 2.2.4. Conceptos básicos de semiconductores………………………………...29 2.2.5. Rectificador……………………………………………………….........35 2.2.6. Inversor…………………………………………………………………36 2.2.7. Control escalar……………………………………………………... ….38 2.2.8. Control vectorial………………………………………..........................40 CAPÍTULO 3. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROCESO EN EL ÁREA DE PATIOS Y MOLINOS 3.1. Elementos del área de patios……………………………………………………..45 3.2. Proceso de preparación…………………………………………...........................51 3.3. Elementos en el área de molinos…………………………………………………52 3.4. Proceso de extracción de jugo y obtención de bagazo……………………….......57 CAPÍTULO 4. CONTROL DEL PROCESO EN EL ÁREA DE PATIOS Y MOLINOS 4.1. Control en el área de patios……………………………………....................... 4.1.1. Lazo de control de la banda de hule…………………....................... 4.1.2. Lazo de control de la banda transportadora 3………………………. 4.1.3. Lazo de control de la banda transportadora 2………………………. 4.1.4. Lazo de control de la banda transportadora 1………………………. ix
61 67 68 76 78
4.1.5. Lazo de control de las mesas alimentadoras…………....................... 4.1.6. Lazo general del área de patios……………………………………... 4.2. Control en el área de molinos…………………………………………………. 4.2.1. Variables de medición………………………………………………. 4.2.2. Lazo de control de molinos………………………………………….
79 80 82 82 85
CAPÍTULO 5. DESCRIPCIÓN DE LOS MOTORES DE MEDIA TENSIÓN 5.1. Generalidades…………………………………………………………………. 91 5.2. Motores utilizados en los molinos…………………………………………….. 92 5.3. Datos eléctricos de los motores de media tensión.............................................. 93 5.3.1. Voltaje nominal……………………………………………………... 93 5.3.2. Potencia……………………………………………………………... 93 5.3.3. Velocidad……………………………………………………………. 94 5.3.4. Corriente……………………………………………………….......... 95 5.3.5. Aislamiento térmico de los bobinados…………………………….... 100 5.4. Elementos externos en los motores de media tensión.………………………... 101 CAPÍTULO 6. DESCRIPCIÓN DEL VARIADOR DE MEDIA TENSIÓN 6.1. Introducción……………………………………………………….................... 6.2. Estructura del variador………………………………………………………... 6.3. Área de potencia………………………………………………………………. 6.3.1. Primer gabinete………………………………………….................... 6.3.2. Segundo gabinete……………………………………………………. 6.3.3. Tercer gabinete……………………………………………………… 6.3.4. Cuarto Gabinete……………………………………………………... 6.4. Área de control………………………………………………………………. 6.4.1. Segundo gabinete…………………………………………………....
105 106 109 109 112 118 121 123 123
CAPÍTULO 7. ENTRADAS Y SALIDAS DEL VARIADOR 7.1. Introducción…………………………………………………………………… 7.2. Alimentación de mediana tensión……………………………………………... 7.2.1. Interruptor de aislamiento…………………………………………… 7.2.2. Contactor de entrada………………………………………………… 7.3. Temperatura…………………………………………………………………… 7.3.1. Temperatura en el motor……………………………………………. 7.3.2. Temperatura en reactor de línea y enlace DC………………………. 7.4. Velocidad……………………………………………………………………… 7.4.1. Sistema de referencia local………………………………………….. 7.4.2. Sistema de referencia remota……………………………………….. 7.4.3. Selección del sistema de referencia………………………………… 7.4.4. Medición de la velocidad del motor………………………………… 7.5. Operación……………………………………………………………………... 7.5.1. Paneles de control…………………………………………………… 7.5.2. Función botoneras…………………………………………………... 7.5.3. Luces indicadoras…………………………………………………… 7.6. Proceso………………………………………………………………………... 7.6.1. Entrada………………………………………………………………
127 128 130 133 137 138 141 142 143 145 146 148 151 151 152 157 159 160
x
7.6.2.
Salida………………………………………………………………... 161
CAPÍTULO 8: PARÁMETROS DEL VARIADOR DE MEDIA TENSIÓN 8.1. Descripción general…………………………………………………………… 8.1.1. Interpretación de los bits de codificación…………………………… 8.1.2. Interpretación de la asignación de la clase de falla…………………. 8.2. Parámetros de velocidad………………………………………………………. 8.2.1. Referencia de velocidad…………………………………………….. 8.2.2. Condicionantes de la señal de referencia…………………………… 8.2.3. Rampa de velocidad………………………………………………… 8.3. Parámetros de protecciones…………………………………………………… 8.3.1. Parámetros de protección del motor………………………………… 8.3.2. Parámetros de Protección de Línea…………………………………. 8.3.3. Proceso……………………………………………………………….
163 165 168 170 170 182 187 198 199 208 215
CAPÍTULO 9. USO DE LA INTERFAZ DE USUARIO (PANELVIEW) 9.1. Partes principales de la interfaz……………………………………………….. 9.1.1. Teclas de función (teclas suaves)…………………………………… 9.1.2. Teclas del apuntador (Selección)…………………………………… 9.1.3. Teclas de entrada de datos………………………………………….. 9.1.4. Pantalla…………………………………………………....................
220 220 222 222 222
9.2. Modificar la operación de la interfaz………………………………………….. 9.2.1. Cambio del tiempo de retardo de la lámpara trasera………………... 9.2.2. Cambio del contraste……………………………………................... 9.2.3. Ajustar el reloj y el calendario………………………………………. 9.2.4. Definir los medidores que serán desplegados en el menú de nivel tope………………………………………………... 9.3. Seleccionar y modificar un nivel de acceso………………………………....... 9.4. Selección de un parámetro……………………………………………………. 9.4.1. Selección a través de grupos………………………………………... 9.4.2. Selección a través de nombres……………………………………… 9.4.3. Selección a través de código………………………………………... 9.5. Modificación de parámetros………………………………………………….. 9.5.1. Valor Numérico…………………………………………………….. 9.5.2. Valor enumerado……………………………………………………
228 231 234 234 235 236 240 240 242
CAPÍTULO 10. PROTECCIONES DEL PROCESO EN EL ÁREA DE MOLINOS 10.1. Tipos de protecciones en el área de molinos…………………………………. 10.2. Funcionamiento de las protecciones en el área de molinos…………………... 10.3. Sistema general de protecciones en área de molinos…………………………. 10.3.1. Esquema de protección de molinos………………………………… 10.3.2. Esquema de protección de elevadores……………………………....
245 252 257 258 262
xi
224 225 226 226
CAPÍTULO 11. MANTENIMIENTO PREVENTIVO DEL VARIADOR DE MEDIA TENSIÓN 11.1. Mantenimiento con media tensión…………………………………………….. 11.1.1. Mantenimiento del sistema de enfriamiento………………………… 11.2. Mantenimiento sin media tensión……………………………………………... 11.2.1. Prueba de la resistencia de los semiconductores SGCT…………….. 11.2.2. Prueba disparo de los semiconductores……………………………... 11.2.3. Prueba del circuito Snubber…………………………………………. 11.2.4. Chequeo físico………………………………………………………
269 270 274 274 276 279 282
CAPÍTULO 12. CONCLUSIONES……………………………………………….......... 287 CAPÍTULO 13. RECOMENDACIONES………………………………………………. 289
Glosario…………………………………………………………………………………. 291 Referencias…………………………………………………………………………….. 294 Bibliografía…………………………………………………………………………….
xii
295
ÍNDICE DE FIGURAS
CAPÍTULO 2. TEORÍA BÁSICA Figura 2.1.
Motor eléctrico AC como parte de una aplicación………………........
5
Figura 2.2.
Clasificación de los motores AC………………………………………
6
Figura 2.3.
Estator y rotor……………………………………………………........
6
Figura 2.4.
Motor asíncrono y síncrono…………………………………………...
7
Figura 2.5.
Rotor devanado………………………………………………..............
8
Figura 2.6.
Rotor Jaula de Ardilla…………………………………………………
8
Figura 2.7.
Fuerzas magnéticas……………………………………………………
9
Figura 2.8.
Ubicación de los devanados del estator……………………….............
10
Figura 2.9.
Análisis de los instantes de las corrientes trifásicas…………………...
10
Figura 2.10.
Líneas de flujo magnético producidas por la corriente en los devanados………………………………………………………...........
11
Figura 2.11.
Giro del campo magnético del estator……………………………........
11
Figura 2.12.
Giro del rotor…………………………………………………………..
13
Figura 2.13.
Acople del motor a alguna carga mecánica…………………………...
13
Figura 2.14.
Fuerzas ejercidas sobre el estator...........................................................
14
Figura 2.15.
Curva torque/corriente contra velocidad………………………………
16
Figura 2.16.
Eficiencia del motor…………………………………………………...
18
Figura 2.17.
Triángulo de potencia………………………………………………….
19
Figura 2.18.
Clases de aislamiento térmico de los bobinados………………............
21
Figura 2.19.
Distintas aplicaciones de los variadores en la industria……………….
22
Figura 2.20.
Circuito equivalente del motor………………………………………...
23
Figura 2.21.
Región de torque y potencia constante………………………………..
27
Figura 2.22.
Diagrama básico del variador de frecuencia…………………………..
28
Figura 2.23.
Diodo…………………………………………………………………..
30
Figura 2.24.
Funcionamiento del diodo……………………………………………..
30
Figura 2.25.
Tiristor…………………………………………………………………
31
Figura 2.26.
Funcionamiento del tiristor………………………………………........
31
Figura 2.27.
GTO……………………………………………………………………
32
xiii
Figura 2.28.
Circuito básico GTO………………………………………………......
32
Figura 2.29.
Gráficas GTO………………………………………………………….
33
Figura 2.30.
Fotografía de un SGCT…………….………………………………….
33
Figura 2.31.
Circuito básico con SGCT……….…….……………………………...
34
Figura 2.32.
Comportamiento del SGCT…….………………………………..........
34
Figura 2.33.
Función del rectificador……..………..……………………………….
35
Figura 2.34.
Rectificador trifásico………………………………………………......
36
Figura 2.35.
Función del inversor….…………….……………………………….....
36
Figura 2.36.
Inversor trifásico……….……………………………………………...
37
Figura 2.37.
Señal PWM…………….……………………………………………...
37
Figura 2.38.
Reconstrucción de señal de pulsos a senoidal…………………………
38
Figura 2.39.
Región de torque constante…..………………………………………..
39
Figura 2.40.
Diagrama de un variador con control escalar………………….............
39
Figura 2.41.
Rotación del campo magnético en el rotor…………………………….
40
Figura 2.42.
Diagrama de un variador con control vectorial………………………..
42
CAPÍTULO 3. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROCESO EN EL ÁREA DE PATIOS Y MOLINOS Figura 3.1.
Esquema general del área de patios…………………………………....
45
Figura 3.2.
Partes principales de las mesas alimentadoras………………………...
46
Figura 3.3.
Rompe Rollos………………………………………………………….
47
Figura 3.4.
Cadenas de Arrastre…………………………………………………...
47
Figura 3.5.
Banda Transportadora…………………………………………………
49
Figura 3.6.
Picadora………………………………………………………………..
50
Figura 3.7
Niveladora……………………………………………………………..
51
Figura 3.8.
Grúa Hidráulica y Mesas Alimentadoras……………………………...
52
Figura 3.9.
Esquema general del área de molinos…………………………………
52
Figura 3.10.
Mazas………………………………………………………………….
53
Figura 3.11.
Reductor de Media…………………………………………………….
54
Figura 3.12.
Reductores de baja…………………………………………………….
54
xiv
Figura 3.13.
Representación general de los molinos………………………………..
55
Figura 3.14.
Sistema turbina – mazas y sistema motor – mazas……………………
56
Figura 3.15.
Elevadores……………………………………………………………..
57
Figura 3.16.
Conducción de jugo hacía la fábrica………………………………….
59
Figura 3.17.
Proceso de maceración……………………………………………….
59
CAPÍTULO 4. CONTROL DEL PROCESO EN EL ÁREA DE PATIOS Y MOLINOS Figura 4.1.
Sensores Capacitivos…………………………………………………..
62
Figura 4.2.
Ubicación de los sensores capacitivos………………………………...
63
Figura 4.3.
Nivel del Donelly……………………………………………………...
64
Figura 4.4.
Estados de los sensores capacitivos…………………………………...
64
Figura 4.5.
Convertidor de nivel…………………………………………………..
65
Figura 4.6.
Estados de los sensores ubicados a un 25% y 50% del nivel del donelly…………………………………………………………..........
66
Figura 4.7.
Esquema de control de Banda de Hule………………………………...
67
Figura 4.8.
Aumento de velocidades en el área de patios………………………….
68
Figura 4.9.
Función de eficiencia de picadora 3…………………………………...
70
Figura 4.10.
Esquema de control de la banda transportadora 3…………………….
72
Figura 4.11.
Comparación de funciones de eficiencia……………………………..
73
Figura 4.12.
Misma salida para diferentes lazos de control………………………...
72
Figura 4.13.
Esquema de elementos actuadores de banda transportadora 3………..
75
Figura 4.14.
Elementos actuadores de banda transportadora 3……………………..
76
Figura 4.15.
Esquema de control de banda transportadora 2………………………..
77
Figura 4.16.
Esquema de control de banda transportadora 1………………………..
78
Figura 4.17.
Esquema de control de mesas alimentadoras………………………….
79
Figura 4.18.
Esquema completo de protecciones en área de patios…………………
81
Figura 4.19.
Nivel de flotación de las mazas………………………………………..
82
Figura 4.20.
Sensor inductivo……………………………………………………….
83
Figura 4.21.
Desplazamiento de imán permanente sobre bobina…………………...
84
xv
Figura 4.22.
Flotación de la maza superior………………………………………….
85
Figura 4.23.
Comparación entre flotación izquierda y derecha……………………..
86
Figura 4.24.
Corrección de valor de flotación………………………………………
87
Figura 4.25.
Sumar valores de nivel de flotación corregido y nivel del donelly……
88
Figura 4.26.
Esquema general de control de área de molinos………………………
88
Figura 4.27.
Esquema de control de área de molinos con elementos actuadotes…...
89
Figura 4.28.
Ejemplo de funcionamiento del lazo de control……………………….
90
CAPÍTULO 5. DESCRIPCIÓN DE LOS MOTORES DE MEDIA TENSIÓN Figura 5.1.
Partes del Motor……………………………………………………...
91
Figura 5.2.
Motores Utilizados en los Molinos…………………………………..
92
Figura 5.3.
Curvas de potencia del motor………………………………………...
94
Figura 5.4.
Curva Potencia Corriente…………………………………………….
95
Figura 5.5.
Curvas de eficiencia con potencia……………………………………
97
Figura 5.6.
Curvas de factor de potencia contra potencia de salida……………...
98
Figura 5.7.
Corriente en la Bobina……………………………………………….
100
Figura 5.8.
Partes externas del motor…………………………………………….
101
Figura 5.9.
Vista interior de terminales de alimentación…………………………
102
Figura 5.10.
Ubicación de RTD’s y Space Heaters……………………………….
103
CAPÍTULO 6. DESCRIPCIÓN DEL VARIADOR DE MEDIA TENSIÓN Figura 6.1.
Estructura de bloques del variador…………………………………...
106
Figura 6.2.
Vista frontal del variador……………………………………………..
108
Figura 6.3.
Vista de planta del variador……………………………………..........
109
Figura 6.4.
Filtro RC……………………………………………………………...
110
Figura 6.5.
Gabinete 1…………………………………………………………...
111
Figura 6.6.
Circuito supresor de transientes……………………………………...
113
Figura 6.7.
Filtro de capacitores del motor……………………………………….
114
Figura 6.8.
Medición de corriente………………………………………………...
114
xvi
Figura 6.9.
Medición de voltaje…………………………………………………..
116
Figura 6.10.
Segundo Gabinete (parte trasera).........................................................
117
Figura 6.11.
Powercage……………………………………………………………
118
Figura 6.12.
SGCT y circuito Snubber…………………………………………….
119
Figura 6.13.
Tercer gabinete……………………………………………………….
120
Figura 6.14.
Flujo de aire para los gabinetes 3 y 4………………………………...
121
Figura 6.15.
Diagrama de conexión del ventilador………………………………...
122
Figura 6.16.
Área de control……………………………………………………….
123
Figura 6.17.
Segundo Gabinete(control)…………………………………………..
126
CAPÍTULO 7. ENTRADAS Y SALIDAS DEL VARIADOR Figura 7.1.
Esquema de alimentación de media tensión………………………….
128
Figura 7.2.
Diagrama general de la alimentación de mediana tensión…………...
129
Figura 7.3.
Cierre del interruptor de aislamiento…………………………………
130
Figura 7.4.
Apertura del interruptor de aislamiento……………………………...
131
Figura 7.5.
Estado del interruptor de aislamiento………………………………...
134
Figura 7.6.
Activación del DIC…………………………………………………...
135
Figura 7.7.
Activación del contactor de entrada………………………………….
136
Figura 7.8.
Estado del contactor de entrada………………………………….…..
137
Figura 7.9.
Esquema general de la medición de temperatura del motor…………
138
Figura 7.10.
TECSYSTEM NT538……………………………………………….
139
Figura 7.11.
RTD Pt 100……………………………………………………..........
140
Figura 7.12.
Protección térmica del motor………………………………………...
140
Figura 7.13.
Protección térmica en reactor de línea……………………………….
141
Figura 7.14.
Protección térmica del enlace DC……………………………………
142
Figura 7.15.
Sistemas de control de velocidad…………………………………….
142
Figura 7.16.
Elementos del control local de velocidad……………………….........
143
Figura 7.17.
Referencia local de velocidad…………………………………..........
144
Figura 7.18.
Referencia remota de velocidad……………………………………...
145
Figura 7.19.
Entrada de selección de sistema de referencia de velocidad…………
146
xvii
Figura 7.20.
Selección de la referencia de velocidad……………………………...
147
Figura 7.21.
Esquema del encoger…………………………………………………
148
Figura 7.22.
Señales de salida del encoger………………………………………...
149
Figura 7.23.
Ubicación del encoger………………………………………………..
149
Figura 7.24.
Conexión del encoder al variador…………………………………….
150
Figura 7.25.
Panel de control A……………………………………………………
151
Figura 7.26.
Panel de control B……………………………………………………
152
Figura 7.27.
Entrada de paro normal………………………………………………
153
Figura 7.28.
Entrada para arranque del motor……………………………………..
154
Figura 7.29.
Entradas para JOG REVERSE y JOG FORWARD………………….
156
Figura 7.30.
Luces indicadoras del panel A……………………………………….
158
Figura 7.31.
Elementos periféricos del molino 6…………………………………..
159
Figura 7.32.
Entrada INPUT PROTECTION……………………………………...
160
Figura 7.33.
Salida RUN…………………………………………………………..
161
CAPÍTULO 8. PARÁMETROS DEL VARIADOR DE MEDIA TENSIÓN Figura 8.1. Descripción del parámetro…………………………………………...
164
Figura 8.2. Bit de codificación…………………………………………………...
166
Figura 8.3. Ejemplo de parámetro con asignación de falla……………………….
168
Figura 8.4. Bloque de entrada de referencia remota analógica…………………...
172
Figura 8.5. Bloque de entrada de referencia digital………………………………
174
Figura 8.6. Selección de la referencia remota de velocidad……………………...
176
Figura 8.7. Bloque de referencia local mediante potenciómetros………………..
178
Figura 8.8. Selección de referencia de velocidad local…………………………..
180
Figura 8.9. Selección de la referencia de control de velocidad…………………..
181
Figura 8.10. Límites para el comando de velocidad……………………………….
183
Figura 8.11. Bloque de estabilización del comando de velocidad……………........
187
Figura 8.12. Rampa de velocidad (segmento)……………………………………..
188
Figura 8.13. Esquema de la rampa de velocidad total……………………………..
189
Figura 8.14. Rampa de velocidad de la zona de aceleración………………………
194
xviii
Figura 8.15. Rampa de velocidad en la zona de desaceleración…………………...
197
Figura 8.16. Parámetro de protección contra corriente de cortocircuito…………..
200
Figura 8.17. Parámetro de protección contra corriente de sobrecarga…………….
202
Figura 8.18. Falla de sobrevoltajes………………………………………………...
203
Figura 8.19. Parámetro de protección de sobrevoltaje…………………………….
204
Figura 8.20. Parámetro de protección de sobrevelocidad del Motor………………
206
Figura 8.21. Parámetro de protección de desbalance de fases…………………......
208
Figura 8.22. Parámetro de protección de corriente de cortocircuito de línea……...
210
Figura 8.23. Parámetro de protección de sobrevoltaje de línea……………………
211
Figura 8.24. Parámetro de protección de bajo voltaje de línea…………………….
213
Figura 8.25. Protección contra desvalances de fases de línea…………………......
214
Figura 8.26. Elementos periféricos del molino 6…………………………………..
215
Figura 8.27. Entrada INPUT PROTECTION……………………………………...
216
CAPÍTULO 9. USO DE LA INTERFAZ DE USUARIO (PANELVIEW) Figura 9.1.
Interfaz de usuario……………………………………………………
219
Figura 9.2.
Partes de la interfaz de usuario……………………………………….
220
Figura 9.3.
Teclas suaves…………………………………………………………
221
Figura 9.4.
Accesando a las teclas suaves a través de las teclas de función……...
221
Figura 9.5.
Componentes de una pantalla………………………………………...
223
Figura 9.6.
Menú nivel tope………………………………………………………
224
Figura 9.7.
Pantalla Utility………………………………………………………..
225
Figura 9.8.
Cambio del retardo de la lámpara……………………………………
226
Figura 9.9.
Cambio de contraste…………………………………………………
226
Figura 9.10.
Cambio de hora………………………………………………………
227
Figura 9.11.
Cambio de la fecha…………………………………………………...
228
Figura 9.12.
Pantalla de medidores (Meters)………………………………………
228
Figura 9.13.
Medidor V Line………………………………………………………
229
Figura 9.14.
Edición de texto………………………………………………………
229
Figura 9.15.
Edición completa……………………………………………………..
230
xix
Figura 9.16.
Medidor del nivel tope modificado…………………………………..
230
Figura 9.17.
Pantalla de acceso……………………………………………………
231
Figura 9.18.
Introducción de PIN…………………………………………............
232
Figura 9.19.
Nuevo nivel de acceso……………………………………………….
232
Figura 9.20.
Cambio de password (Password Change)……………………………
233
Figura 9.21.
Cambio de password completado (Password Change)………............
233
Figura 9.22.
Seleccionando un grupo (Select Group)……………………………..
234
Figura 9.23.
Seleccionando el miembro de un grupo (Select: Motor Ratings)……
235
Figura 9.24.
Seleccionando a través de letras (Paso 1) (Select Letter)……………
235
Figura 9.25.
Seleccionando el Nombre a través de la lista (Paso 2) (Select List)…
236
Figura 9.26.
Seleccionando a través del código (Paso 1) (Select Code)…………..
236
Figura 9.27.
Código de etiqueta valido…………………………………………….
237
Figura 9.28.
Código de etiqueta inválido…………………………………………..
237
Figura 9.29.
Pantalla Setup………………………………………………………...
238
Figura 9.30.
Grupos de parámetros………………………………………………...
238
Figura 9.31.
Pantalla Select Letter…………………………………………………
238
Figura 9.32.
Pantalla Select Code………………………………………………….
239
Figura 9.33.
Pantalla Modify Parameter…………………………………………...
239
Figura 9.34.
Parámetro modificado………………………………………………..
240
Figura 9.35.
Datos de pantalla Modify Parameter…………………………………
241
Figura 9.36.
Modificar valor numérico…………………………………………….
241
Figura 9.37.
Modificar valores enumerados……………………………………….
242
Figura 9.38.
Lista de opciones visualizada en una sola página……………………
243
Figura 9.39.
Lista de opciones visualizada en múltiples páginas………………….
243
Figura 9.40.
Modificación completa……………………………………………….
243
CAPÍTULO 10. PROTECCIONES DEL PROCESO EN EL ÁREA DE MOLINOS Figura 10.1.
Señal disparo de elevador 6 a elevador 5…………………………...
246
Figura 10.2.
Maneta de elevador…………………………………………………
246
Figura 10.3.
Señal de disparo de elevador 6 a variador de frecuencia de 6………
247
xx
Figura 10.4.
Maneta de motor de molino………………………………………...
248
Figura 10.5.
Señal de disparo de variador de molino 6 a elevador 5…………….
249
Figura 10.6.
Señal de disparo de variador de molino 7 a variador de molino 6…………………………………………………………….
Figura 10.7.
Señales de disparo con manetas funcionando en protección automática (AP)…………………………………………………….
Figura 10.8.
250
251
Esquema de protecciones de elevador 5, con maneta de elevador 5 en AP……………………………………………………
253
Figura 10.9.
Energización de bobina EM5, con manetas en AP…………………
253
Figura 10.10.
Esquema de protecciones de elevador 5, con maneta de elevador 5 en MP……………………………………………………
254
Figura 10.11.
Energización EM5, con maneta de elevador 5 en MP……………...
254
Figura 10.12.
Energización de EM5, con maneta de elevador 5 en AP y molino 6 en B…………………………………………………….....
Figura 10.13.
255
Esquema de protección de molino 6, con maneta de molino 6 en AP………………………………………………………………..
256
Figura 10.14.
Habilitación de contacto RUN7 y EM6 Aux………………………
256
Figura 10.15.
Energización de entrada de variador del molino 6, con maneta de molino 6 en AP………………………………….............
Figura 10.16.
257
Energización de entrada del variador de molino 6, con maneta de molino 6 en MP………………………………………….
257
Figura 10.17.
Elementos en área de molinos………………………………………
258
Figura 10.18.
Esquema de protecciones de molino 1……………………………...
259
Figura 10.19.
Esquema de protecciones del molino 2……………………………..
259
Figura 10.20.
Esquema de protecciones del molino 3……………………………..
260
Figura 10.21.
Esquema de protecciones del molino 4……………………………..
260
Figura 10.22.
Esquema de protecciones del molino 5……………………………..
261
Figura 10.23.
Esquema de protecciones de molino 6……………………………...
261
Figura 10.24.
Esquema de protecciones de molino 7……………………………...
262
Figura 10.25.
Esquema de protecciones de elevador 1…………………………….
263
Figura 10.26.
Esquema de protecciones de elevador 2…………………………….
264
xxi
Figura 10.27.
Esquema de protecciones de elevador 3…………………………….
264
Figura 10.28.
Esquema de protecciones de elevador 4…………………………….
265
Figura 10.29.
Esquema de protecciones del molino 5……………………………..
266
Figura 10.30.
Esquema de protecciones de elevador 6…………………………….
266
CAPÍTULO 11. MANTENIMIENTO PREVENTIVO DEL VARIADOR DE MEDIA TENSIÓN Figura 11.1.
Flujo de aire para los gabinetes 3 y 4……………………………….
270
Figura 11.2.
Mantenimiento del filtro de aire…………………………………….
272
Figura 11.3.
Resistencia de ánodo a cátodo………………………………………
275
Figura 11.4.
Luces de estado de la tarjeta de disparo…………………………….
276
Figura 11.5.
Pantalla de acceso…………………………………………………..
277
Figura 11.6.
Pantalla de selección de grupo……………………………………...
277
Figura 11.7.
Pantalla de modificación de parámetro…………………………….
278
Figura 11.8.
Puntos de medición en el circuito Snubber…………………………
280
Figura 11.9.
Puntos para la medición de la resistencia Snubber en el Powercage…………………………………………………….
280
Figura 11.10.
Puntos de medición en el circuito Snubber………………………..
281
Figura 11.11.
Puntos para la medición de la capacitancia Snubber en el
282
Powercage Figura 11.12.
Barra del bus de tierra………………………………………………
283
Figura 11.13.
Terminales de potencia……………………………………………..
283
Figura 11.14.
Módulo supresor de transientes…………………………………….
284
Figura 11.15.
Terminales del filtro de capacitores………………………………...
284
Figura 11.16.
Acometida de alimentación (Parte superior)……………………….
284
Figura 11.17.
Capacitores Snubber………………………………………………...
285
Figura 11.18.
Resistores Snubber………………………………………………….
285
Figura 11.19.
Contactores de salida………………………………………………..
285
xxii
ÍNDICE DE TABLAS
CAPÍTULO 2. TEORÍA BÁSICA Tabla 2.1
Velocidades Síncronas con el Número de Polos……………………
12
CAPÍTULO 3. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROCESO EN EL ÁREA DE PATIOS Y MOLINOS Tabla 3.1
Relaciones de velocidad…………………………………………….
55
CAPÍTULO 4. CONTROL DEL PROCESO EN EL ÁREA DE PATIOS Y MOLINOS Tabla 4.1
Respuestas del control en el área de molinos……………………….
90
CAPÍTULO 5. DESCRIPCIÓN DE LOS MOTORES DE MEDIA TENSIÓN Tabla 5.1
Voltaje nominal de los motores de media tensión de molinos……...
93
Tabla 5.2
Velocidad nominal de los motores………………………………….
94
Tabla 5.3
Corriente nominal de los motores…………………………………..
95
Tabla 5.4
Eficiencia de los motores de media tensión………………………...
96
Tabla 5.5
Factor de potencia de los motores…………………………………..
98
Tabla 5.6
Corriente nominal a 2300V y 2400V…………………………….....
99
CAPÍTULO 8. PARÁMETROS DEL VARIADOR DE MEDIA TENSIÓN Tabla 8.1
Sistemas hexadecimal y binario…………………………………….
167
Tabla 8.2
Ejemplo de conversión……………………………………………...
167
Tabla 8.3
Tipos de fallas……………………………………………………....
169
xxiii
CAPÍTULO 11. MANTENIMIENTO PREVENTIVO DEL VARIADOR DE MEDIA TENSIÓN Tabla 11.1
Estado de luces con variador suspendido…………………………...
277
Tabla 11.2
Estado de luces en modo de prueba de disparo de compuerta……...
278
xxiv
SIGLAS
AI:
Entrada Analógica (Analogy input).
AO:
Salida análoga (Analogy Output).
DCS:
Sistema de Control Distribuido (Distributed Control System).
DI:
Entrada digital (digital input).
DO:
Salida digital (Digital Output).
PLC:
Controlador Lógico Programable (Programable Logic Controller).
ABREVIATURAS
AC:
Corriente alterna.
AP:
Protección automática.
Aux.:
Auxiliar.
B:
Bypass.
BH:
Bomba hidráulica.
CIB:
Tarjetas de interfaz de cliente.
CT:
Transformadores de corriente de anillo cerrado.
DC:
Corriente directa.
DCB:
Tarjeta de control del variador.
DCBL:
Tarjeta para el control del rectificador o lado de línea.
DCBM:
Tarjeta para el control del inversor o lado de máquina.
DI:
Estado del interruptor de aislamiento.
DIC:
Contactor interno del variador.
DTM:
Turbina del Molino.
EM Aux:
Contactor auxiliar del elevador.
EM:
Bobina del contactor auxiliar.
Fac.:
Factor de multiplicación ocupado para relacionar la flotación de las mazas con el nivel del donelly.
FLOmax:
Mayor flotación de la mazas entre la flotación izquierda y
xxv
derecha. FNC:
Contactor para la conexión y desconexión.
FNDIS:
Interruptor para la desconexión del ventilador.
FOI:
Tarjetas de interfaz de fibra óptica.
HECS:
Sensores de efecto hall de anillo cerrado.
I/O:
entrada/salida.
MBH:
Motor Banda de Hule.
MBT:
Motor Banda transportadora.
MH:
Motor Hidráulico.
MP:
Protección manual.
ND:
Nivel del Donelly.
O.L:
Relé de sobrecarga.
PID:
Control Proporcional Integral Diferencial.
PV:
Valor actual.
RTD:
Sensor de temperatura de resistencia variable.
RUN:
Contacto de salida del variador de frecuencia.
SCB:
Tarjetas de condicionamiento de señal.
SDTM:
Solenoide de la turbina del molino.
SGCT:
Tiristores simétricos de compuerta conmutada.
SP:
Nivel deseado.
T:
Tacómetro.
TB:
Transportador de bagazo.
TSN:
Módulo supresor de transientes.
VAR:
Variador.
VSB:
Tarjetas de sensores de voltaje.
XIO:
Tarjeta de entrada y salidas externas.
xxvi
SIMBOLOGÍA
B
Campo magnético
C
Capacidad de corriente.
E
Voltaje inducido
eff
Eficiencia
f
Frecuencia
FP
Factor de potencia
I
Corriente
IM
Corriente de magnetización
IS
Corriente alimentación
IW
Corriente del rotor
k
constante de proporcionalidad.
L
Inductancia
N
Velocidad de rotación (en RPM)
NM
Velocidad de salida del motor.
NS
Velocidad síncrona
P
Presión.
P
Potencia real o mecánica
Q
Potencia Reactiva
R
Resistencia
s
Deslizamiento
S
Potencia compleja
T
Torque
V Banda de Hule
Velocidad de banda de hule.
V Banda Transportadora
Velocidad de banda transportadora.
V
Volts
VS
Voltaje de alimentación o terminal
α
ganancia.
Ω:
Ohms
φ
Flujo magnético
xxvii
θ
Posición angular o fasorial
ω
Velocidad angular (en rad/s)
%
porcentaje.
<
menor que.
>
mayor que
UNIDADES DE MEDIDAS
A
Amperes
Corriente.
H
Henrys
Inductancia.
Hp o HP
Caballos de Fuerza
Potencia mecánica.
Hz
Hertz
Frecuencia.
kVA
Kilo volts-ampere
Potencia Compleja.
kVAR
Kilo VAR
Potencia Reactiva.
kW
Kilowatts
Potencia Real.
MΩ
Mega Omhs
Resistencia eléctrica
mA
miliamperes
Corriente.
mH
miliherios
Inductancia.
Por unidad
Voltaje, corriente y potencia.
Psi
Libras por Pulgada Cuadrada
Presión.
Rad/s
Radianes por Segundo
Frecuencia de rotación.
RPM
Revoluciones por Minuto
Velocidad de rotación.
seg
Segundos
Tiempo.
V
Volts
Voltaje.
Vac
Voltaje alterno
Voltaje.
Vdc
Voltaje directo
Voltaje.
Vpico
Voltaje pico
Voltaje pico.
°C
Grado Celsius
Temperatura.
p.u.
.
xxviii
PRÓLOGO
El objeto del presente trabajo es estudiar los diferentes dispositivos involucrados en el control y la protección de los motores de inducción de mediana tensión del área de molinos de la industria azucarera. Se está modernizando el área de los molinos con el fin de mejorar los niveles de productividad, rentabilidad y calidad que se necesitan en los productos elaborados para ser más competitivos en el mercado.
Esta modernización incluye la sustitución de las turbinas de vapor, encargadas del movimiento de los molinos, por motores de inducción de mediana tensión. Para poder comprender el rol que jugarán los motores de inducción en el área de molinos es necesario conocer el proceso en el cual estarán involucrados y los dispositivos que se encargarán de controlar los motores de inducción, que son los variadores de frecuencia.
Para desarrollar el estudio de los motores de inducción y de los variadores de frecuencia, en el proceso desarrollado en el área de molinos, el trabajo se divide en trece capítulos, donde se explican detalladamente las partes y funciones principales que se desarrollan en el proceso de producción.
En el capítulo uno se pretende dar una breve orientación sobre el proceso de producción desarrollado en el ingenio desde el área de patios hasta el área de molinos, además de la importancia que implica el cambio de turbinas de vapor por motores de inducción de mediana tensión.
El capítulo dos contiene información teórica básica de los motores de inducción y de los variadores de frecuencia.
En el capítulo tres se estudian las partes principales del área de patios y molinos, con el fin de lograr una mejor comprensión del proceso de producción en estas dos áreas. Una vez conocedores de las partes del proceso, se tendrá una mejor comprensión del control de éste, lo cual se explica en el capítulo cuatro.
xxix
Familiarizados con el proceso y los conceptos teóricos de los elementos se conocerá en el capítulo cinco, la descripción y los rangos de operación específicos de los motores de inducción.
En los capítulos, seis, siete, ocho, y nueve se abordará la estructura del variador de frecuencia, sus entradas y salidas para comunicarse con el proceso, su modo de operación, los parámetros destinados a su programación, y la modificación de éstos por el operador, a través de una interfaz de usuario.
Conociendo las condiciones necesarias en las que deben operar los elementos involucrados en el proceso podemos estudiar el funcionamiento de las protecciones en el área de molinos; que se describe en el capítulo diez.
En el capítulo once se desarrolla un mantenimiento preventivo del variador, con el propósito de alargar su vida útil y no provocar algún daño, para evitar llegar a procesos correctivos.
Finalmente en los capítulos once y doce se encuentran las conclusiones y recomendaciones de la investigación desarrollada en este trabajo.
xxx
CAPÍTULO 1: GENERALIDADES
En el proceso desarrollado para la producción de azúcar en el ingenio existen áreas que deben ser controladas y protegidas para mejorar su eficiencia, calidad y la protección de su personal. Uno de estos procesos es el que se lleva a cabo desde el área de patios hasta el área de molinos.
Comenzaremos haciendo una breve explicación del proceso de producción en el área de patios y de molinos, para tener un panorama general de la función que tendrán los nuevos elementos del proceso que son: el motor de inducción y el variador de frecuencia. Ambos se incorporarán en sustitución de las turbinas de vapor ubicadas en el área de molinos, y así, se entenderán las ventajas que traerán para este proceso.
El proceso industrial de producción de azúcar comienza con la preparación de la caña, que se realiza en el área de patios. El proceso se inicia en las mesas alimentadoras. Éstas constan de prepicadoras, que son ejes con cuchillas accionados por motores eléctricos que giran a diferentes velocidades, dependiendo de lo que requiera el proceso, y bajo las cuales se hace pasar la caña que es llevada después a las bandas transportadoras, las cuales la conducen hacia los distintos elementos que se encargan de darle un tamaño y acondicionamiento adecuado, y así dejarla lista para realizar la extracción del jugo en el área de molinos.
Este jugo es obtenido cuando la caña pasa por los molinos. Cada molino consta de 4 mazas, y la caña se introduce entre ellas. Estas mazas presionan la caña para extraer el jugo. Para lograr obtener la mayor cantidad de jugo posible, existe una tandem de siete molinos, que exprimirán la caña varias veces, hasta que ésta salga convertida en bagazo en el último molino. Este bagazo es transportado hacia las calderas, para producir vapor.
Como podemos ver, el área de molinos es de vital importancia, ya que en ella se da la separación entre el bagazo y el jugo de caña. El jugo obtenido es el elemento que seguirá el proceso para la producción del azúcar.
1
El vapor tiene mucha utilidad en la planta de producción. Una de ellas es la generación de electricidad para el consumo interno de la planta y el exceso de esta generación se utiliza para abastecer a la red de distribución local.
La utilización de energía es considerada como una medida esencial para la vida de la industria azucarera. Para lograr este objetivo es necesario mejorar las plantas y así poder hacer el proceso más eficiente y ahorrar más vapor; que puede ser utilizado para generación de energía eléctrica.
Los ingenios modernos estudian cómo mejorar sus procesos y tener más ahorro de vapor. Uno de los procesos que consume una cantidad significativa de vapor es el que se da en el área de molinos, al ser éstos movidos por turbinas, que a su vez son accionadas por vapor. Así, al sustituir las turbinas de vapor por motores eléctricos se evitan consumos abruptos de vapor y se alcanza un mejor control sobre la operación de los molinos; obteniendo como resultado un proceso más eficiente. El ahorro de vapor se conseguirá solo si la cantidad de vapor que se utiliza para hacer funcionar la turbina es mayor que la utilizada para generar la energía eléctrica que abastece al conjunto del variador y motor.
En uno de los estudios que realizó un ingenio, se reemplazó una turbina de vapor por un motor eléctrico de inducción de la misma potencia con un variador de frecuencia. Y así pudieron desviar el vapor que se utilizaba para alimentar dicha turbina que accionaba el molino hacia la planta de generación de electricidad, obteniendo como respuesta que el 33% del vapor que se utilizaba para alimentar a la turbina bastaba para generar la potencia eléctrica necesaria para alimentar al motor utilizado en el molino.
Además del ahorro en el consumo de vapor, se obtienen los siguientes beneficios:
•
Mejora de la eficiencia en el control del proceso: el variador de frecuencia posee un control más preciso de la molida de caña, ya que puede regular la velocidad del motor automáticamente para solventar cambios de carga ocasionados por la alimentación de caña.
Presentando además, una facilidad de integración a la
2
automatización del proceso, debido a la capacidad de comunicarse con los demás elementos del proceso.
•
Facilidad de mantenimiento: las turbinas de vapor necesitan un mantenimiento mayor que los motores de inducción trifásicos.
•
Simplicidad mecánica: el acople de las turbinas de vapor hacia los molinos consistía en tres reductores de velocidad. Con los motores eléctricos de inducción solamente se requieren dos. Cada reductor de velocidad significa un porcentaje de pérdidas mecánicas por fricción.
•
Aumento de la vida útil en los elementos mecánicos: el variador proporciona arranques y paradas suaves. Su control de velocidad posee límites de torque, lo cual es una medida de protección tanto para el motor, como para los elementos mecánicos conectados a él.
Tomando en cuenta las ventajas que presenta la aplicación de los motores de inducción manejados por variadores de velocidad de media tensión, la Compañía Azucarera Salvadoreña ha decidido realizar la sustitución de las turbinas de vapor ubicadas en el área de los molinos, para optimizar los procesos de producción y generación de electricidad.
Enfocando el estudio en el proceso del área de los molinos, el motor de inducción y el variador de velocidad. La presente tesis pretende ser un apoyo técnico a la modernización que se esta ejecutando.
3
4
CAPÍTULO 2: TEORÍA BÁSICA
Esta sección trata acerca de la teoría básica de funcionamiento y aplicación de los motores AC y de los variadores de frecuencia que servirá para conocer más a fondo éstos equipos que son muy utilizados en los procesos industriales.
2.1. Teoría básica de motores trifásicos de corriente alterna AC Este capítulo abordará
cómo es el funcionamiento básico de un motor de inducción
trifásico, cuáles son sus partes más importantes, para tener las bases al estudiar la teoría del variador de frecuencia, que es el controlador de la velocidad del motor.
2.1.1. Aplicación de los motores trifásicos AC Los motores AC son utilizados para muchas aplicaciones industriales, por ejemplo en el ingenio azucarero
podemos encontrarlos en distintas áreas, con el fin de lograr el
movimiento de elementos como: bandas trasportadoras, prepicadoras, molinos, etc. Y para lograr el accionamiento de estos elementos, los motores se acoplan a otro eje o engranaje para realizar este objetivo y poder transferir su energía mecánica; por ejemplo, los motores eléctricos ubicado en el ingenio destinados al accionamiento de los molinos (figura 2.1), se encuentran acoplados mediante un eje a reductores de velocidad, los cuales están acoplados al molino.
Figura 2.1. Motor Eléctrico AC como parte de una Aplicación.
5
2.1.2. Construcción de los motores trifásicos AC Los motores AC trifásicos se pueden clasificar (figura 2.2) dependiendo de su forma de construcción de la siguiente manera:
Figura 2.2. Clasificación de los motores AC.
Todos los motores AC tienen partes en común, estas son: rotor y estator. Como se muestra en la figura 2.3, el estator es la parte fija del motor y el rotor es la parte giratoria. Los motores AC funcionan debido a la interacción entre las fuerzas electromagnéticas generadas por el campo magnético en el estator al alimentar sus bobinas con corriente alterna, y el campo inducido en el rotor por el campo del estator.
Estator
Rotor
Figura 2.3. Estator y rotor.
6
La diferencia entre un motor síncrono y un motor asíncrono es la forma en que se induce la fuerza electromagnética en el rotor, esto se puede ver en la siguiente figura 2.4:
Figura 2.4. Motor Asíncrono y Síncrono.
En los motores síncronos se debe alimentar con corriente directa (DC) el rotor para que pueda inducirse un campo electromagnético en éste, y en los motores asíncronos no es necesario alimentar el rotor, ya que el estator es el que se encarga de inducir el campo electromagnético en él, esto resulta una ventaja de simplicidad en la operación para los asíncronos, debido a que no debemos de poseer una fuente de corriente directa para alimentar al rotor, basta con la alimentación AC.
Los motores asíncronos se dividen en: Rotor Devanado y Jaula de Ardilla. Estos dos motores funcionan mediante el mismo principio, pero se diferencian en la construcción de su rotor. El motor de Rotor Devanado (figura 2.5) tiene bobinas en su rotor. Y el motor Jaula de Ardilla (figura 2.6) no tiene bobinas, sino barras metálicas en la superficie cilíndrica de su rotor. Este último es el tipo de motor que se utiliza para el accionamiento de los molinos en el ingenio azucarero.
7
Figura 2.5. Rotor devanado.
Figura 2.6. Rotor jaula de ardilla.
El motor Jaula de Ardilla es el más utilizado de estos motores asíncronos, ya que al no tener bobinado el rotor, y poseer barras metálicas, se vuelve menos delicado y es más fácil de realizar su mantenimiento.
2.1.3. Campo magnético rotatorio Cuando acercamos un imán a una pieza de metal, como se muestra en la figura 2.7, ésta tratará siempre de adherirse al imán, debido a que el campo magnético que genera el imán o magneto induce un campo magnético en el metal. Y la pieza de metal debido a sus características físicas se magnetiza y se desarrolla una fuerza de atracción entre el imán y la pieza metálica.
8
Figura 2.7. Fuerzas Magnéticas.
El motor eléctrico utiliza este principio magnético, solo que en este caso se debe generar el imán y esto se logra al alimentar las bobinas del estator con corriente alterna, a este imán se le conoce como electroimán; es decir, un imán generado con energía eléctrica. En el caso del motor el campo magnético que se genera debe ser giratorio por lo que se realiza una orientación de las bobinas del estator como la que se muestra en la figura 2.8.
El objetivo para el funcionamiento del motor es tener que hacer girar el rotor, para esto se debe
producir un campo magnético giratorio
en el estator, el cual
explicaremos a
continuación, para poder comprender el giro del rotor que se estudiará en la siguiente sección.
El campo magnético que
se desarrollará en el estator, será producido mediante la
aplicación de voltaje AC al estator, lo cual generará una corriente que fluirá por los devanados del estator. Es importante mencionar que polaridad (negativo o positivo) del campo magnético desarrollado en los devanados dependerá de la dirección del flujo de la corriente, y la intensidad del campo será directamente proporcional a la cantidad de corriente aplicada.
Para que se pueda desarrollar el objetivo del campo magnético giratorio, es necesario tener al menos dos devanados por fase, como se puede observar en la figura 2.8, donde, A1 es un devanado y A2 es otro devanado, pero los dos están alimentados por la misma fase A.
9
Figura 2.8. Ubicación de los devanados del estator.
Para visualizar el desarrollo del campo magnético analizaremos el tiempo en que una de las fases tiene corriente cero, así como se muestra en la figura 2.9. Para el ejemplo, la fase A está en su momento de cruce por cero, por lo que no hay corriente fluyendo por ella. La fase B tiene corriente fluyendo en el sentido negativo y la fase C en el sentido positivo. Esto implica que en este instante de análisis B1 y C1 se vuelven polos negativos, mientras que B2 y C2 se tornan positivos estableciéndose un flujo magnético entre ellos, como se muestra en la figura 2.10. La cantidad de líneas representa el flujo producido por el campo magnético desarrollado en el estator, el cual como mencionábamos es proporcional al voltaje aplicado al estator e inversamente proporcional a la frecuencia de la señal de voltaje que mencionamos.
Figura 2.9. Análisis de los instantes de las corrientes trifásicas.
10
Figura 2.10. Líneas de flujo magnético producidas por la corriente en los devanados.
Ahora evaluemos la señal en intervalos cada 60° eléctricos, y observemos que al final de cada intervalo, se repite la situación anterior, sólo que esta vez la fase que tiene el cruce por cero es distinta a la fase A y el campo en el motor ha rotado 60º físicos como se puede observar en la figura 2.11.
Figura 2.11. Giro del campo magnético del estator.
De esta manera, al final de los 6 intervalos, el campo magnético del estator ha girado 360°. La velocidad a la que gira el campo magnético es conocida como la velocidad síncrona ( N S ), que depende de la frecuencia de la red ( f ) y del número de polos que posee el motor ( p ). La ecuación 2.1 que se muestra a continuación reúne estos parámetros.
11
NS =
120 f p
(Ec. 2.1)
El número de polos lo determina la cantidad de bobinas o devanados que se utilicen por fase en el estator. El número de polos mínimos es dos, y esto sucede cuando se tienen dos devanados por fase, como en el caso que analizábamos anteriormente. Por lo tanto como muestra la ecuación 2.1 si el número de polos es mayor, la velocidad síncrona disminuye y viceversa.
En la tabla 2.1 se muestran velocidades síncronas con su correspondiente número de polos que debe poseer el motor. Es importante notar que el número de polos siempre es una cantidad par. Tabla 2.1. Velocidad síncrona con el número de polos.
Número de Polos 2 4 6 8 10 12
Velocidad Síncrona (60Hz) 3600RPM 1800RPM 1200RPM 900RPM 720RPM 600RPM
El control de éste campo magnético giratorio del estator es la base del control de velocidad vectorial de los motores, que se abordará en la sección 2.2.8.
2.1.4. Giro del rotor
Ahora que se ha estudiado el campo giratorio en el estator, veremos lo que sucede con el rotor.
El rotor del motor Jaula de Ardilla como mencionábamos está hecho con barras metálicas, las cuales al sentir la presencia del campo magnético giratorio generado en el estator, se magnetizarán y surgirá el efecto que habíamos mencionado anteriormente, que el metal intentará adherírsele al electroimán, y existirá una fuerza de atracción entre las barras del
12
rotor y el campo magnético, y ya que este es giratorio, causará la rotación del rotor (figura 2.12).
Figura 2.12. Giro del rotor.
En la figura 2.11 pudimos observar que el estator hace la función de un imán giratorio, a causa de ello las barras del rotor se sienten atraídas por el campo electromagnético que genera el estator, y es así como al encontrarse sobre un eje de rotación el rotor comienza a girar.
La velocidad a la que gira el rotor idealmente tendría que ser la velocidad síncrona, pero recordemos que el motor siempre va a ser parte de una aplicación en la que se le acopla a su eje un dispositivo mecánico. Entonces como resultado de este acople, ahora el rotor, además de sentir la fuerza magnética del estator, también sentirá otra fuerza en sentido contrario al movimiento que está desarrollando, debido a la carga que posee conectada (figura 2.13); por lo que el rotor nunca va a girar a la velocidad síncrona, sino a una velocidad menor que la síncrona.
Figura 2.13. Acople del motor a alguna carga mecánica.
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Para comprender mejor las fuerzas que accionan sobre el rotor se muestra un diagrama de las fuerzas tangenciales que actúan sobre él. Estas son: la fuerza que se ejerce por la atracción del campo del estator y la fuerza que le ejerce la carga (figura 2.14):
Figura 2.14. Fuerzas ejercidas sobre el estator.
Llamemos Fcampo a la fuerza que le ejerce el campo del estator al rotor y Fcarga a la fuerza que ejerce la carga acoplada al eje del rotor. Estas fuerzas generarán un torque de giro sobre rotor, éste es directamente proporcional al radio del rotor (R) al cual se aplica la fuerza (F). Por lo tanto si tenemos dos fuerzas tangenciales aplicadas al rotor tendremos dos torques. Al torque que ejerce el campo del estator lo llamamos Tcampo= RxFcampo, y al ejercido por la carga conectada al eje del rotor Tcarga= RxFcarga. La carga ejerce una fuerza en sentido contrario a la que ejerce el campo; por lo que necesitamos conocer la aplicación a la que se va a someter el motor para hacer la selección más adecuada, para que pueda vencer la oposición que generará la carga.
La acción de estas dos fuerzas sobre el rotor generará un deslizamiento (Ec.2.2). El deslizamiento (s) es la diferencia que existe entre la velocidad síncrona del motor (NS ) y la velocidad a la que realmente se encuentra girando el rotor (NM ). Lo que nos indica que tanto se esta desviando la velocidad real del motor de la velocidad síncrona a la que debe girar.
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s=
NS − NM NS
(Ec. 2.2)
La velocidad real del rotor en función de la frecuencia, el número de polos y el deslizamiento está dada por la ecuación 2.3:
NM =
120 f (1 − s ) p
(Ec. 2.3)
El deslizamiento como vimos se produce por la acción de dos momentos de torsión. Ahora veremos la influencia que se da en el torque de campo, cuando aumente el torque de carga. Y es que el torque de campo aumentará para poder contrarrestar el efecto del incremento de carga que tiene conectado. Esto traerá consigo una mayor corriente de alimentación en el estator para tener un mayor flujo de campo magnético que pueda ejercer un torque de campo mayor sobre la carga.
En el momento del arranque, es cuando el motor está más cargado. Esto es debido a que la carga está estática, y existe una inercia asociada al elemento, que es la oposición al cambio de estado dinámico, que en este caso sería el de entrar en movimiento de rotación. A ese instante se le llama Rotor Bloqueado. Para poder ver este comportamiento para un motor en particular, estos en sus especificaciones tienen una curva característica de torque contra velocidad y corriente contra velocidad, en donde se puede saber el comportamiento de dicho motor desde el torque de arranque hasta que llega a la velocidad nominal a plena carga (figura 2.15).
Al observar la figura 2.15, se logra identificar que en el torque de arranque y la corriente son elevados, con respecto a los valores que presenta la curva de comportamiento del motor. Al vencerse
el estado de rotor bloqueado, podemos ver que
la corriente irá
disminuyendo, y es debido a que el motor empieza a vencer a la carga. El torque aumentará hasta llegar al torque en el cual habrá vencido completamente a la carga. Después de ese
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instante, el torque empieza a disminuir hasta llegar al torque correspondiente a la corriente nominal.
Figura 2.15. Curva Torque/Corriente contra velocidad.
2.1.5. Especificaciones de un motor
Existen una gran variedad de motores en el mercado, diseñados para distintas aplicaciones. Estas características de diseño, se muestran a través sus especificaciones técnicas, siendo estas las que describiremos a continuación:
•
Voltaje de Trabajo
•
Frecuencia
•
Potencia Desarrollada
•
Número de Fases
•
Velocidad Nominal
•
Corriente Nominal
•
Eficiencia
•
Factor de Potencia
•
Factor de Servicio
•
Aislamiento Térmico de los Bobinados
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Voltaje de trabajo
El voltaje de trabajo es el voltaje de alimentación que hay que proporcionarle al motor para que su funcionamiento sea óptimo. Siempre hay un rango de operación en el voltaje; éste es especificado por el fabricante. Si se llega a alimentar al motor fuera del rango de operación, el motor simplemente no funcionará o se dañara. Generalmente los voltajes de alimentación de los motores trifásicos son 120V, 208V, 240V, 480V, 600V, 1000V, 2300V, 4160V.
Frecuencia
Es la frecuencia de la señal de alimentación para la cual el motor es diseñado. Por ejemplo los motores americanos los fabrican para que operen a 60Hz y los motores europeos los fabrican para que operen a 50Hz.
Potencia desarrollada
Es la potencia mecánica (eje) de salida que desarrolla el motor a plena carga. La potencia de salida de los motores trifásicos va desde aproximadamente 1/2 HP hasta 15,000HP.
Número de fases
Es el número de fases de la señal de alimentación para el motor. Si los motores son monofásicos el número de fases es 1 (generalmente son motores de 120V), y si son trifásicos el número de fases es 3 (generalmente son motores de 120V, 208V, 240V, 480V, 600V, 1000V, 2300V y 4160V).
Velocidad nominal
Es la velocidad a la cual el motor girará aproximadamente cuando el motor esté a plena carga (100%). Las velocidades nominales son generalmente menores a la velocidad síncrona. Si en la placa de un motor se dice que la velocidad es de 1781RPM, es porque estamos hablando de un motor de 4 polos en donde su velocidad síncrona es 1800RPM a 60Hz. Recordando la tabla 2.1 de velocidades síncronas y número de polos a 60Hz.
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Tabla 2.1. Velocidad síncrona con el número de polos.
Número de Polos 2 4 6 8 10 12
Velocidad Síncrona (60Hz) 3600RPM 1800RPM 1200RPM 900RPM 720RPM 600RPM
Corriente nominal
Es la corriente por fase del motor cuando está operando a plena carga. Éste es un valor muy importante porque nos sirve para dimensionar las protecciones del motor y seleccionar los conductores que se conectarán al motor para alimentarlo.
Eficiencia
La eficiencia es la razón entre la potencia de salida y la potencia de entrada. Ya que el motor es un equipo que convierte la energía eléctrica en energía mecánica, la potencia eléctrica es convertida a potencia mecánica, pero en el proceso de conversión existen pérdidas, por lo que la potencia mecánica de salida no será igual a la potencia eléctrica de entrada (figura 2.16).
Figura 2.16. Eficiencia del motor.
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La eficiencia del motor esta definida la ecuación 2.4, en donde T es el torque o par de salida, y ω M es la velocidad de rotación del motor, V es el voltaje por fase, FP es el factor de potencia e I es la corriente de línea:
Eficiencia = eff =
Tω M Potencia Salida = Potencia Entrada 3VI * FP
(Ec. 2.4)
Factor de potencia
El factor de potencia es un indicador de eficiencia del consumo de energía de la red. La potencia eléctrica es una potencia compleja y ésta es conformada por una potencia real y potencia reactiva. Para entender mejor éste concepto, veamos primero el siguiente triángulo de potencia eléctrica (figura 2.17).
Figura 2.17. Triángulo de potencia.
Donde S es la Potencia Compleja, P es la Potencia Real, y Q es la Potencia Reactiva. La magnitud de la potencia compleja estará dada por la ecuación 2.5:
S = P2 + Q2
(Ec. 2.5)
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La potencia compleja es la potencia total generada. La potencia real es la que desarrolla trabajo, en cambio Q es la potencia que se genera en elementos capacitivos e inductivos por el desfase que estos provocan entre la señal de voltaje y la señal de corriente.
El factor de potencia se puede calcular a través del coseno del ángulo que existe entre la magnitud de potencia real y la potencia compleja (Ec. 2.6).
FP = Cosφ =
P S
(Ec. 2.6)
Entre mayor es el factor de potencia se consume menos potencia reactiva, y entre menor es el factor de potencia se consume más potencia reactiva (figura 2.16).
Factor de servicio
Este es el valor que indica que puede trabajar un motor arriba de la potencia nominal. Por ejemplo, cuando las especificaciones de un motor indican que éste tiene un factor de servicio de 1.0, significaría que el motor está diseñado para trabajar óptimamente, hasta el 100% de su potencia nominal. Si se tuviera un factor de servicio de 1.2, el motor estaría diseñado para trabajar hasta en un 20%, por encima de su potencia nominal.
Este es un factor muy importante para el dimensionamiento de los conductores que se utilizan para la alimentación de los motores, debido a que si se trabajara por encima de su potencia nominal, esto implicaría también un aumento de la corriente de operación, por lo tanto, los conductores tendrían que tener la capacidad para soportar estos aumentos de corriente.
Aislamiento térmico de los bobinados
La Asociación Nacional de Manufactureros Eléctricos de los Estados Unidos (NEMA) ha establecido clases de aislamiento térmico para los bobinados (figura 2.18), para clasificar a los motores por su resistencia térmica. Lo que indicaría cuales son los aumentos máximos
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de temperatura, que podría soportar el motor en condiciones de trabajo. Las clasificaciones son: Clase A, Clase B, Clase F y Clase H.
Figura 2.18. Clases de aislamiento térmico de los bobinados.
Cuando las especificaciones de un motor indican que el motor es clase de F, significaría que el motor trabajando a una temperatura ambiente de 40ºC, podría tener un incremento máximo de temperatura de 105ºC, con un margen de 10ºC arriba de esa temperatura. Es decir, que la temperatura máxima permisible para los bobinados de ese motor sería de 145ºC con 10ºC de margen. Cuando las bobinas pasan del valor permisible, el esmalte aislante que éstas tienen empezaría a derretirse, pudiendo ocasionar un cortocircuito interno en el motor.
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2.2. Teoría básica de variadores de velocidad
2.2.1. Aplicación de los variadores de velocidad
Como vimos
anteriormente los motores son un eslabón de los procesos industriales
(figura 2.19), aplicándose éstos en bombas, ventiladores, bandas transportadoras, molinos etc.
En éstos la variación de la velocidad se vuelve necesaria para desarrollar muchas de sus aplicaciones, y trabajar sólo a la velocidad nominal del motor se convierte en una limitante. Para poder realizar estas variaciones de velocidad en el motor, se utilizan los variadores de velocidad, los cuales se encargan de controlar el funcionamiento del motor, regulando su velocidad para ajustarla a la demandada por el proceso.
Figura 2.19. Distintas aplicaciones de los variadores en la industria.
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2.2.2. Variables del motor relacionadas con el control de velocidad
Para entender las variables del motor que se manipulará para el control de velocidad es necesario entender las partes que componen el circuito equivalente del motor AC. Éste circuito equivalente se muestra en la siguiente figura 2.20:
Figura 2.20. Circuito equivalente del motor.
Donde: Vs:
Voltaje de Línea aplicado a las terminales del motor.
Rs:
Resistencia del Estator
Ls:
Inductancia del Estator
Is:
Corriente del Estator
E:
Voltaje Inducido en el Rotor
LM:
Inductancia de Magnetización
IM:
Corriente de Magnetización
RR:
Resistencia del Rotor
LR :
Inductancia del Rotor 23
IW:
Corriente del Rotor o de Trabajo, porque es la que genera Torque.
Al voltaje de alimentación aplicado en las terminales del motor se le llama Vs . Este voltaje debido a que el bobinado del estator presenta una resistencia (Rs) y una inductancia (Ls), presentará pérdidas. Por lo tanto el voltaje que genera la corriente que desarrolla el campo magnético, para mover al rotor, no será el voltaje de alimentación, sino que será éste menos las pérdidas, a este voltaje resultante se llama voltaje inducido (E).
Vs = I s ( Rs + 2πfLs ) + E
(Ec. 2.7)
E = Vs − ( Rs + 2πfLs ) I s
(Ec. 2.8)
Entonces:
La corriente de magnetización (IM) es la responsable de producir el flujo magnético que induce el voltaje (E) en el rotor. Esta corriente de magnetización depende del voltaje inducido y de la frecuencia, la expresión esta dada por la ecuación 2.9:
IM =
E 2πfLM
(Ec. 2.9)
La corriente del rotor o de trabajo (IW) es la que circula en las barras del rotor a causa de la tensión inducida (figura 2.20). La corriente del estator (Is) es la que alimenta al estator, esta corriente la podemos medir porque es la que circula en los conductores de alimentación. La relación que existe entre la corriente de magnetización y la del rotor está dada por la ecuación 2.10.
I S = IW2 + I M2
(Ec. 2.10)
El flujo magnético ( φ ) es el campo magnético que atraviesa la zona entre el estator y el rotor, encargado de producir el torque en el rotor. El flujo magnético guarda relación (Ec.2.11), con el voltaje inducido y la frecuencia de la señal de alimentación. Donde el flujo magnético aumenta al aumentar el voltaje inducido y disminuye al aumentar la frecuencia.
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φ≈
E f
(Ec. 2.11)
El torque que desarrolla el motor depende del flujo magnético y de la corriente del rotor, como esta dado en la ecuación 2.12.
T = kφIW
(Ec. 2.12)
Donde k es una constante que depende de las dimensiones del rotor, φ es el flujo magnético e IW es la corriente del rotor. Una vez conociendo estas ecuaciones que describen el comportamiento del motor, podremos comprender las variables a modificar para regular la velocidad del motor, modificando las características de la señal de alimentación.
En la ecuación 2.1 que describe la velocidad síncrona del motor, vemos que existen dos parámetros que modifican la velocidad de giro del motor, el número de polos y la frecuencia de la señal de alimentación. El número de polos resulta imposible estarlo cambiando para estar regulando la velocidad del motor en un proceso. Pero si se puede modificar la frecuencia de la señal de alimentación, para cambiar la velocidad de giro del motor. Así, la frecuencia es directamente proporcional a la velocidad síncrona del motor.
Ns =
120 f p
(Ec. 2.1)
Ahora se analizará que sucede con las variables eléctricas del motor cuando se modifica la frecuencia. Realizando esta regulación de la frecuencia en el rango de torque constante (figura 2.21), que consiste entre cero y su valor de frecuencia nominal, porque en este rango
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es donde toma validez la proporcionalidad del flujo con la relación de voltaje inducido y frecuencia ( φ ≈
E ). f
Primero veamos que sucede con la potencia de salida del motor, que se encuentra definida en la ecuación 2.13, donde T es el torque o par, y ωr es la velocidad del rotor en radianes por segundo.
P = Tω r
(Ec. 2.13)
La velocidad angular a la salida del motor en radianes por segundo está definida por la ecuación 2.14:
ωr =
4πf (1 − s ) p
(Ec. 2.14)
Y si el torque de salida que proporciona el motor es igual a (Ec. 2.15):
T = kφIW
(Ec. 2.15)
El efecto de la disminución o el aumento de la frecuencia se reflejará en los devanados del estator. Siendo la corriente del estator igual a (Ec. 2.10):
I S = IW2 + I M2
(Ec. 2.10)
Y la corriente de magnetización es igual a (Ec. 2.9):
IM =
E 2πfLM
(Ec. 2.9)
Al variar la frecuencia por debajo del valor nominal, la corriente de magnetización será mayor que la corriente de magnetización a frecuencia nominal, ya que la frecuencia siempre tendrá un valor menor y ésta es inversamente proporcional a la corriente de magnetización. 26
Así las variaciones de frecuencia por debajo de la frecuencia nominal reflejarán un incremento en la corriente del estator. Esto ocasionará un exceso de flujo magnético entre los bobinados y el rotor provocando un calentamiento, el cual seria un consumo de potencia extra, lo que traería una sobrecarga para el motor.
Entonces para contrarrestar este efecto de sobrecarga del motor, si se disminuye la frecuencia, es necesario disminuir el voltaje inducido a modo de mantener constante la relación de flujo E/f, para que el motor siempre trabaje a torque constante, y la corriente en el estator del motor mantenga su valor nominal.
Si el flujo ( φ ≈ ( IM =
E ) es constante, el torque ( T = kφIW ) y la corriente de magnetización f
E ) se mantendrán constantes. Y como IM se mantiene constante, la corriente del 2πfLM
estator ( I S = IW2 + I M2 ) se mantendrá constante también.
Figura 2.21. Región de torque y potencia constante.
En las siguientes secciones se abordará como es la forma en la que el variador procesa la corriente alterna y varía la frecuencia aplicada al motor.
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2.2.3. Funcionamiento básico del variador
El variador es un controlador de velocidad para el motor, donde su función básica es modificar la señal de alimentación del motor para controlar su velocidad. Un diagrama del proceso de variación de la señal de alimentación es la siguiente (figura 2.22):
Figura 2.22. Diagrama básico del variador de frecuencia.
La secuencia de conversión es la siguiente: 1. La alimentación AC a 60Hz se conecta al rectificador. 2. El Rectificador convierte el voltaje AC de 60Hz, a voltaje DC para su posterior conversión. 3. El inversor convierte el voltaje DC a voltaje AC, pero con distinta frecuencia y si es necesario con distinta magnitud de voltaje para poder controlar la velocidad del motor.
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2.2.4. Conceptos básicos de semiconductores
Los semiconductores son dispositivos electrónicos que permiten el control de las señales eléctricas. La aplicación de éstos para el caso de los variadores de velocidad es en el rectificador y en el inversor.
Existen dos tipos de semiconductores:
•
Semiconductores no Controlados
•
Semiconductores Controlados
Los semiconductores no controlados son aquellos que no necesitan una señal externa para que funcionen. Un semiconductor no controlado es el Diodo. Los demás se basan en el principio del diodo.
Los semiconductores controlados son aquellos que necesitan una señal externa para que funcionen. Un semiconductor controlado es el tiristor (SCR). Los demás se basan en el principio del tiristor.
Los semiconductores más utilizados en el control de motores son los siguientes:
• • • •
El Diodo El SCR El GTO El SGCT
El diodo
Conocer el funcionamiento del diodo facilitará entender el funcionamiento de los demás semiconductores. Los demás son una variante del diodo, incluyendo los semiconductores controlados que son los más utilizados en los controles modernos de motores.
El funcionamiento básico del diodo es el siguiente (figuras 2.23y 2.24):
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Figura 2.23. Diodo.
El diodo solamente deja pasar la corriente en una dirección (de ánodo A a cátodo K) cuando el voltaje VD es superior a 0.7 el voltaje de alimentación. En pocas palabras, la parte positiva del voltaje la deja pasar y la negativa no la deja pasar.
Para su mejor comprensión tenemos este circuito básico (figura 2.24.):
Figura 2.24. Funcionamiento del diodo.
Se puede observar en la figura 2.24, que en un circuito básico de una fuente AC con una resistencia, al comparar la señal de voltaje de entrada con la de salida, el voltaje negativo de la curva de entrada no la deja pasar el diodo, por eso es que la señal de voltaje de salida se encuentra recortada.
El SCR (Rectificador Controlado de Silicio)
El SCR conocido también como tiristor es un tipo de semiconductor controlado que funciona similar al diodo, solo que éste necesita de una señal externa para su activación, a esta señal se le llama señal de disparo. El esquema es el siguiente (Figura 2.25): 30
Figura 2.25. Tiristor.
El SCR funciona igual que el diodo cuando se le de una señal de disparo a G (Gate o Compuerta) desde un dispositivo externo. Al activarse el tiristor deja de conducir si el voltaje entre A y K es positivo y dejará de conducir cuando el voltaje entre A y K se vuelve negativo. Se comporta de acuerdo a la siguiente gráfica (figura 2.26):
Figura 2.26. Funcionamiento del tiristor.
Se puede observar que cuando se le da un pulso de disparo al SCR, éste empieza a conducir, y cuando el voltaje de alimentación llega a su etapa negativa, el SCR se apaga, y
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se enciende hasta que vuelva a la etapa positiva y le llegue de nuevo el pulso dado por el circuito de disparo.
Semiconductores utilizados en los variadores de frecuencias como es el GTO y el SGCT son una variante del SCR.
EL Tiristor de Apagado de Compuerta (GTO)
El GTO opera de una manera similar al SCR, con la única variante que al darle un pulso negativo a la compuerta (G), podemos hacer que el tiristor se apague o deje de conducir cuando el voltaje entre A y K es positivo.
Figura 2.27 GTO.
Cuando le damos un pulso de compuerta (IG) positivo al tiristor lo encendemos; es decir, hacemos que el tiristor conduzca, y cuando le damos un pulso negativo a la compuerta mientras está conduciendo, apagamos al tiristor, y deja de conducir.
En el siguiente circuito que muestra la figura 2.28 conectamos el GTO de forma similar SCR:
Figura 2.28. Circuito básico GTO.
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En la figura 2.29 se puede observar que cuando le aplica un pulso positivo a la compuerta, y la señal de entrada se encuentra en la región positiva, el GTO empieza a conducir, y si mientras está conduciendo se le aplica un pulso negativo el GTO deja de conducir hasta que el voltaje de entrada vuelve a ser positivo de nuevo y se aplique el pulso a la compuerta.
Figura 2.29. Graficas GTO.
El SGCT (Tiristor Conmutado de Compuerta Simétrica)
El SGCT (figura 2.30) es la última generación de semiconductores controlados. Es una mejora del GTO. Tiene un disparador controlado por medio de microprocesador, y está diseñado para interrumpir voltajes hasta los 6500V y corrientes hasta los 1500A.
Figura 2.30. Fotografía de un SGCT.
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El SGCT tiene la capacidad de hacer conducir y apagar una señal de voltaje en reversa (en el lado negativo), como lo podemos ver tomando como circuito base el mostrado en la figura 2.31. y las gráficas de la figura 2.32.
+ Ventrada -
+ Vsalida -
Figura 2.31. Circuito básico con SGCT.
Figura 2.32. Comportamiento del SGCT.
Se puede observar que cuando le aplica un pulso positivo a la compuerta (Ig), y la señal de entrada se encuentra en la región positiva, el SGCT empieza a conducir, y si mientras está conduciendo se le aplica un pulso negativo el SGCT deja de conducir hasta que se le
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aplique nuevamente un pulso a la compuerta entra en conducción. El mismo comportamiento tiene al aplicarle los pulsos en la región positiva ó en la región negativa.
Esta propiedad de conmutación lo hace ideal para rectificadores e inversores de variadores de frecuencia, porque al tener esa capacidad de interrupción, hace que en el diseño del rectificador e inversor se utilicen menos semiconductores que se necesitaban para realizar la misma función.
2.2.5. Rectificador
El rectificador es un dispositivo que convierte una señal senoidal de corriente alterna (AC) a una señal de corriente continua (DC) como se muestra en la figura 2.33.
Figura 2.33. Función del rectificador.
Los dispositivos encargados de hacer la rectificación son los semiconductores. Hay muchos tipos de rectificadores, desde rectificadores no controlados hechos con diodos, hasta rectificadores controlados hechos con SCR’s, GTO’s y los más modernos hechos con SGCT.
El diagrama básico de un rectificador trifásico que utilizan los variadores de frecuencia se muestra en la figura 2.34.:
35
Figura 2.34. Rectificador trifásico.
La idea es convertir la señal trifásica alterna a una señal de corriente directa para su posterior procesamiento, que consistirá en convertirlo en voltaje alterno (AC) pero con distinta frecuencia y voltaje para alimentar al motor, y así poder variar su velocidad de rotación.
2.2.6. Inversor
El inversor es la parte donde el voltaje rectificado DC se convierte a una señal trifásica de voltaje y corriente AC (figura 2.35).
La señal convertida posee distinta frecuencia y
magnitud de voltaje que el de la señal que entra al rectificador.
Figura 2.35. Función del inversor.
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El inversor también funciona a base de conmutación de semiconductores, solo que en esta ocasión los semiconductores no pueden ser del tipo no controlados, porque se necesita una secuencia de conmutación para poder lograr la conversión de corriente directa a corriente alterna.
El diagrama básico del inversor utilizado en la mayoría de variadores de frecuencia es el siguiente:
Figura 2.36. Inversor trifásico.
El inversor trifásico interrumpe la señal DC, realizando un proceso de troceado por medio de los semiconductores controlados, y así a la salida del circuito inversor es una una señal de Modulación por Ancho de Pulso (PWM).
La señal típica modulada por pulsos tiene la forma siguiente:
Figura 2.37. Señal PWM.
37
El inversor por medio de los semiconductores interrumpe a una frecuencia muy alta la señal de voltaje de manera que vaya tomando la forma de la señal que se muestra en la figura 2.38, esta se compone de pulsos de voltaje con una magnitud constante, pero con distinto ancho de pulso. Esta es la señal de voltaje que se le aplica al motor.
Figura 2.38 Reconstrucción de señal de pulsos a senoidal.
Los pulsos con menor ancho son asignados a bajos niveles de voltaje, en cambio los pulsos de mayor ancho son asignados a altos niveles de voltaje. La señal que el motor reconstruye no es puramente senoidal, pero si lo más parecido a una señal senoidal.
2.2.7. Control escalar
El control escalar de velocidad de un motor, es un Control E/f, es en el cual la velocidad del motor es controlada por la frecuencia aplicada.
Variación de la frecuencia por debajo de la nominal
Como se puede observar en la figura 2.39, si se desea variar la frecuencia por debajo de la nominal, se tiene que trabajar en la región de torque constante, donde el voltaje inducido aplicado al motor tiene que variar con la misma proporción que la frecuencia para mantener la relación de flujo del motor E/f constante. Esta variación se hace de forma lineal, donde la potencia del motor es directamente proporcional a la frecuencia.
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Región E/f Constante Figura 2.39. Región de torque constante.
Así como se explicaba en la sección 2.2.2, la frecuencia no puede variar si el voltaje inducido al motor no varía con la misma proporción porque entonces habría un exceso de flujo magnético entre el estator y el rotor que ocasionaría un sobrecalentamiento de los devanados.
En primer lugar tenemos un bloque controlador que es el que da las órdenes a un actuador acerca de la velocidad a la que se desea llegar. La orden puede ser manual por medio de un potenciómetro o botones con velocidades ajustadas JOG, o bien pueden ser ordenes automáticas que provienen de algún dispositivo de control externo como un DCS.
Figura 2.40. Diagrama de un variador con control escalar.
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Tenemos un bloque actuador que al recibir la orden del controlador, manda las señales de conmutación a los semiconductores del rectificador e inversor para que transformen la señal correspondiente que será aplicada al motor.
El voltaje, la corriente y la frecuencia son monitoreados a la salida del variador para retroalimentar al actuador, para que éste envié los pulsos de conmutación necesarios a los semiconductores, para transformar la señal DC en una señal AC que posea los valores de la frecuencia y voltaje deseados para la modificación la velocidad de giro del motor.
Se dice que el control escalar desde el punto de vista del motor, tiene un control de Lazo
Abierto, porque el variador no está monitoreando la velocidad a la cual gira el motor, sino que la calcula por medio de la frecuencia y voltajes aplicados a él.
2.2.8. Control vectorial
El control vectorial de la velocidad de un motor, modifica la frecuencia y el voltaje de alimentación, para controlar el vector de campo magnético giratorio que es quien desarrolla el movimiento del motor, por eso el nombre de control vectorial o control de campo
orientado.
El control vectorial de un motor se basa en controlar el vector de campo magnético giratorio del estator (figura 2.41):
Figura 2.41. Rotación del campo magnético en el rotor.
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El campo magnético del motor gira a la velocidad síncrona que está dada por:
NS =
120 f p
(Ec. 2.1)
Dicho campo magnético es proporcional al flujo magnético ( φ ). Así modificando el campo podemos controlar el torque del motor. Recordando la ecuación 2.15. Tenemos que:
T = kφI W
(Ec. 2.15)
Donde el flujo es función del campo magnético y esta dado por la ecuación:
φ = BN A
(Ec. 2.19)
Donde BN es el campo magnético neto giratorio del motor y A es el área que atraviesa el campo magnético. Entonces podemos decir que:
•
Para controlar la velocidad del motor necesitamos controlar la velocidad del campo magnético giratorio.
•
Para controlar el torque del motor necesitamos variar la magnitud del campo magnético giratorio.
Por lo que el Control Vectorial para poder variar la velocidad del motor realiza el control de magnitud y velocidad del vector de campo magnético. En la figura 2.42 se muestra un diagrama esquemático de un variador de frecuencia que utiliza control vectorial. El diagrama esquemático del variador que utiliza control vectorial es muy parecido al que utiliza control escalar.
En primer lugar tenemos un bloque controlador que es el que da las órdenes a un actuador acerca de la velocidad a la que se desea llegar. La orden puede ser manual por medio de un potenciómetro o botones con velocidades ajustadas JOG, o bien pueden ser ordenes
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automáticas que provienen de algún dispositivo de control externo involucrado en la aplicación industrial.
El bloque actuador cuando recibe la orden del controlador, manda las señales de conmutación a los semiconductores del rectificador e inversor para que transformen la señal correspondiente que será aplicada al motor.
Figura 2.42. Diagrama de un variador con control vectorial.
Este control realiza el monitoreo de las variables eléctricas de salida al igual que el control escalar, pero además se tiene un monitoreo de la velocidad del motor por medio de un Encoder, que es el sensor que se encarga de medir la velocidad real de giro del motor, ya que éste se encuentra conectado al eje del rotor, para así calcular el valor del deslizamiento (s), que es la diferencia entre la velocidad síncrona y la velocidad del motor.
Existiendo un control de Lazo Cerrado, donde se retroalimenta la señal de velocidad para que el controlador del variador mande las señales adecuadas a los semiconductores, para generar las señales eléctricas de corriente y voltaje necesarias para que el motor alcance la velocidad deseada para la aplicación.
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Existe un tipo de control vectorial que no necesita Encoder para vigilar la velocidad, a este tipo se le llama Sensorless. Éste monitorea a la salida del variador las señales de voltaje, corriente, y frecuencia, y por medio de un algoritmo matemático calcula el valor del deslizamiento (s).El deslizamiento es un parámetro que varía con los cambios de carga del motor; por lo tanto, en el control vectorial se trata corregir el deslizamiento que tiene el motor, cuando se desea variar la velocidad.
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CAPÍTULO 3. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROCESO EN EL ÁREA DE PATIOS Y MOLINOS 3.1. Elementos del área de patios A continuación se describirán los elementos que participan en el proceso de preparación de la caña de azúcar, el cual se da en el área de patios. Esta zona es la que abarca desde las mesas alimentadoras hasta la banda de hule. El proceso de preparación se realiza a través de los siguientes elementos:
a. Mesas alimentadoras b. Bandas transportadoras c. Prepicadoras d. Picadoras e. Niveladoras
A continuación se muestra la representación del área de patios en la figura 3.1.
Figura 3.1. Esquema general del área de patios.
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a. Mesas Alimentadoras Las mesas alimentadoras, como su nombre lo dice, son las que se encargan de alimentar a la banda transportadora 1 de caña. Estas mesas tienen como función principal preparar la caña para entrar en la banda transportadora 1, dándole un tratamiento adecuado para evitar que se atasque la caña al entrar y pasar por esta banda.
Las mesas alimentadoras son tres y se conocen con los nombres de: mesa alimentadora 1, mesa alimentadora 2 y mesa alimentadora 3.
Las mesas se dividen en tres partes principales (figura 3.2):
Figura 3.2. Partes principales de las mesas alimentadoras.
•
Rompe rollos: son ejes que están provistos de aspas que giran en sentido contrario al movimiento de la caña, con el fin de quitar cualquier amarre o atadura que esta pueda traer. Su función es dispersar y hacer de manera más uniforme u ordenar la entrada de la caña a la banda transportadora 1. Los rompe rollos se muestran en la figura 3.3.
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Figura 3.3. Rompe rollos.
•
Cadenas de arrastre: se encargan de dar el movimiento a la caña dentro de las mesas alimentadoras haciéndola pasar por los rompe rollos, hasta llegar a la banda transportadora 1. Éstas se encuentran en el fondo de las mesas alimentadoras y se muestran en la figura 3.4.
Figura 3.4. Cadenas de arrastre.
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•
Sarandas: son rejillas que actúan como colador, y su función principal es eliminar parte de los sólidos (tierra y piedra) que pueda llevar el cargamento de caña. La caña cae encima de las sarandas y los sólidos pasan a través de éstas.
b. Bandas transportadoras Las bandas transportadoras tienen como función principal llevar la caña por todos los elementos que contiene el área de patios, utilizados para la preparación de la caña, como se muestra en la figura 3.5.
En total son 4 bandas trasportadoras y reciben el nombre de banda transportadora 1, banda transportadora 2, banda transportadora 3 y banda de hule.
La banda transportadora 1 recibe la caña de las mesas alimentadoras y la hace pasar a través de la prepicadora 1 y la picadora 1.
Luego, esta caña es depositada en la banda
transportadora 2. Después, es llevada hacia la niveladora 2 y a la picadora 2, para luego ser depositada en la banda transportadora 3.
La banda transportadora 3 mueve la caña hacia la niveladora 3, luego a la picadora 3 y por último hacia la niveladora 4, antes de depositarla en la banda de hule.
Esta última banda transportadora llamada banda de hule, lleva la caña ya preparada de la banda transportadora 3 y la deposita en el primer elemento del área de molinos. Antes de llevar la caña desmenuzada o preparada hasta el molino 1, es pasada por debajo de un electroimán para detener cualquier sólido metálico que pueda ir en el bagazo. Es por este motivo que la banda debe de ser de hule; es decir, de un material con propiedades no magnéticas, para no interferir en el proceso de preparación.
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Figura 3.5. Banda transportadora.
c. Prepicadoras Las prepicadoras son un conjunto de cuchillas sobre un eje que gira para cortar la caña. Estas deben estar de manera que pueda cortar hasta la caña que va en el fondo de las bandas transportadoras, sin que las cuchillas dañen a estas últimas. Las prepicadoras son las encargadas de darle el primer corte a la caña antes de pasar a las picadoras. En el proceso existen dos prepicadoras, la primera que se encuentra en la mesa alimentadora 1 y la segunda que está sobre la banda transportadora 1, antes de la picadora 1.
d. Picadoras Las picadoras son ejes que pueden girar y están provistos de machetes o cuchillas que se encargan de picar o darle un corte adicional a la caña, dejándola de una manera más adecuada para pasar por todos los elementos que se encuentran más adelante. Se pueden observar en la figura 3.6.
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Figura 3.6. Picadora.
e. Niveladoras Las niveladoras sirven para darle un nivel adecuado al colchón de caña depositada en las bandas transportadoras, ya que la caña va saliendo de las picadoras en pedazos más pequeños, pero de una manera muy desordenada, formando un amontonamiento de caña.
Por lo tanto, con las 3 niveladoras existentes, se le da al colchón de caña una forma más adecuada para entrar en los otros elementos. La primera se encuentra a la entrada de la picadora 2, llamada niveladora 2 (ver figura 3.7), la segunda a la salida de la picadora 2, llamada niveladora 3 y la tercera a la salida de la picadora 3, llamada niveladora 4.
Las niveladoras también sirven para hacer más eficiente el proceso de preparación, porque mientras más uniforme entre el colchón de caña a las picadoras, mejor es el corte, pues éste se realiza de igual manera sobre todo el colchón, evitando así el atoramiento de la caña en alguna parte de los elementos que están en el área de patios.
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Figura 3.7. Niveladora.
3.2. Proceso de preparación Conociendo todos los elementos que participan en el proceso de preparación, podemos describir todo el proceso de manera continua.
Primero, la caña es depositada en las mesas alimentadoras a través de dos grúas hidráulicas, las cuales son mostradas en la figura 3.8. En estas mesas es donde comienza el proceso de preparación. Éste consiste en darle un tamaño y acondicionamiento adecuado a la caña para tener un proceso eficiente y sin ocasionar algún daño en los elementos que contiene el ingenio azucarero en el área de patios y molinos. Una vez que se deposita la caña en la banda transportadora 1, ésta es trasladada hacia la banda transportadora 2, pasando antes por la prepicadora 1 y picadora 1.
La banda transportadora 2 recibe la caña de la banda transportadora 1, luego la hace pasar por la niveladora 2 y la picadora 2, para llegar hasta la banda transportadora 3. Luego, la banda transportadora 3 mueve la caña hacia la niveladora 3, después a la picadora 3 y al final la pasa por la niveladora 4, antes de llegar a la banda de hule. Esta banda es el último elemento del área de patios que participa en el proceso de preparación, antes de depositar la caña en el área de molinos.
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Figura 3.8. Grúa Hidráulica y Mesas Alimentadoras.
3.3. Elementos en el área de molinos El área de molinos es la parte de la fábrica en donde se da la extracción del jugo de la caña y donde se obtiene el bagazo, el cual sirve para generar vapor que es utilizado en varias partes del proceso para obtener azúcar. En la fábrica existe un conjunto de 7 molinos, los cuales se representan de la manera como están ubicados (ver figura 3.9)
Figura 3.9. Esquema general del área de molinos.
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Los elementos principales que participan en el proceso de producción de azúcar en el área de molinos son los siguientes: a. Donelly b. Mazas c. Tolvas d. Reductores de Velocidad e. Elevadores f. Bombas de Maceración
a. Donelly El donelly es un elemento del molino que es ocupado como un gran recipiente o contenedor que va recogiendo la caña o bagazo que va llegando. Éste desaloja la caña a la velocidad con que están girando las mazas.
b. Tolvas Cumplen la función de recipientes en forma de cono truncado e invertido, que sirven para conducir el jugo, el cual será bombeado a diferentes partes de la fábrica.
c. Mazas Las mazas son las que trituran la caña o bagazo que va llegando del donelly (ver figura 3.10). Éstas son puestas en movimiento a través de un sistema de reductores de velocidad, que se encuentran entre los motores eléctricos o turbinas y las mazas. Una vez se ha triturado la caña, se saca hacia los elevadores.
Figura 3.10. Mazas.
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d. Reductores de Velocidad Son un sistema de engranajes que tienen como función principal adaptar la velocidad y el torque del motor eléctrico o turbina a las mazas, todo con el fin de disminuir la velocidad y aumentar el torque. En la fábrica existen 3 tipos de engranajes o reductores de velocidad, los cuales son:
1. Reductor de Alta: este es el que se encuentra acoplado al eje de la turbina, que solo lo tiene el molino 3. 2. Reductor de Media: este se encuentra entre el reductor de alta o motor y el reductor de baja, y lo tienen todos los molinos. Se muestra el reductor de media en la figura 3.11.
Figura 3.11. Reductor de media.
3. Reductor de Baja: este se encuentra entre el reductor de media y las mazas, este reductor lo tienen todos los molinos. Se puede observar en la figura 3.12.
Reductor de baja
Figura 3.12. Reductores de baja.
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A continuación se muestran, en la tabla 3.1, todas las relaciones de velocidad con las que se cuenta en el sistema de molinos y también con la reducción total de velocidad.
Tabla 3.1. Relaciones de velocidad.
REDUCTOR MOLINO 1-2 ALTA NO HAY MEDIA 25.03:1 BAJA 4.276:1 TOTAL 107.03:1
MOLINO 3 5.694:1 25.03:1 4.276:1 609.42:1
MOLINO 4-6 NO HAY 25.03:1 4.276:1 107.03:1
MOLINO 7 NO HAY 12:01 15.06:1 180.87:1
En la fábrica, todos los molinos trabajan con motor eléctrico, a excepción del molino 3, el cual trabaja con turbina.
En el sistema se tienen dos reductores de velocidad para todos los molinos, a excepción del molino 3, que tiene los 3 reductores de velocidad. La razón por la cual todos los molinos solo necesitan dos reductores de velocidad es que éstos tienen motores eléctricos que trabajan a una velocidad menor, comparada con la que se obtiene a la salida de la turbina. Dado que ésta trabaja con una velocidad mayor, el sistema que se encuentra entre las mazas y una turbina necesita los 3 reductores de velocidad. La figura 3.13 es una representación de los diferentes molinos y de sus elementos en forma general.
Figura 3.13. Representación general de los molinos.
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Como podemos ver en la figura anterior, los molinos están compuestos por 4 elementos principales, que son: donelly, 4 mazas, reductores de velocidad, turbina o motor eléctrico.
En la figura 3.14 se puede apreciar con mayor claridad cuál es la diferencia entre el sistema que se encuentra entre turbina - mazas y el sistema entre el motor - mazas. Se puede ver que falta el reductor de velocidad de alta en el sistema motor – mazas. Esto es debido a que se necesita una menor reducción en la velocidad cuando se trabaja con el motor eléctrico, ya que su velocidad de giro es menor, comparada con la de turbina.
Figura 3.14. Sistema turbina – mazas y sistema motor – mazas.
e. Elevadores Sirven para transportar el bagazo o caña de un molino a otro. Y son puestos en movimiento por un motor eléctrico que gira a velocidad constante, todos los elevadores tienen duelas metálicas, que sirven para arrastrar la caña. Los elevadores se presentan en la figura 3.15.
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Figura 3.15. Elevadores.
f. Bombas de Maceración Estas son las que se encargan de retroalimentar el jugo que se obtiene en los molinos hacia los elevadores, para efectuar el proceso de maceración. Pueden trabajar con jugo sucio de toda clase, es decir que pueden trabajar con líquidos densos, que transporten arena, bagazo de caña o bagacillo.
3.4. Proceso de extracción de jugo y obtención de bagazo Conociendo los elementos principales en el área de molinos, podemos describir el proceso de manera ininterrumpida.
El proceso para la extracción del jugo de la caña de azúcar y obtención del bagazo se da cuando la caña ya preparada llega a los molinos, en un sistema que esta compuesto por 7 molinos. Todos éstos constan de un donelly y cuatro mazas. Son alimentados a través de los elevadores, a excepción del donelly del molino número 1, el cual es alimentado a través de una banda de hule.
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El sistema de molinos es eficiente incluso trabajando solo con 6 molinos, por lo que se puede tener un molino inactivo: el molino 3. De esta manera, hay un molino de reserva que podría ser ocupado cuando alguno de los molinos necesite mantenimiento o haya tenido alguna falla.
En este proceso de extracción de jugo, la caña ya preparada entra al molino 1, donde se le extrae el jugo a través de la trituración en las mazas. Este jugo es puesto en la tolva inferior que recibe el jugo de los molinos 1 y 2. El jugo cae sobre un transportador de caña, conocido con el nombre de Noria, que en su superficie contiene unos cedazos muy finos, que dejan pasar únicamente el jugo hacia el tanque que se encuentra abajo, y el bagazo que cae, queda retenido en los cedazos. Este bagazo es transportado a través de la Noria y un conjunto de transportadores hacia el elevador 1. El jugo que pasa a través de los cedazos se recolecta en un contenedor que está debajo del transportador, es bombeado hacia unos coladores y luego es depositado en un tanque, conocido como tanque de jugo colado.
Después, este jugo se hace pasar por los desarenadores, que como su nombre lo dice, se encargan de quitar la arena que se encuentra en la caña. Al haber salido de éstos, se deposita en otro tanque, donde es bombeado hacia la fábrica. Si por alguna razón los desarenadores estuvieran descompuestos, existe una válvula que bloquea el paso del jugo hacia éstos, y el jugo va directamente a la fábrica. En la figura 3.16 puede verse como se da el proceso.
La caña triturada que sale del molino 1 es transportada hacia el molino 2, a través del elevador 1. Pero antes de depositar la caña, para obtener un proceso más eficiente, se realiza un proceso llamado maceración, que consiste en retroalimentar el jugo obtenido a la caña que va a entrar a algún molino, con el objetivo de extraerle la mayor cantidad de sacarosa. Por lo tanto, a la caña que va entrar al molino 2, transportada por el elevador 1, se le agrega el jugo obtenido en el molino 4. En la figura 3.17 se ilustra el proceso de maceración
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Jugo retroalimentado de molino 4
Molino 1
Molino 2
Tanque de Jugo Colado
B
B
Válvula
Desarenadores B
B Jugo hacia la fábrica
Jugo pasa a través de unos sedasos que tiene la Noria y la caña es arrastrada a través de unos rastrillos hacia el elevador 1.
B
Figura 3.16. Conducción de jugo hacía la fábrica.
.
Figura 3.17. Proceso de maceración.
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Jugo hacia la fábrica
Coladores
Este proceso de retroalimentación se hace en todos los molinos, con la excepción del molino 3(ya que es el que está de reserva), y se hace a través de bombas.
Después, a la caña que va a entrar al molino 4 se le agrega el jugo obtenido en el molino 5, repitiendo este proceso a la salida del molino 5, que es retroalimentada con el jugo del molino 6, llegando así hasta la entrada del molino 7, que es alimentado con agua del tercer efecto de evaporadores, conocida con el nombre de agua de imbibición provenientes de la fábrica.
Terminado así el proceso de la extracción de jugo, y teniendo a la salida del molino 7 el bagazo casi seco, se traslada por los transportadores de bagazo hacia las calderas de 250 psi y 900 psi, donde es utilizado como combustible para generar vapor. El bagazo que no es ocupado por las calderas, es almacenado en las bagaceras para ser utilizado cuando sea necesario.
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CAPÍTULO 4. CONTROL DEL PROCESO EN EL ÁREA DE PATIOS Y MOLINOS
4.1. Control en el área de patios El control de velocidad que existe en el área de patios es necesario para hacer un proceso eficiente y no provocar problemas en el proceso de preparación, como sobrecargas en los distintos elementos, provocando disparos de motores, daños en los diferentes dispositivos, rebalse del donelly del molino 1 y tener un proceso con demasiadas interrupciones.
El proceso de preparación en el área de patios comienza en las mesas alimentadoras y termina en la banda de hule. Esta última se encarga de depositar la caña en el donelly del molino 1, el cual gira a una velocidad constante conocida como velocidad de molida. Por lo tanto, para controlar el nivel del donelly del molino 1, el control principal se tiene que hacer sobre la velocidad con que la banda de hule alimenta al molino, intentando así mantener en un porcentaje estable el nivel del donelly (el nivel del donelly es la altura que puede tener la caña dentro del donelly). Es por este motivo que el elemento a controlar sería la banda de hule, que aumentaría el nivel del donelly acrecentando su velocidad, ya que lo alimentaría de más caña en un menor tiempo y si se quisiera disminuir el nivel, se tendría que reducir su velocidad, llevando así menos caña.
La velocidad de banda de hule es controlada por un variador de frecuencia, que recibe instrucciones del Sistema de Control Distribuido (DCS), encargado del proceso en el área de patios. El Sistema de Control Distribuido o DCS es un equipo electrónico, que se integra a la máquina o instalación a controlar mediante un programa que define la solución de las operaciones que se desean y de un cableado directo a los elementos de entrada y de salida del Sistema de Control Distribuido. Las entradas son las mediciones que se hacen en el proceso en las distintas partes de la fábrica (como el nivel del donelly) o la información que se necesita del proceso para el control de éste, las cuales pueden ser analógicas (AI) o digitales (DI).
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Las salidas son las acciones que se toman para influir o modificar alguna variable del proceso (como velocidad de la banda de hule para disminuir o aumentar el nivel del donelly), las cuales, al igual que las entradas, pueden ser analógicas (AO) o digitales (DO). En nuestro proceso, las salidas que ocupamos son tipo analógico de 4 - 20 mA, que llegan a los distintos elementos actuadores, y se encargan directamente de cambiar las distintas variables del proceso tales como velocidad, torque, etc. Los elementos actuadores que se utilizan son: variadores de frecuencia, motores eléctricos, etc. Para detectar el nivel del donelly se ocupan sensores capacitivos, que indican este nivel al Sistema de Control Distribuido. Éstos se observan en la figura 4.1.
Figura 4.1. Sensores capacitivos.
Estos sensores están ubicados a un costado del donelly, formándose el capacitor con la pared del donelly que se encuentra frente a éstos. Existen de 4 a 5 sensores capacitivos en cada donelly, como se indica en la figura 4.2.
Estos sensores van activándose de uno en uno, es decir que no se activan todos al mismo tiempo, aunque puede estar activado más de un sensor en un momento determinado.
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Figura 4.2. Ubicación de los sensores capacitivos.
La caña que va llegando al donelly sirve como dieléctrico del capacitor, el cual es un dieléctrico variable con el tiempo, ya que la caña está llegando con velocidad variable al donelly del molino 1. Por lo tanto, llega un momento a cierta densidad de caña, en que los sensores se activan mandando una señal discreta, que es interpretada como cierto porcentaje del nivel del donelly. Debido a que son discretos, solo pueden indicar que han alcanzado cierto porcentaje, y no puede indicar qué nivel tiene el donelly, cuando la caña se encuentra entre dos sensores capacitivos. Como se ilustra en la figura 4.3, cuando el nivel del donelly está entre dos sensores capacitivos, no se detecta o no puede saberse exactamente dónde se encuentra el nivel de caña a través de los sensores. Por ejemplo, cuando se trabaja con 4 sensores capacitivos, estos se encuentran a una altura del donelly correspondiente a un porcentaje de 25 %, 50 %, 75 %, 100 % del nivel del donelly; y los sensores se activarían cuando la caña ha llegado a estos niveles. Por lo tanto, solo pueden
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indicar si la caña ha llegado a un sensor o no, pero no pueden indicar si se encuentra entre dos sensores.
100%
75%
En este rango de valores los sensores no pueden indicar que nivel tiene el donelly
50%
}Nivel del Donelly 25%
Figura 4.3. Nivel del donelly.
Solo pueden indicar dos estados, los cuales son: activados (que representa un 1 lógico) o desactivados (que representa un 0 lógico). Cuando el nivel de caña ha alcanzado a un sensor capacitivo éstos se activan, de lo contrario se encuentran desactivados o apagados. Como podemos ver en la figura 4.4, se representan los dos estados:
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Figura 4.4. Estados de los sensores capacitivos.
Si suponemos que se está observando los estados del sensor de 25 %, en la figura 4.4, lo que estaríamos viendo sería que cuando el sensor está activado, podría decirse que ha alcanzado por lo menos un 25 % de nivel, pero si no está activado, solo podría decirse que no tiene los 25 %, o que no ha alcanzado el nivel de 25%
Cada sensor capacitivo es la entrada de un dispositivo, que es un convertidor de nivel (ver figura 4.5), y hace la función de un sumador, donde los resultados de lo que indica cada sensor se suman, pero esta suma no se hace de acuerdo a los porcentajes que indican los sensores, sino que se basan en la frecuencia con que éstos se activan.
Figura 4.5. Convertidor de nivel.
Por ejemplo, si las gráficas de los estados de los sensores de 25 % y 50 % de nivel del donelly fueran las que se muestran en la figura 4.6. En donde podemos observar que desde un t = 0 hasta un t = t1, los dos sensores están activados todo el tiempo, por lo tanto se indicaría que el nivel del donelly es de 50%.
Ahora supongamos que el proceso se encuentra entre t1 y t2. Si observamos en este tramo la frecuencia de activación del sensor de 25 % se mantiene en un valor y se encuentra 65
activado todo el tiempo. Esto quiere decir que el nivel del donelly está por lo menos en un 25 %. Y para saber si está el nivel arriba de 25 %, se tendría que ver la frecuencia con que está siendo activado el sensor de 50 %, en este caso, la frecuencia de activación es intermedia alta, esto significa que este sensor está activado más tiempo de lo que pasa desactivado o que cuando se desactiva no tarda mucho tiempo en activarse nuevamente. Por lo tanto, esto querría decir que el nivel no baja demasiado tiempo de 50 % cuando se activa nuevamente. Así, en el convertidor de nivel se obtendrían porcentajes cercanos a 50 %, como por ejemplo 43 %, 45 %, 48 %, etc., siempre dependiendo de la frecuencia de activación.
Figura 4.6. Estados de los sensores ubicados a un 25% y 50% del nivel del donelly.
Cuando el proceso se encuentre entre t2 y t3, nuevamente el sensor de 25% estaría indicando que el nivel ha alcanzado los 25%, ya que se encuentra activado durante todo el tiempo. Ahora, para saber si se tiene un nivel arriba del 25%, se basa nuevamente en cuál es la frecuencia de activación del sensor de 50 %, en este caso, es muy baja la frecuencia de activación; es decir, que el sensor pasa más tiempo desactivado que activado. Por lo tanto,
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en el convertidor de nivel se indicaría que el nivel del donelly está más cerca del sensor de 25 % que del 50 %, mostrando porcentajes cercanos a 25 % como: 27 %, 30 %, 31%, etc.
4.1.1. Lazo de control de la banda de hule Comprendiendo cómo se obtiene el nivel del donelly, podemos ver cuál es el lazo de control con que trabaja la banda de hule (ver figura 4.7).
Figura 4.7. Esquema de control de Banda de Hule.
El bloque verde que se encuentra en la figura 4.7 representa el DCS, el cual recibe como entrada el nivel del donelly (ND), que llega a una entrada del control PID (este PID pertenece o es interno al DCS) llamada PV. Este valor es el nivel de donelly que se mide en el proceso, que se compara con el porcentaje de nivel del donelly deseado (SP), cuyo valor puede ser ajustado por un operador.
La salida o la respuesta del DCS es una señal de 4 - 20 mA, que es proporcional a la diferencia que exista entre PV y el nivel deseado SP (A esta diferencia se le conoce como error).
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Podemos observar en el la figura 4.7 que el control del proceso se da en el DCS, pero el control de velocidad de la banda de hule lo hace el variador de frecuencia, el cual recibe la consigna de velocidad proveniente del DCS.
Para evitar problemas de atoramiento en el proceso de preparación, la velocidad debe de ir aumentando desde las mesas alimentadoras hasta la banda de hule, elemento por elemento. Por lo tanto, la banda más veloz tendría que ser la última banda antes de entrar al área de molinos (banda de hule), lo que implicaría que la banda transportadora 3 debe tener una velocidad menor comparada con la banda de hule, y la banda transportadora 2 tiene que ser más lenta que la banda transportadora 3, repitiéndose así este orden hasta llegar a las mesas alimentadoras, que tendrían que ser más lentas que la banda transportadora 1. En la figura 4.8 se puede ver con más claridad como van aumentando las velocidades en el proceso de preparación que se da en el área de patios.
Figura 4.8. Aumento de velocidades en el área de patios.
4.1.2. Lazo de control de la banda transportadora 3 El siguiente lazo de control es el de la banda transportadora 3, el cual depende de la velocidad de la banda de hule, debido a que ambas velocidades son directamente
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proporcionales. Es decir, si la velocidad de la banda de hule aumenta, también aumenta la velocidad de la banda transportadora 3 y si la velocidad de la banda de hule disminuye, lo hará también la velocidad de la banda transportadora 3. Esto puede verse también en la ecuación 4.1.
V Banda Transportadora 3 = α V Banda de Hule
(Ec. 4.1)
Donde V es Velocidad y es α una constante, α < 1.
Pero la banda transportadora 3, también depende de otros elementos como la picadora 2, picadora 3, niveladora 3 y niveladora 4. La dependencia que existe entre estos elementos y la banda transportadora 3 es de la corriente que éstos manejan, la cual se obtiene a través de un transformador de corriente tipo dona, que puede tener distintas capacidades de medición y su salida es de 0 - 5 A, la cual es transformada a una señal de 4 – 20 mA, que llega como entrada al DCS.
Todos estos elementos trabajan a velocidad constante, pero su corriente puede cambiar de acuerdo a la carga que éstos manejen. La razón principal por la que estos elementos entran en el proceso de control de esta banda transportadora es principalmente por protección de estos mismos, ya que si se sobrecargan más de lo debido pueden sufrir daños. Por lo tanto, para poder incluir a las picadoras, niveladoras y predicadoras en el control que hace el DCS, se relaciona la corriente con la que están trabajando éstos, con la capacidad de medición que tiene el transformador de corriente o dona y este porcentaje se asocia a una función de eficiencia, que oscila en porcentajes de 0 a 100 %, el cual es utilizado para comparaciones que se hacen internamente en el DCS.
Por ejemplo, el motor eléctrico con que trabaja la picadora 3 tiene una corriente nominal de 255 A. Por consiguiente, no se desea que se sobrepase esta corriente, ya que se podrían ocasionar daños en la picadora 3. Y la dona que se utiliza para su medición de corriente tiene una capacidad de 600A (su relación de transformación es de 600/5). Esto significaría
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que 255 A corresponderían a un 42.5 % de la capacidad de la dona. En esta picadora se desea que su corriente oscile entre 30 A y 222 A, los cuales corresponderían a un 5 % y 37 % respectivamente, de la capacidad de la dona. En consecuencia, la función de eficiencia quedaría compuesta como se muestra en la figura 4.9.
Figura 4.9. Función de eficiencia de picadora 3.
En la figura 4.9 podemos observar que existen 3 zonas o rangos de trabajo para este elemento, las cuales son:
1. I/C < 5 %, esta situación es poco usual que suceda, ya que la corriente depende de la carga, y entre más carga manejen estos elementos, mayor será su relación I/C.
2. 5 % < I/C < 37 %, este es el rango normal de trabajo, es decir que aquí debe de operar la picadora 3 normalmente.
3. I/C > 37 %, una relación mayor que el 37 % significaría que la picadora 3 se encuentra en un rango cercano a una sobrecarga. Debido a que no debe operar en esta zona, su porcentaje de eficiencia debe de disminuir.
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Cuando la corriente de algún elemento de estos antes mencionados aumenta el rango normal de trabajo, su eficiencia disminuye, pues la corriente está en un rango no deseado, ya sea por sólidos que estén pasando por los elementos o por que se les está mandando demasiada caña a velocidades altas, de modo que estos no pueden pasarla con facilidad. Cuando esto ocurre, la banda transportadora tiene que disminuir la velocidad, para que la corriente de estos elementos disminuya y puedan regresar a trabajar en su rango normal de trabajo.
El lazo de control de la banda transportadora 3 se muestra en la figura 4.10. Se puede ver claramente que existe dependencia de: niveladora 3, niveladora 4, picadora 2 y picadora 3, de la velocidad de la banda de hule (la cual se obtiene a través de un tacómetro) y del control PID, que participa en el control de la banda de hule.
En la mayor parte del proceso, la velocidad de la banda de hule es igual a la consigna de velocidad que indica el control PID, para mantener el nivel del donelly adecuado. Pero, algunas veces difieren estos dos por los tiempos de respuesta de los elementos actuadores al control PID o por problemas mecánicos que estén ocurriendo en los elementos que participan en el proceso. Por consiguiente, la salida del PID también tiene que influir directamente en el control de la banda transportadora 3, para no tener problemas con el nivel del donelly del molino 1 y tener así un proceso más eficiente.
Cuando los elementos que están sobre la banda transportadora 3 están trabajando en el rango normal de trabajo, estos tienen un porcentaje de eficiencia de 100% Por lo tanto, cuando un elemento de éstos sobrepase el rango normal de trabajo, es decir, que se vaya a niveles cercanos de sobrecargas, su función de eficiencia disminuirá o el porcentaje eficiencia sería menor a 100%. Estas cuatro magnitudes o porcentajes de eficiencia llegan a un bloque comparador (bloque 1), donde se compara cuál de las cuatro magnitudes es la menor y ésta es la escogida, la cual llamaremos señal X (ver figura 4.11).
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Se escoge esta señal debido a que representaría al elemento que está trabajando en rangos no deseados, y este porcentaje indicaría que se necesita que disminuya la velocidad en la banda transportadora 3, para que este elemento o los elementos que no estén trabajando en los rangos no adecuados regresen a rangos normales de trabajo. La velocidad que se pide es directamente proporcional al porcentaje que se obtiene a través de la función de eficiencia, es decir, que cuando este porcentaje aumenta, la velocidad de la banda transportadora 3 aumenta y cuando el porcentaje de eficiencia disminuye, se indicaría a la banda transportadora 3 que disminuya su velocidad.
Velocidad banda de hule
T
Banda Transportadora 3
Banda de Hule
I/C
I/C
I/C
<
I/C
ND
4-20mA
Niveladora 4
Picadora 3
Picadora 2
Niveladora 3
MBT3
MBH
Donelly 1
α
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