MX2013015277A - Arrancador para motores trifásicos usando devanados en paralelo y capacitores. - Google Patents

Abstract

El objeto del presente invento es la provisión de un arrancador a los motores trifásicos de inducción, tal que permita a esos motores arrancar con una menor corriente de arranque, utilizando un banco de capacitores trifásico y un motor trifásico de inducción con dos devanados trifásicos idénticos montados en el mismo estator en posición anti-paralela, que permite reducir la corriente de arranque del motor. El factor de potencia típico de motores de inducción trifásicos se encuentra entre el 70% al 85%, por lo tanto, utilizando el arrancador propuesto, se corrige de manera sustancial el factor de potencia, siendo un beneficio importante tanto para el usuario como para la compañía suministradora de energía eléctrica.

Description

ARRANCADOR PARA MOTORES TRIFÁSICOS USANDO DEVANADOS EN PARALELO Y CAPACITORES.

DESCRIPCIÓN OBJETO DE LA INVENCIÓN El objeto del presente invento es la provisión de un arrancador a los motores trifásicos de inducción, tal que permita a esos motores arrancar con una menor corriente de arranque, utilizando un banco de capacitores trifásico y un motor trifásico de inducción con dos devanados trifásicos idénticos montados en el mismo estator en posición anti-paralela, que permite reducir la corriente de arranque del motor. Para el funcionamiento del arrancador propuesto se tienen como objeto, el de conectar un banco de capacitores trifásico en serie con uno de los devanados trifásicos montados en el estator del motor y el de conectar el segundo devanado trifásico en paralelo con el primer devanado, el cual está conectado en serie con los capacitores. Por lo tanto, el banco de capacitores trifásico se encuentra conectado permanentemente durante cualquier operación del motor, ya sea arrancando o a cualquier porcentaje de la carga nominal, lo que conlleva a que el usuario no utilice ningún dispositivo de desconexión en los capacitores como interruptores electromagnéticos, temporizadores o cualquier otro dispositivo electrónico o electromecánico utilizado comúnmente en control de arranque de motores trifásicos, haciendo así al arrancador propuesto más barato que los convencionales.

ANTECEDENTES Hoy en día, los motores trifásicos de inducción son ampliamente usados en la industria, agricultura, bombeo de agua y minería entre otras aplicaciones. Lo anterior se debe a que dichos motores tienen un bajo costo, requieren poco mantenimiento, son robustos y tienen una alta eficiencia. Sin embargo, los motores trifásicos de inducción tienen una corriente de arranque alta, y esta representa un problema que es bien conocido tanto para las compañías suministradoras de energía eléctrica como para los usuarios, cuando se usan motores de grandes potencias. Para reducir la corriente de arranque de estos motores, usualmente se arrancan mediante dos maneras: con arrancadores electromecánicos y con arrancadores electrónicos. Los arrancadores electromecánicos más populares para arrancar motores trifásicos de gran potencia son: el arrancador estrella-delta, arrancador a tensión reducida con un auto-transformador, arrancador con motor de devanado partido y el arrancador con un banco de capacitores en paralelo con el motor. Los arrancadores electrónicos también pueden ser clasificados de dos maneras, los de tensión variable llamados arrancadores suaves y los variadores de frecuencia.

El arrancador estrella-delta, cambia la conexión estrella a delta cuando el motor ha alcanzado aproximadamente el 80% de su velocidad nominal. Este arrancador usa interruptores electromagnéticos y temporizadores para cambiar de conexión estrella a conexión delta. Durante la transición de conexión estrella a conexión delta, el motor deja de ser energizado por un instante debido al accionamiento de los interruptores electromagnéticos, esto causa un decaimiento en la velocidad. Cuando finalmente, el motor es nuevamente energizado, se presenta un transitorio en la corriente.

El arranque de un motor trifásico mediante tensión reducida es el arrancador más costoso de los arrancadores electromecánicos, debido a que este usa un auto-transformador, interruptores electromagnéticos y temporizadores. Este sistema trabaja con el mismo principio que el arranque estrella-delta, el cual consiste en reducir la tensión de fase en cada devanado del motor, para así reducir la corriente de arranque. Al reducir la tensión, el par electromagnético entregado por el motor a la carga también es reducido, pero al cuadrado de la reducción de la tensión.

El arrancador con motor de devanado partido también es un sistema electromecánico para arrancar motores trifásicos, donde la tensión nominal es aplicada a la mitad del devanado del motor. Este arrancador usa pocos interruptores electromagnéticos y temporizadores, en comparación con los arrancadores estrella-delta y tensión reducida con auto-transformador. En este sistema la otra mitad del devanado es energizada cuando el motor a ha alcanzado aproximadamente el 80% de su velocidad nominal, logrando obtener un par de arranque mayor que el desarrollado con el arrancador estrella-delta y auto-transformador.

El arrancador basado en un banco de capacitores en conexión paralela con el motor, es menos usual que los arrancadores electromecánicos mencionados anteriormente. En este arrancador el banco de capacitores es especialmente seleccionado para cancelar la corriente reactiva inductiva de arranque del motor. Por lo anterior, la corriente equivalente que se demanda de la red es menor. En este sistema los capacitores deben ser desconectados cuando el motor está cerca de su velocidad nominal. Por lo tanto, la desconexión de los capacitores se lleva a cabo mediante interruptores electromagnéticos y temporizadores. Actualmente, los arrancadores electrónicos para arrancar motores trifásicos son ampliamente investigados, con el fin de reducir la corriente de arranque y mejorar las características del par de arranque. Los arrancadores a tensión variable o arrancadores suaves, usan componentes electrónicos de potencia para controlar la tensión de fase del motor. Existen varias configuraciones de arrancadores suaves, en donde se usan diferentes componentes electrónicos de potencia e incluso transformadores. Estos arrancadores ofrecen un mejor control de la corriente de arranque y requieren menor mantenimiento que los arrancadores electromecánicos. Los arrancadores suaves son más costosos que los electromecánicos, además de que al reducir la tensión de fase del motor, el par electromagnético es reducido al cuadrado de la reducción de la tensión, y existe una generación elevada de armónicos.

Los variadores de frecuencia usados para arrancar motores trifásicos ofrecen las mejores características de arranque. Estos arrancadores basados en la variación de la frecuencia eléctrica, pueden mantener el par electromagnético y la corriente del motor al valor nominal durante todo el proceso de aceleración del motor. Estos arrancadores usan componentes electrónicos de potencia y téenicas avanzadas de modulación frecuencia, esto lo convierte e en uno de los arrancadores más costosos entre los arrancadores electromecánicos y electrónicos para arrancar motores trifásicos.

El presente invento no utiliza componentes electromecánicos o electrónicos para arrancar motores trifásicos, en vez de estos componentes se utiliza solamente un banco de capacitores trifásico conectado al motor. En el presente invento, el motor tiene un devanado especial, el cual está compuesto de dos devanados trifásicos idénticos montados en antiparalelo en el mismo estator. El banco de capacitores está permanentemente conectado en conexión serie con las terminales de uno de los devanados del estator y estos a su vez conectados con el segundo devanado en forma paralela. Por lo tanto, no es necesario usar interruptores electromagnéticos ni temporizadores en el proceso de arranque del motor. Esto hace que el arrancador propuesto sea menos costoso que los anteriormente mencionados, ya que solo se tienen que utilizar un banco de capacitores trifásico. Motores que usan capacitores entre sus devanados, similar al presente invento, pueden referenciarse 5 con la patente estadounidense US4446416, y las patentes internacionales W02003044928 y WO2013048932.

En la patente US4446416, se tiene un motor trifásico con dos devanados (principal y auxiliar) trifásicos montados en el mismo estator. El devanado auxiliar se encuentra desplazado 120 grados eléctricos con respecto al devanado principal, además de que tiene 10 una polaridad inversa a la del devanado principal. El devanado principal tiene capacitores conectados en serie en sus terminales. El circuito serie formado por el devanado principal y los capacitores, se conecta en paralelo con el devanado auxiliar, y estos a su vez a la fuente de alimentación trifásica. El devanado auxiliar está hecho con un número de vueltas mucho mayor y un alambre mucho más delgado que el devanado principal con el objeto de 15 incrementar la reactancia inductiva, por lo tanto el devanado auxiliar y principal no son simétricos entre ellos. El propósito de esta invención (US4446416) fue mejorar la eficiencia del motor trifásico en comparación con el funcionamiento de un motor estándar, observándose que la mejora de la eficiencia no fue significativa, además de que para arrancar el motor se requiere un segundo capacitor en paralelo con el primero y en serie con 20 un interruptor centrifugo.

La patente internacional W02003044928, trata sobre la mejora de la eficiencia en los motores trifásicos de inducción, y consiste en una pluralidad de devanados en paralelo con su fase correspondiente. Los devanados tienen derivaciones o terminales que se encuentran principalmente al 64% del devanado. Ciertos capacitores se conectan en paralelo con los devanados por medio de las derivaciones. La configuración puede ser en conexión estrella o conexión delta, con diferentes capacitores conectados en paralelo a través de las derivaciones en los devanados. La patente (W02003044928) no demuestra que la eficiencia del motor en realidad se mejora.

La patente WO2013048932, está relacionada con la mejora de la eficiencia de los motores trifásicos de inducción. Este invento consiste un motor trifásico de inducción con dos de vanados trifásicos (principal y auxiliar) montados en el estator. Ambos devanados cuentan principalmente con la misma cantidad de vueltas y la misma polaridad, pero con un desplazamiento de entre 60 a 120 grados eléctricos (el desplazamiento depende de la constmcción del estator principalmente del número de ranuras), preferencialmente 90 grados eléctricos. El devanado auxiliar tiene capacitores en serie en sus terminales, conectándose en paralelo con el devanado principal. Tanto el devanado principal como el auxiliar se conectan a la fuente de tensión trifásica, con su fase correspondiente. La mejora de la eficiencia no es significativa con respecto a un motor estándar, siendo alrededor del 1% de incremento según los resultados mostrados en esta patente.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS La figura 1 es un diagrama esquemático del arrancador propuesto en un motor en conexión estrella, en donde se muestran los dos devanados trifásicos en anti-paralelo.

La figura 2 muestra un diagrama esquemático del arrancador propuesto en conexión delta, en donde se presentan los dos devanados del motor en una configuración en anti-paralelo en forma de delta.

La figura 3 muestra una gráfica del par contra la velocidad dado en porcentajes del par de arranque del motor en configuración convencional, en donde son descritas dos curvas.

La figura 4 muestra una gráfica de la corriente de línea contra la velocidad dada en porcentajes de la corriente de arranque del motor en configuración convencional, en donde son descritas dos curvas.

La figura 5 muestra una gráfica de la eficiencia contra la potencia de salida del motor dado en porcentajes, en donde son descritas dos curvas.

La figura 6 muestra una gráfica del factor de potencia contra la potencia de salida del motor dado en porcentajes, en donde se describen dos curvas.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La presente invención es un arrancador para motores trifásicos usando devanados en paralelo y capacitores, tanto en conexión estrella como en conexión delta, lo cual tiene un funcionamiento igual del motor en ambas conexiones. Tanto en la conexión estrella como en la conexión delta, se tiene un motor trifásico con el devanado trifásico original modificado, el cual resulta en dos devanados trifásicos montados en el mismo estator en anti-paralelo; cada devanado trifásico está conformado por tres devanados monofásicos, por lo tanto el motor ahora cuenta con seis devanados monofásicos montados en su estator (4-9). La polaridad de los devanados montados se distingue por las marcas de polaridad o punto negro en el extremo de la bobina que indica la entrada de la corriente (13) como se muestra en los diagramas de las Figuras 1 y 2; cada devanado montado es la mitad del devanado original con referencia al material sólido con el que se construye el devanado final, preferentemente de cobre o aluminio. Uno de los devanados trifásicos montados (7-9) se conecta en serie con un banco de capacitores (10-12), respectivamente, formando un circuito en serie. El circuito serie formado por el banco de capacitores (10-12) y el devanado trifásico montado (7-9) (Figs. 1 y 2), se conecta a una fuente de tensión trifásica (1-3), así como tambien el otro devanado trifásico montado (4-6). La fuente de tensión trifásica (1-3) está compuesta de tres fuentes monofásicas de tensión (1), (2) y (3), así como se muestra en las figuras 1 y 2. En el caso de motores en conexión estrella como se muestra en la figura 1, los terminales del banco de capacitores (10-12) que quedan libres, se conectan en un punto en común o punto neutro típico de la conexión estrella. También los terminales del devanado montado (4-6) que no se conectan a la fuente de tensión trifásica (1-3), se conectan en un punto común o punto neutro. En la figura 1, se muestran las conexiones de los devanados montados para un motor en conexión estrella con la fuente de tensión trifásica, que en este caso se muestran las siguientes conexiones: el devanado monofásico montado (4) es conectado a la fuente de tensión monofásica (2), el devanado monofásico montado (7) es conectado a la fuente de tensión monofásica (1), el devanado monofásico montado (5) se conecta a la fuente de tensión monofásica (1), el devanado monofásico montado (8) se conecta a la fuente de tensión monofásica (3), el devanado monofásico montado (6) se conecta a la fuente de tensión monofásica (3), y el devanado monofásico montado (9) se conecta a la fuente de tensión monofásica (2). Para motores conectados en delta las conexiones individuales del devanado trifásico con la fuente de tensión trifásica son las siguientes: el devanado monofásico montado (4) se conecta a las fuentes de tensión monofásicas (2) y (3), el devanado monofásico montado (5) se conecta a las fuentes de tensión monofásicas (1) y (2), el devanado monofásico montado (6) es conectado a las fuentes de tensión monofásicas (1) y (3), el circuito serie formado por el devanado monofásico montado (7) y el capacitor (10) se conecta a las fuentes de tensión monofásicas (2) y (1), el circuito serie formado por el devanado monofásico montado (8) y el capacitor (11) se conecta a las fuentes de tensión monofásicas (1) y (3), y el circuito serie formado por el devanado monofásico montado (9) y el capacitor (12) se conecta a las fuentes de tensión monofásicas (3) y (2).

EJEMPLO 1. FUNCIONAMIENTO PREFERENCIAL DE LA INVENCIÓN El funcionamiento de un motor trifásico con el arrancador propuesto, tanto en conexión estrella como en delta, tiene el mismo comportamiento. Las figuras 3, 4, 5 y 6 muestran la comparación entre la operación de un motor trifásico de inducción con el arrancador propuesto y la operación del mismo motor con un arranque convencional o alimentado directamente de la fuente de tensión trifásica. Los resultados mostrados en las gráficas de las figuras 3, 4, 5, y 6, fueron obtenidos mediante simulaciones hechas a un modelo de elemento finito en 2 dimensiones de un motor trifásico de inducción. El par electromagnético desarrollado por el motor con el arrancador propuesto (15) mostrado en la figura 3, es alrededor del 50% del par de arranque (14) del mismo motor pero con un devanado convencional. Este comportamiento se debe a que la corriente de arranque (17) del motor con el arrancador propuesto mostrada en la figura 4, es menor que la corriente de arranque del motor en forma convencional (16). La corriente de arranque en la línea del motor con el arrancador propuesto (17) es alrededor del 60% de la corriente del motor en funcionamiento convencional (16). El hecho de que la corriente de arranque sea menor, es debido a que en el devanado trifásico montado (7-9) circula una corriente de arranque muy pequeña, mientras que en el devanado trifásico montado (4-6), la corriente es muy alta alrededor del 55% del la corriente que consume el motor sin el sistema de arranque propuesto. La corriente en el devanado trifásico montado (7-9) es pequeña en el arranque, y se debe a que la impedancia del banco de capacitores (10-12) es alta en comparación con la de este devanado montado. De esta manera la corriente de arranque proporcionada por la fuente trifásica, utilizando el arrancador propuesto (17), es de alrededor del 60% de la corriente que consumiría el motor si se arrancara de forma convencional (16), ya que la corriente se suma de manera fasorial entre los devanados trifásico montados (4-6) y (7-9).

EJEMPLO 2. CALCULOS PARA ENCONTRAR EL VALOR DE LA CAPACIDAD DEL BANCO DE CAP ACIT ADORES TRIFÁSICO.

El valor de la capacitancia del banco de capacitores trifásico, se calcula a partir del conocimiento de la corriente nominal del motor en funcionamiento convencional. El valor del capacitor se calcula utilizando la mitad del valor de esta comente nominal, la tensión de fase y la frecuencia de la red eléctrica, obteniendo así un valor dado en Faradios. El valor obtenido de capacitancia debe permitir al motor tener corrientes simétricas entre los devanados trifásicos montados (4-6) y (7-9), cuando éste opera a plena carga. El valor de capacitancia calculada, también debe hacer que las corrientes en los devanados tengan una magnitud igual a la de la mitad de la corriente de línea que tendría el motor sin el arrancador propuesto operando a carga nominal. Cuando las corrientes son simétricas y balanceadas, se logra que la eficiencia del motor con el sistema de arranque propuesto (19) operando al 100 % de la carga, sea la misma que la eficiencia del motor (18) funcionando de manera convencional, así como se muestra en la figura 5. Esta igualdad en la eficiencia se debe, a que las corrientes en los devanados son simétricas y balanceadas, gracias a los valores correctos de capacitancia, creándose así un campo magnético giratorio similar al creado por las corrientes trifásicas de un motor trifásico convencional. El campo magnético giratorio producido por las corrientes trifásicas en el devanado trifásico montado (7-9) se suma con el campo magnético del devanado trifásico montado (4-6) en el espacio y en el tiempo, logrando así que la magnitud del campo magnético resultante sea el doble que el de cada devanado montado. El hecho de que el campo magnético resultante sea el doble que el de los devanados trifásicos montados (4-6) y (7-9), se debe a que el devanado trifásico montado (7-9) se encuentra alimentado por fuentes de tensión en diferente orden que el devanado trifásico montado (4-6), y además se encuentra conectado en serie con el banco de capacitores (10-12). Los capacitores crean un desfasamiento en las corrientes (en adelanto) en el devanado trifásico montado (7-9), pero como el devanado trifásico montado (7-9) se encuentra alimentado por fuentes de tensión en un orden diferente que las del devanado trifásico montado (4-6) de manera estratégica, el campo magnético giratorio producido por este devanado, estará en fase en el espacio y en el tiempo con el campo magnético giratorio producido por el devanado trifásico montado (4-6). De esta manera se consigue que el campo magnético giratorio producido utilizando el sistema de arranque propuesto, tenga la misma magnitud que el campo magnético giratorio producido por el mismo motor con el devanado convencional.

EJEMPLO 3. VALORES DE FACTOR DE POTENCIA DEL MOTOR TRIFASICO UTILIZANDO LA PRESENTE INVENCIÓN.

El factor de potencia del motor utilizando el arrancador propuesto (21) es muy cercano a la unidad, tal y como se muestra en la figura 6, mientras que el factor de potencia del motor operando de manera convencional tiene un factor de potencia bajo (20). El factor de potencia típico de motores de inducción trifásicos se encuentra entre el 70% al 85%, por lo tanto, utilizando el arrancador propuesto, se corrige de manera sustancial el factor de potencia, siendo un beneficio importante tanto para el usuario como para la compañía suministradora de energía eléctrica.

Claims (3)

REIVINDICACIONES Habiendo descrito suficiente mi invención, considero como una novedad y por lo tanto reclamo como de mi exclusiva propiedad, lo contenido en las siguientes cláusulas:

1. Arrancador para motores trifásicos usando devanados en paralelo y capacitores, tanto en conexión estrella como en conexión delta, lo cual tiene un funcionamiento igual del motor en ambas conexiones; tanto en la conexión estrella como en la conexión delta, se tiene un motor trifásico con el devanado original modificado, el cual resulta en dos devanados trifásicos montados en el mismo estator en anti -paralelo y cada devanado trifásico esta conformado por tres devanados monofásicos, por lo tanto el motor ahora cuenta con seis devanados monofásicos montados en su estator; cada devanado trifásico montado es la mitad del devanado original con referencia al material sólido con el que se construye el devanado final, preferentemente de cobre o aluminio; uno de los devanados trifásicos montados se conecta en serie con un banco de capacitores, formando un circuito en serie; el circuito serie formado por el banco de capacitores y el devanado trifásico montado, se conecta a una fuente de tensión trifásica, así como también el otro devanado trifásico montado; la fuente de tensión trifásica está compuesta de tres fuentes de tensión monofásicas.

2. Arrancador para motores trifásicos usando devanados en paralelo y capacitores de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque en los motores en conexión estrella, los terminales del banco de capacitores que quedan libres, se conectan en un punto en común o punto neutro típico de la conexión estrella; también los terminales del devanado trifásico montado que no se conectan a la fuente de tensión trifásica, se conectan en un punto común o punto neutro; el primer devanado monofásico montado es conectado a la segunda fuente de tensión monofásica, el cuarto devanado monofásico montado es conectado a la primer fuente de tensión monofásica, el segundo devanado monofásico montado se conecta a la primer fuente de tensión monofásica, el quinto devanado monofásico montado se conecta a la tercer fuente de tensión monofásica, el tercer devanado monofásico montado se conecta a la tercer fuente tensión monofásica, y el sexto devanado monofásico montado se conecta a la segunda fuente de tensión monofásica.

3. Arrancador para motores trifásicos usando devanados en paralelo y capacitores de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque en los motores conectados en delta las conexiones individuales del devanado trifásico montado y la fuente de tensión trifásica son: el primer devanado monofásico montado se conecta a la segunda y tercera fuente de tensión monofásica, el segundo devanado monofásico montado se conecta a la primera y segunda fuente de tensión monofásica, el tercer devanado monofásico montado es conectado a la primera y tercera fuente de tensión monofásica, el circuito serie formado por el cuarto devanado monofásico montado y uno de los capacitores se conecta a la primera y segunda fuente de tensión monofásicas, el circuito serie formado por el quinto devanado monofásico montado y otro de los capacitores se conecta a la primera y tercera fuente de tensión monofásica, y el circuito serie formado por el sexto devanado monofásico montado y otro más de los capacitores se conecta a la tercera y segunda fuente de tensión monofásicas.