Càlculo de los componentes de un arrancador a tensiòn plena (DOL)

Calcular el tamaño de cada componente del arrancador a tensiòn plena (DOL) para un motor trifásico de AC a un voltaje de 440 V.

El motor es de inducción trifásico de aplicación doméstica 1/4 HP, Código o Clave NEMA J, la eficiencia del motor 60.2%,RPM =1670, factor de potencia = 0.6

De la placa de datos del motor se obtiene la siguientes informacion: Voltaje: 440V Potencia: 1/4 HP Eficiencia: 60.2% Rpm: 1670 F.P: 0.6, Clase F.

Calcule el par nominal del motor en (Nm), par de arranque, corriente a rotor bloqueado. corriente nominal y corriente de arranque.

El par nominal Tn se calcula con la siguiente fórmula:

Tn (Nm) = 9550 *KW/RPM

Sustituyendo:

Tn = 9550 * 0.186/1670

Tn = 1776.3/1670

Tn = 1.0636 = 1Nm = Par nominal

Si la potencia del motor es menor a 30 Kw, el par de arranque del motor es de 2 a 3 veces el par nominal del motor. de lo anterior: 

Ta = 3*1 Nm Ta = 3 Nm = Par de arranque.

Para calcular la corriente a rotor bloqueado nos auxiliamos de la siguiente tabla con valores minimos y maximos.

Corriente del rotor bloqueado = 1000*HP* Min o Max/ 1.732 × V

De lo anterior:

La corriente min a rotor bloqueado = 1000*0.25*7.1/1.732*440

Imin rb = 1775/762.08

Imin rb = 2.32 A

La corriente Max a rotor bloqueado = 1000*0.25*8/1.732*440

Imax rb = 2000/762.08

Imax rb = 2.62 A

Para calcular la corriente nominal utilizamos la siguiente fórmula:
IL = KW*1000/1.732*V*F.P

sustituyendo:

IL = 0.18*1000/1.732*440*0.6
IL = 180/457.248 I L = 0.39=0.4A

La corriente de arranque del motor es de 6 a 7 veces la corriente nominal.

por lo tanto Ia =7*0.4 A.

Ia=2.8A.

1. Tamaño del fusible.

De acuerdo con la norma NEC 430-52, nos auxiliamos de la siguiente tabla.

El Tamaño de fusible con retardo es:

Fdelay = 300% * Corriente a plena carga IL
Fdelay = 300% * 0.4A
Fdelay = 1.2A

El tamaño de fusible sin retardo es:

Fnodelay = 175% * Corriente a plena carga I L
Fnodelay = 175% * 0.4A
Fnodelay = 0.7A

2. Tamaño del disyuntor

Para seleccionar un disyuntor nos auxiliamos de la siguiente tabla:

Tamaño del disyuntor con disparo instantáneo 
 = 800% * Corriente a plena carga I L

Tamaño del disyuntor con disparo instantáneo = 800% * 0.4A

Tamaño del disyuntor con disparo instantáneo = 3.2A

3. Relevador sobrecarga bimetálico.

Para configurar el relevador de sobrecarga bimetálico en su Valor min y max se considera lo siguiente;

configuración del relé de sobrecarga min = 120% x Corriente a plena carga IL

Relé de sobrecarga min = 120% x 0.4= 0.6 A

Relé de sobrecarga max = 120% x Corriente a plena carga IL

Relé de sobrecarga max = 220% x 0.4 = 0.88A

4. Tamaño y tipo de contactor.

De la siguiente tabla seleccionamos el tipo de contactor de acuerdo con la aplicaciòn:

Tamaño del contactor = 175% X Corriente a plena carga IL
Tamaño del contactor = 175% x 0.4A = 0.7A.

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Programa #1 básico en un PLC "Arranque y paro de un motor "

Arranque de un motor con un PLC

Una aplicación práctica y de mediana  complejidad es el control de arranque y paro de un motor de AC. Antes de realizar el programa en un PLC, primero vamos a entender el alambrado del circuito de control

El siguiente diagrama tipo americano  ilustra cómo se puede conectar un botón pulsador normalmente de arranque NO y paro NC para controlar un motor de trifasico AC.

En este ejemplo, la bobina del contactor  (M) está cableada en serie con un botón de arranque momentáneo normalmente abierto (NO) y  un botón de paro momentáneo normalmente cerrado (NC) y un  contacto de protección proveniente  del relé de sobrecarga (OL) normalmente cerrado.

Del diagrama se puede observar que al presionar el botón de arranque  se cierra el circuito para energizar la bobina del contactor del motor de arranque (M). Esto genera el cierre de los contactos asociados al contactor (M) en este  caso  (Ma) 

Cuando se suelta el botón, la corriente continúa fluyendo a través del botón de paro y el contacto (Ma), por lo tanto la bobina del contactor  (M) permanece activada.

El motor funcionará hasta que se presione el botón de paro NC, a menos que se abra el contacto del relé de sobrecarga (OL). Cuando se presiona el botón de paro, se interrumpe la ruta para el flujo de corriente, abriendo los contactos (M) y (Ma) por lo tanto el motor se detiene.

Así es como funciona el circuito de control.

Aplicación de control de motores con un PLC

Esta aplicación de control  arranque y paro de un  motor también se puede lograr  con un PLC . En el siguiente ejemplo, un botón de arranque normalmente abierto (NO) está conectado a la entrada digital (I0.0), un botón de paro (NC) está conectado a la segunda entrada (I0.1) y un contacto del relé de sobrecarga normalmente cerrado está conectada a la tercera entrada (I0.2).

Estas entradas se utilizan para controlar los contactos en una línea de lógica de escalera programada en el PLC.

Inicialmente, el bit de estado I0.1 es un 1 lógico porque el botón de paro  (NC) está cerrado. El bit de estado I0.2 es un 1 lógico porque el contacto del relé de sobrecarga (OL) es (NC) . Sin embargo, el bit de estado I0.0 es un 0 lógico porque no se ha presionado el botón de inicio normalmente abierto.

El contacto Q0.0 de salida normalmente abierto también se programa en el circuito como un contacto de salida. Este circuito simple requiere una bobina de salida Q0.0 para encender el motor.

Operación del programa en el PLC

Cuando se presiona el botón de arranque, la CPU del PLC recibe un uno lógico de la entrada I0.0. Esto hace que el contacto I0.0 se cierre. ahora  las tres entradas  cuentan con un uno lógico por lo tanto  la CPU envía un uno lógico a la salida Q0.0. El contactor del  motor está energizado y el motor arranca.

El bit de estado de salida  Q0.0 ahora es uno. En el siguiente ciclo, el contacto Abierto de Q0.0  se cierra y la salida Q0.0 permanecerá encendida incluso si se suelta el botón de arranque.

Cuando se presiona el botón de paro: la entrada I0.0 se apaga, el contacto I0.0 se abre, la bobina de salida Q0.0 también se apaga y se desenergiza el motor.

Luces indicadoras de marcha y parada

La aplicación se puede ampliar fácilmente para incluir luces indicadoras para condiciones de arranque y paro. En este ejemplo, una luz indicadora RUN está conectada a la salida Q0. y una luz indicadora de STOP está conectada a la salida Q0.2.

La lógica de escalera para esta aplicación incluye un contacto Q0.0 normalmente abierto conectado en el peldaño 2  a la salida Q0. y el contacto Q0.0 normalmente cerrado conectado en el peldaño 3 a la salida Q0.2. Cuando la salida Q0.0 está apagada, el contacto Q0.0 normalmente abierto está abierto y el indicador RUN apagado. Al mismo tiempo, el contacto Q0.0 normalmente cerrado tiene continuidad lógica y el indicador STOP está encuentra encendido.

Cuando se presiona el botón de Arranque, el PLC activa  al motor. La salida Q0.0 se enciende. El contacto Q0.0 normalmente se cierra cerrado y la luz indicadora RUN está encendida. Al mismo tiempo, el contacto NC de  Q0.0 está abierta y la luz indicadora de STOP conectada a la salida Q0.2 se encuentra apagada.

Agregando un interruptor de límite

La aplicación se puede ampliar aún más agregando un interruptor de límite. El interruptor de limit switch  podría usarse en esta aplicación para una variedad de funciones. Por ejemplo, el interruptor de límite podría usarse para detener el motor o evitar que el motor arranque.

En este ejemplo, el interruptor de límite está asociado con una puerta de acceso al motor o su equipo asociado. El interruptor de límite está conectado a la entrada I0.3 y controla un contacto normalmente abierto en el programa. Si la puerta de acceso está abierta, el interruptor de límite LS está abierto y el contacto normalmente abierto I0.3 también está abierto. Esto evita que el motor arranque.

Cuando la puerta de acceso está cerrada, el interruptor de límite LS está cerrado y el contacto normalmente abierto I0.3 también está cerrado. Esto permite que el motor arranque cuando se presiona el botón de Inicio.

Mayor expansión de un programa PLC

El programa del PLC puede ampliarse  para acomodar una amplia variedad de aplicaciones comerciales e industriales.

Se pueden agregar botones de arranque/paro, interruptores selectores, luces indicadoras y torretas de señalización. Se pueden agregar arrancadores de motor, interruptores de límite de sobre recorrido junto con interruptores de proximidad para detectar la posición de un objeto. Se pueden agregar varios tipos de relés para ampliar la variedad de dispositivos que se controlan.

Según sea necesario, los módulos de ampliación se pueden añadir a un aumento adicional de la capacidad de I/O . Las aplicaciones solo están limitadas por la cantidad de E/S y la cantidad de memoria disponible para el PLC.

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Desmintiendo algunos mitos sobre el tamaño correcto de motores y variadores de frecuencia

Tamaño correcto de motores y convertidores.

Los fabricantes de motores eléctricos y variadores de frecuencia han desarrollado varios métodos para seleccionar rápidamente el tamaño de motores y VDF para una carga de máquina en particular. La mayoría de los ingenieros o técnicos de aplicaciones utilizan los mismos procedimiento básicos.

Actualmente la selección de las difrentes  de aplicaciones generalmente se realizan mediante software y herramientas CAD. Sin embargo, es importante que los técnicos e ingenieros comprendan claramente el procedimiento de selección.

Uno de los mejores procedimientos se basa en las curvas de límite de carga para realizar la selección básica del tamaño del motor. Este procedimiento se describe a continuación. Luego se verifican otros factores para garantizar que se seleccione la combinación óptima de motor y variador.

principios de selección

Se recomienda seguir los siguientes cuatro  principios de selección:

Selección 1 

Primero, se debe seleccionar el tipo y tamaño del motor. además de la velocidad del mismo Como ustedes ya lo saben la velocidad en rpm se encuentra directamente relacionada con el número de polos del motor por lo tanto deberá elegirse para que el motor funcione lo más posible a una velocidad ligeramente superior a la velocidad base de 50 Hz. ideal 60 Hz 

Esto es deseable porque:

La capacidad térmica del motor mejora cuando la frecuencia f ≥ 50 Hz debido a que un enfriamiento es más eficiente a velocidades más altas.

Las pérdidas de conmutación del convertidor son mínimas cuando está operando en el rango de debilitamiento del campo y esto ocurre  por encima de 50 Hz.

Para una carga de par constante, se obtiene un rango de velocidad mayor cuando el motor funciona bien en el rango de debilitamiento del campo esto sucede a la velocidad máxima.

Esto podría significar un ahorro de costos porque  se seleccionará un motor y convertidor más pequeños .

Aunque la mayoría de  fabricantes afirman que sus variadores  pueden producir frecuencias de salida de hasta 400 Hz, estas altas frecuencias son de poco uso práctico, excepto para aplicaciones muy especiales (menos comunes). La construcción de motores de jaula de ardilla estándar y la reducción de la capacidad de par máximo en la zona de debilitamiento del campo, restringen su uso a frecuencias superiores a 100 Hz.

En la Figura 1 se muestra una comparación del par producido por un motor de 4 polos y un motor de 6 polos . Esto ilustra la mayor capacidad de par de la máquina para un motor de 6 polos.

1. Motor de 4 polos de 90 kW (1475 rev / min)
2. Motor de 6 polos de 90 kW (985 rev / min)

Selección 2 

La selección de un motor sobredimensionado solo para ser 'seguro' no suele ser aconsejable porque significa que también se debe seleccionar un variador de frecuencia sobredimensionado. Los VDF particularmente del tipo PWM, están diseñados para el valor de corriente pico más alto, que es la suma de las corrientes fundamentales y armónicas en el motor .

Cuanto mayor es el motor, mayores son las corrientes máximas.

Para evitar que esta corriente máxima exceda el límite de diseño, nunca se debe usar un variador con un tamaño de motor mayor al especificado. Incluso cuando el motor más grande con carga ligera genera  picos de corriente armónica  altos.

Selección 3 

Una vez que se ha seleccionado el motor, es razonablemente fácil seleccionar el tamaño correcto del convertidor del catálogo del fabricante . Por lo general, se clasifican en términos de corriente (no kW) en función de un voltaje específico. Esto debe usarse solo como una guía, porque los convertidores siempre deben seleccionarse en función de la corriente máxima continua del motor.

Aunque la mayoría de los catálogos se basan en las clasificaciones de potencia del motor Norma IEC estándar en (kW), los motores de varios fabricantes tienen clasificaciones de corriente ligeramente diferentes.

Selección 4

Aunque parezca  obvio, el motor y el convertidor deben especificarse para el voltaje y la frecuencia de la fuente de alimentación a la que se va a conectar el variador de velocidad.

En la mayoría de los países que usan estándares IEC, el voltaje de suministro  es de 380 V ± 6%, 50 Hz . En Alemania, esto es 415 V ± 6%, 50 Hz, pero en países de latinoamérica suele ser diferente ejemplo 440 V  ± 6%, 60 Hz. En algunas aplicaciones donde el tamaño del variador es muy grande resulta  económico usar voltajes más altos para reducir el costo de los cables. Otras tensiones comúnmente utilizadas son 500 V y 660 V .

En los últimos años, los variadores  de AC se fabrican para su uso a 3,3 kV y 6,6 kV . Los convertidores de frecuencia están diseñados para producir el mismo voltaje de salida que el de entrada por lo que tanto el motor como el convertidor deben especificarse para el mismo voltaje.

Aunque la frecuencia de salida del VFD es variable, la frecuencia de entrada  es 50 Hz o 60 Hz, debe especificarse claramente porque esto puede tener un efecto en el diseño de componentes inductivos.

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