Práctica Laboratorio de Máquinas Eléctricas Final.pdf

Universidad Nacional De Colombia, S. Laverde, L. Andrés. David, V. Walter

Resumen—En el presente documento se presentara de forma escrita los resultados obtenidos de la prueba hecha a un conjunto de drive-motor teniendo como objetivo principal la medición de los armónicos, la medición del THD cuyo disparo en el aparato de medida se da cuando por norma es mayor al 5%, para así terminar con un análisis un poco más a fondo del por qué se hace necesario el uso dela electrónica de potencia en una maquina eléctrica rotativa común.

Palabras Clave—Motor de inducción, drive, THD, potencia.

I. INTRODUCCIÓN

OS ARMÓNICOS en una red eléctrica siempre han sido motivo de estudio con el objetivo de entenderlos,

entender sus consecuencias e intentar dar una solución lógica para su prevención y consecuentemente el mejoramiento de la red que alimenta a diario cada una de las cargas que se le presentan/

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Es necesario entender que los armónicos, son frecuencias múltiplos de la frecuencia fundamental de trabajo del sistema y cuya amplitud va decreciendo conforme aumenta el múltiplo, los más conocidos en el área de máquinas eléctricas son los del tipo 6K(+o-)1 más cabe resaltar que después de ciertas frecuencias pueden ser ignoradas o no tomadas en cuenta, los armónicos son importantes en la red eléctrica y se miden para evitarlos al máximo y así disminuir grandes costes técnicos y económicos.

Como la mayoría de cargas absorben este tipo de ondas periódicas no sinusoidales que se encuentran superpuestas en la frecuencia fundamental, se encuentra que aunque se piensa que la onda que se recibe es una onda sinusoidal, mientras que realmente se recibe una onda distorsionada con tendencia a formar la onda fundamental compuesta por todos y cada uno de los múltiplos.

Cabe resaltar que los principales efectos de los armónicos de tensión y corriente en un sistema de potencia se pueden citar como: la posibilidad de amplificación de algunos armónicos como consecuencia de resonancia serie y paralelo, además de

la reducción en el rendimiento de los sistemas de generación, transporte y utilización de la energía, así como el envejecimiento del aislamiento de los componentes de la red y, como consecuencia, la reducción de la energía entre muchos otros.

Claramente y teniendo en cuenta todo lo mencionado anteriormente, se puede deducir que el tener armónicos influyendo en la red, que alimenta las maquinas eléctricas, perjudica el normal funcionamiento de todos los equipos y la vida económica de quien cuenta con aparatos sensibles a estos eventos, es por esto que la medición de los mismos es tan importante para la industria, evitar sobre costos es una tarea que inquieta a la humanidad desde la revolución industrial.

Como todo, la prevención de armónicos es posible con aparatos diseñados con filtros para alimentación limpia a un sistema elegido, la solución permitirá una disminución en fallas, y garantizará a que todos los sistemas que requieran energía eléctrica puedan funcionar en óptimas condiciones.

Es interesante comprender de manera práctica este suceso que se da en cualquier red eléctrica que funcione en la actualidad, por esto, en este paper se podrá entender el por qué se dan antes y después de la carga con sus debidas diferencias, analizando cada uno de los componentes y permitiendo desarrollar una fluidez a la hora de energizar y desenergizar el sistema.

A medida que se avance en la lectura del paper se podrá entender con ayuda de todas las herramientas utilizadas el comportamiento de los armónicos en un conjunto de sistemas drive (básico, regenerativo y con filtro) – motor con sus comparaciones energizadas antes y después de la carga.

Práctica Laboratorio de Máquinas EléctricasMedición de armónicos y cálculo de THD en

motor de inducción alimentado por drive.S. Laverde, L. Andrés. David, V. Walter.

Estudiantes Pregrado Ingeniería Eléctrica - Universidad Nacional de Colombia

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II.REALIZACIÓN DE LA PRÁCTICA

A. Preparación de Logística.

Se preparó la práctica de laboratorio con anterioridad para poder establecer parámetros en la medición de arranque del motor con el drive. La práctica de laboratorio se realizó en el laboratorio de máquinas eléctricas, edificio 411 lab 106.

Se acordó una cita con las personas encargadas del laboratorio, con el objetivo de establecer un espacio para la realización de las medidas sin interrumpir otras actividades y claramente tener el espacio de uso de la herramienta prevista.

Como se espera, para la medición de los parámetros mencionados atrás, se hace necesario el uso de herramientas tanto básicas como nuevas para nosotros, por esto se hizo una consulta previa sobre los equipos a usar como lo son:

HIOKI PW 3198 Drive ACS800-01 Drive ACS800-11 Drive ACS800-31 Software HiVIEW PRO for HIOKI.

Al saber que el HIOKI PW 3198 es un analizador de calidad de potencia, se puede descartar el uso del multímetro, ya que en el manual, se explica que además de graficar las formas de onda, los harmónicos, los diagramas fasoriales entre muchas 0otras cosas, también hace la medición de la tensión nominal y la corriente nominal. El HIOKI PW 3198 se caracteriza por ser un aparato de mediciones complejas con una interfaz de usuario muy amigable que permite el fácil entendimiento de la información.

Fig. 1. HIOKI PW3198.

Los drives o controladores de velocidad tienen diferentes características entre sí, a continuación se hará explicación del por qué son diferentes.

El drive ACS800-01 es un controlador de velocidad que cumple la función básica, permite aumentar y disminuir la velocidad con el cambio de la potencia que se le está inyectando al sistema, no tiene ningún tipo de fi9ltro para harmónicos y no permite la realimentación del sistema con carga.

Fig. 2. ACS800-01.

El drive ACS800-11 de ABB, por el contrario es un controlador de velocidad un poco más complejo, tan solo en su tamaño se puede ver, es un controlador que además de ejercer su función básica permite la regeneración bajo ciertos parámetros que dependen principalmente del tipo de máquina eléctrica rotativa al que se le esté aplicando y claramente la carga que tenga, además cuenta con un filtro LCL anti armónicos por línea y un circuito de carga integrado en sí mismo.

Fig. 3. ACS800-11.

EL Drive ACS800-31 por su parte es un sistema de control de velocidad con una ventaja para el usuario y la red a la que se somete la carga del motor, cuenta con un filtro anti armónicos que permite la reducción de los mismos en la ecuación de desempeño del sistema completo.

Fig. 4. ACS800-31.

Por su parte el software de visualización HiVIEW PRO, es una herramienta diseñada para ayudar al HIOKI a ser más amigable con el usuario, permitiéndole interactuar por medio de un PC con la información obtenida luego de la grabación de cada evento en el aparato, más adelante cuando se vean los resultados se hará explicación del funcionamiento del software de visualización dedicado.

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Fig. 5. Placa descriptiva del primer motor en el que se realizaron las pruebas.

Fig. 6. Placa descriptiva del segundo motor en el que se realizaron las pruebas.

También se hacen necesarios elementos propios del laboratorio como el armario para energizar, los cables, protecciones para cada isla, computador con el software instalado, SD de capacidad suficiente para guardar los eventos registrados por el HIOKI.

B. Prueba con el drive ACS800-01

Para la prueba con este drive que ya fue descrito anteriormente como el drive más sencillo de los usados, se hizo una conexión del drive al motor teniendo en cuenta la configuración a la que se quería que trabajara con una tensión nominal de 220 Volts, aunque cabe resaltar que no se hicieron pruebas a tensión nominal para tener una medición más limpia en términos de los eventos registrados por el HIOKI, La conexión descrita anteriormente es una conexión Delta que permite la optimización de la energía con respecto a la maquina DC.

Fig. 7. Motor configurado en Delta para conexión con el Drive.

Consecuentemente, se realizó la conexión del aparato de medición en las tres fases en los bornes de la maquina DC

para obtener los resultados directamente en la carga, sin embargo el armario del Drive cuenta con un ABB ANR96 cuyo uso para esta prueba fue el de dar una medición claramente más sencilla de algunos de los parámetros que se solicita saber antes de entrar en la carga, a continuación se hará la descripción de las fotos obtenidas en el equipamiento.

Fig. 8. Sistema trifásico ANR96.

Fig. 9. Gráfico de V-C.

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Fig. 10. THD de voltaje por línea

.Fig. 11. THD de voltaje y corriente.

Fig. 12. Harmónicos por fase.

Como se puede observar en las fotos anteriores, el sistema en vacío es un sistema que de por si tiene algunos harmónicos normales en la red, que se verán representados mejor en el programa de visualización en la prueba real, sin embargo se puede observar que antes de la carga el equipo ya tiene algunos sobre picos en sus harmónicos que son normales en cualquier aparato de arranque o variador de velocidad debido al control con el que cuentan.

Volviendo al procedimiento, se hizo la configuración del equipo teniendo en cuenta la placa del transformador y también teniendo en cuenta la configuración con la que se estaba utilizando el aparato de medición, como se puede ver en la siguiente figura, la configuración Delta tiene su diagrama codificado por colores para la conexión de pinzas amperimétricas sensibles y pinzas de tensión con una muy buena exactitud y precisión, con las cuales se pretende leer la información necesaria y proceder a la grabación de los eventos que se quieren analizar.

Fig. 13. Configuración por defecto del HIOKI y código de color.

Con las conexiones realizadas con éxito y sin ningún tipo de

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contacto que pudiera causar falla en el sistema, se procede a dar encendido al drive con el que se energiza el motor de inducción mostrado anteriormente, asimismo se comienza la grabación de los eventos dentro del equipo PW3198, al transcurrir cierta cantidad de tiempo y cuando existe una lista de grabación de eventos suficientemente extensa para realizar un buen análisis se procede a dar parada al HIOKI , desenergizar del drive y consecuentemente del motor.

Al insertar la información en el programa de visualización, se puede comenzar a hacer análisis de cada uno de los eventos a los que se somete la señal en un periodo de tiempo, claramente teniendo en cuenta los harmónicos, el THD y el factor de potencia al que se encuentra sometida la carga.

Fig. 14. Información adicional HIOKI.

Fig. 15. Vectores de harmónicos

Fig. 16 Representación de harmónicos

En el anexo 1 se puede encontrar la información relacionada con lo mencionado anteriormente en la primera prueba con medición directa en la carga.

Con respecto a la potencia de entrada que se puede entender como la potencia exigida por el conjunto para funcionar y para ser calculada, se toman como datos el voltaje nominal y la corriente soportada por el conjunto, por lo tanto seria:

p=V∗Ip=220∗3.771p=829.62W

C. Prueba con el drive ACS800-11

Para la prueba con este segundo drive, es necesario recordar lo mencionado al principio de este documento donde se explica que es un controlador de velocidad un poco más complejo que el anterior, donde se permite la regeneración a través de un filtro de línea que permite potencia total tanto en el modo de alimentación como en el modo de generación que además elimina los armónicos para un funcionamiento óptimo.

Como se puede inferir el ahorro de energía es una característica que salta a la vista al momento de utilizar este drive, por ejemplo na energía de frenado que es mandada de nuevo a la red y no desperdiciada como calor.

En este caso como se está utilizando el sistema regenerativo, se hace necesario el uso de un sistema acoplado de por lo menos dos motores cuyas características permitan que se puedan utilizar, el sentido común nos dice que es imposible acoplar dos motores que giren en direcciones contrarias como fue demostrado en la práctica encendiendo cada uno de los motores por separado para ver su sentido de rotación y entender el por qué se pueden acoplar, sin embargo, en la matemática se hace innecesario el sentido común para

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entender el comportamiento de este sistema

Como principal preocupación, se encuentra que la velocidad sea igual y lo mismo acontece con su par, mas, es posible que la potencia sea diferente, debido a que las condiciones de realimentación y regeneración no lo exigen así, en resumen se puede decir que se da la regeneración debido a que existe un campo magnético generado por el primer motor en este caso el azul que actúa sobre el segundo motor (naranja) obligándolo a girar en el mismo sentido y permitiendo que la red obtenga su energía de vuelta tanto en el arranque como en el movimiento continuo así como el frenado, en la siguiente imagen se muestra el sistema utilizado.

Fig. 17. Sistema acoplado para prueba regenerativo.

Fig. 18. Configuración Delta Segundo motor.

Como se puede recordar de la figura 7, la conexión delta que se hace del primer motor al drive básico para su encendido es la misma que se realiza en el segundo motor (naranja), objeto de la medición, para el reconocimiento de exactamente los mismos parámetros requeridos al drive regenerativo

En este caso también se cuenta con un ABB ANR96, que permite saber algunos datos interesantes antes de la carga que sirven como punto de comparación entre la red sin carga aparente y la red con carga directamente sobre el motor, en las siguientes fotos se podrán apreciar lo datos y se hará un breve análisis.

Fig. 19. Sistema trifásico ANR96.

Fig. 20. Gráfico de V-C.

Fig. 21. Harmónicos por fase.

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Fig. 22. THD de voltaje y corriente

Fig. 23. THD de voltaje por línea

Como se puede ver en la figura 19, el primer, tercer y noveno harmónicos son los que mayor presencia tienen en la red, siendo los otros muy pequeños y hasta despreciables, en una red que está siendo alimentada por los 220 voltios a 60 Hz de la red línea a línea, se puede tener en cuenta que como se ve en la figura 18 no es una sinusoidal perfecta como es de esperarse, mas no pierde ninguna de las características de la corriente alterna.

El THD antes de la carga por norma, se encuentra controlado y se puede decir que no tiene mayor presencia dentro de la red, por lo tanto se puede decir que esta misma es limpia y tiene buenas características para trabajar en ella gracias al filtro línea a línea LCL mencionado en la descripción del equipo.

En cuanto al procedimiento utilizado para la medición con el PW3198, se hace el mismo que se hizo para el ACS800-01sin ninguna variación.

Fig. 24. Configuración por defecto del HIOKI y código de color.

Fig. 25. Onda de voltaje y corriente por fase.

Fig. 26. Vectores de harmónicos

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.Fig. 27. Características Linea-Linea.

Fig. 28. Características de la prueba.

En el anexo 2 se puede encontrar la información relacionada con lo mencionado anteriormente en la segunda prueba con medición directa en la carga. Como un detalle importante se puede decir que no se obtuvieron mediciones de una gran cantidad de eventos dentro de la prueba debido a las características del motor número 2 y el filtro LCL, cuya estabilidad era mayor a la del primer motor y el acople tuvo suceso.


p=V∗Ip=220∗11.7p=2574 W

D. Prueba con el drive ACS800-31

Este drive es el equipo más completo de todos en cuanto al control de armónicos, aunque no es regenerativo, cuenta con un filtro interno que permite desvanecer los armónicos que causan más problemas al momento de la “construcción” de la onda con frecuencia fundamental, como beneficio

fundamental tiene una unidad de entrega activa por lo tanto no se hace necesario el uso de filtros externos o transformadores multi-pulso para corregir.

Como se podrá ver en las gráficas de este equipo, los armónicos presentes no superan el THD de 5% aunque en algunos casos por problemas en el control podía llegar a 5,33%, sin embargo cabe resaltar que los armónicos atenuados por este drive son los primeros que por claras razones son los que afectan más la forma de onda debido a su frecuencia, además, como después del armónico 23, por norma se pueden despreciar los mismos, el filtro cumple con su propósito y permite que el funcionamiento sea más limpio de todas formas tanto en el encendido como en el trabajo y el apagado.

Se realizaron las pruebas en el mismo motor mostrado en la figura 5 y se conectó exactamente igual que en la figura 7, por este mismo motivo no se hizo la toma de fotos del equipo antes de la carga por que se esperaba el mismo comportamiento que al ser conectado al ACS800-01.

Al hablar del ahorro de energía también se habla de la optimización de la misma y la eliminación de armónicos hace parte importante de los dos, como fue mencionado este modelo de drive no es un modelo regenerativo pero es un modelo que por sus características de trabajo, con un rango de potencia de 5.5 a 110 kW y un control de torque directo, que funciona con los protocolos dados por el usuario

Fig. 29. Onda de voltaje.

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Fig. 30. Onda de corriente.

Fig. 31. Armónicos presentes en la medición.

Fig. 32. Diagrama de armónicos en magnitud..

Fig. 33. Diagrama fasorial de los armónicos.

Fig. 34. Características de corriente.

Fig. 35. Características tensión.

Fig. 36. Características de potencia.

En el anexo 3 se puede encontrar la información relacionada con lo mencionado anteriormente en la tercera prueba con medición directa en la carga.


p=V∗Ip=220∗3.970

p=873.4 W

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III. CONCLUSIONES

REFERENCIAS

[1] Universidad de Cantabria – Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica – DOCUMENTACIÓN DE LAS PRÁCTICAS DE LABORATORIOS - Máquinas Asincrónicas o de Inducción pp. 2.

[2] Siemens, “Sirius 3RW44 soft starters manual”, 2005, disponible en : http://nw.automation.wesco.com/sites/default/files/Siemens%203RW44%20SoftStart%20manual.pdf

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Anexo 1

Fig. 37. Gráfico de eventos, voltaje RMS arriba y forma de onda de corriente y tensión.

Fig. 38. Gráfico de voltaje arriba, y forma de onda de tensión.

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Fig. 38. Gráfico de armónicos arriba, forma de onda de corriente.

Fig. 39. Diagrama fasorial de los armónicos en el evento 28 comprobando que cada evento tenía un armónico asociado.

Fig. 40. Tabla DMM.

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Fig. 41. Diagrama de barras de los armónicos.

Fig. 42. Lista de valores de los armónicos de tensión y THD.

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Fig. 43. Lista de valores de los armónicos de corriente y THD.

Fig. 44. Diagrama de barras de armónicos.

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Anexo 2

Fig. 45. Gráfico de eventos, voltaje arriba y forma de onda de corriente y tensión.

Fig. 46. Gráfico de armónicos, y forma de onda de tensión.

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Fig. 47. Gráfico de Tensión RMS, y forma de onda de corriente.

Fig. 48. Diagrama fasorial comparativo del primer armónico y el resto de eventos.

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Fig. 49. Tabla DMM con valores de THD.

Fig. 50. Gráfico de barras de los armónicos..

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Fig. 51. Lita de armónicos de tensión y THD.

Fig. 52. Lista de armónicos de corriente y THD.

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Anexo 3

Fig. 53. Gráfico de eventos, voltaje RMS arriba y forma de onda de corriente y tensión.

Fig. 54. Gráfico de voltaje arriba y forma de onda de tensión.

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Fig. 55. Gráfico de armónicos y forma de onda de corriente.

Fig. 56. Diagrama fasorial comparativo del primer armónico y el resto de eventos.

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Fig. 57. Tabla DMM.

Fig. 58. Diagrama de arras de los armónicos.

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Fig. 59. Lista de armónicos de tensión y THD.

Fig. 60. Lista de armónicos de corriente y THD.

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