estrella-triángulo - Power Electronics
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ARRANCADOR V5
COMPARATIVA FRENTE AL ARRANQUE ESTRELLA – TRIÁNGULO
Arrancador V5
COMPARATIVA CON ARRANQUE ESTRELLA - TRIÁNGULO
SUMARIO – PARTE 1
1. Principios de funcionamiento de los
motores de jaula de ardilla.
2. Principios de control en los motores
de inducción.
3. Circuito equivalente de un motor:
transformador.
4. Corrientes en un motor.
5. Circuito equivalente de un motor: circuito eléctrico por fase.
6. Relación corriente – velocidad.
7. Relación corriente – velocidad. Arranque directo.
8. Reducción de la tensión de entrada.
9. Relación Par – Velocidad.
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SUMARIO – PARTE 2
10. Tipos de arranque tradicionales.
11. Problemas del arranque de un
motor.
12. Conexión arranque directo.
13. Característica corriente – velocidad.
Arranque directo.
14. Conexión arranque estrella – triángulo.
15. Característica corriente – velocidad. Arranque estrella – triángulo.
16. Objetivos.
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SUMARIO – PARTE 3
17. Arrancadores estáticos de Power
Electronics.
18. Principios de los Arrancadores
Estáticos.
19. Método de arranque: Rampa de
Tensión.
20. Método de arranque: Corriente
constante.
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SUMARIO – PARTE 4
21. Comparación distintas formas de
arranque: Datos.
22. Comparación distintas formas de
arranque: Ventajas.
23. Comparación distintas formas de
arranque: Inconvenientes.
24. Comparación distintas formas de arranque: Aplicaciones y Costos.
25. Comparación protecciones.
26. Ventajas adicionales.
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SUMARIO – PARTE 5 Y PARTE 6
27. Análisis comparativo práctico.
28. Análisis con par resistente del 15%.
29. Análisis con par resistente del 25%.
30. Análisis con par resistente del 35%.
31. Resumen del análisis comparativo.
32. Tensión en una bobina del motor.
33. Análisis comparativo total.
34. Conclusiones finales.
PARTE 6
35. La Serie V5
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1
Motores de inducción
PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO
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1. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE LOS MOTORES DE JAULA DE ARDILLA
» El motor de inducción, asíncrono o de jaula de ardilla,
está formado por dos partes:
» El estátor.
» El rotor (fijado a un eje).
» Sección motor
» Sección motor
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2. PRINCIPIOS DE CONTROL EN LOS MOTORES DE INDUCCIÓN
» El rotor se construye con barras cortocircuitadas por
medio de anillos en los extremos, formando la denominada
jaula de ardilla.
» Construcción motor
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2. PRINCIPIOS DE CONTROL EN LOS MOTORES DE INDUCCIÓN
Conectándolo a una fuente de alimentación trifásica, en el
estátor se genera un campo magnético giratorio (flujo).
Esto es debido a:
» La disposición física de los devanados del estátor:
3 bobinas separadas 120º físicos.
» La corriente en estos devanados está desfasada
120º eléctricos.
» Líneas de flujo
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2. PRINCIPIOS DE CONTROL EN LOS MOTORES DE INDUCCIÓN
» Las líneas de flujo (flechas) inducen unas corrientes en
las barras del rótor.
» Cuando sobre un conductor por el que circula una
corriente, actúa un campo magnético, la resultante es una
fuerza que origina el par y por tanto la rotación del rotor.
CAMPO
GIRATORIO
» Campo giratorio
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3. CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN MOTOR: TRANSFORMADOR
» El circuito equivalente de un motor se puede entender
como un transformador.
IM: Corriente de Magnetización.
Corriente “imaginaria” que circula por el
estator. Responsable del flujo del motor.
IR: Corriente de Rotor.
Corriente “real” que circula por el rotor,
generadora de par. Aumenta con la
carga del motor.
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4. CORRIENTES EN UN MOTOR
» Controlando la tensión aplicada en el estátor
» Con el aumento de la velocidad del motor, el
(E1) se puede controlar la corriente de
magnetización (IM) y por tanto el flujo.
deslizamiento (S) disminuye, y la frecuencia
relativa también. Entonces el cosφR mejora, la
inductancia de pérdidas disminuye, e Ir
disminuye.
IM
E1
2· · f ·LS
Ir
E2 .S
R 2 r ( X 2 ·S )2
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5. CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN MOTOR: CIRCUITO ELÉCTRICO POR FASE
» El circuito equivalente de un motor en cada fase también
se puede simplificar de la siguiente forma:
Inductancia Magnética
Resistencia de Carga.
Si S entonces R
» El deslizamiento en un motor es función de la velocidad:
s
nS nR
%
nS
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6. RELACIÓN CORRIENTE – VELOCIDAD
» En el momento del arranque el motor se comporta como un transformador con el secundario en
cortocircuito. Ir aumenta porque equivale a una corriente de cortocircuito.
Ir ( 7 -10 )xIn
» Con el aumento de la velocidad del rotor cosφR mejora y por tanto Ir decrece
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7. RELACIÓN CORRIENTE – VELOCIDAD. ARRANQUE DIRECTO
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7. RELACIÓN CORRIENTE – VELOCIDAD. ARRANQUE DIRECTO
» En ningún caso se alcanza s=0. Si eso sucediese el motor perdería la capacidad de generar par.
» La corriente nominal se alcanza antes de llegar a s=0.
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8. REDUCCIÓN DE LA TENSIÓN DE ENTRADA
» Se puede demostrar que:
» Si la tensión de entrada (E1) varía, entonces el par (T) varía con el cuadrado de la misma.
» En el arranque, el par es proporcional al cuadrado de la tensión de entrada.
T E1²
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9. RELACIÓN PAR – VELOCIDAD
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9. RELACIÓN PAR – VELOCIDAD
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Tipos de Arranques
PROBLEMAS Y OBJETIVOS
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10. TIPOS DE ARRANQUE TRADICIONALES
» Existen distintos tipos de arranque para un motor:
» Arranque directo.
» Arranque estrella triángulo.
» Arranque con resistencias estatóricas.
» Básicamente todos ellos presentan ciertos problemas.
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11. PROBLEMAS EN EL ARRANQUE DE UN MOTOR
» EXCESO DE PAR APLICADO: Aunque el par resistente inicial sea bajo, durante el arranque
directo se producen una serie de oscilaciones bruscas del par a medida que la velocidad aumenta.
Es básicamente un arranque incontrolado.
» Desventajas:
Shocks mecánicos.
Deslizamiento en las correas.
Stress en las trasmisiones.
Sobrepresiones.
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11. PROBLEMAS EN EL ARRANQUE DE UN MOTOR
» ENORME SOBRECORRIENTE: La corriente típica, en el momento del arranque, es entre 7 y 10
veces la corriente nominal. Esto es debido a que en el arranque el deslizamiento es máximo y el
motor se comporta como un transformador con el secundario en cortocircuito.
» Desventajas:
Caídas bruscas de tensión en líneas de poca capacidad.
Sobredimensionado de contactores.
Cálculo de fusibles adecuados.
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12. CONEXIÓN ARRANQUE DIRECTO
» FINALIDAD: El motor funciona desde el momento de conexión a sus valores nominales
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13. CARACTERÍSTICA CORRIENTE – VELOCIDAD. ARRANQUE DIRECTO
» RESULTADO: Elevada corriente de arranque. Arranque incontrolado.
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14. CONEXIÓN ARRANQUE ESTRELLA – TRIÁNGULO
» FINALIDAD: Reducir la intensidad de fase de arranque, aunque sea a costa de reducir el par.
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14. CONEXIÓN ARRANQUE ESTRELLA – TRIÁNGULO
» MOTOR: Es necesario que el motor tenga los bobinados del estátor accesibles y configurados
para un cableado doble.
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15. CARACTERÍSTICA CORRIENTE – VELOCIDAD. ARRANQUE ESTRELLA – TRIÁNGULO
» RESULTADO: Sobrecorrientes en la reconexión. Pérdida de alimentación. Arranque incontrolado.
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16. OBJETIVOS
» ARRANQUE MECÁNICO PERFECTO: Vencer el par inicial paulatinamente.
» CONTROLAR EL PAR DEL MOTOR: Para controlar la aceleración del motor.
» CONTROL DEL PARO: Decelerar de forma controlada.
» MANTENIMIENTO: Ahorro en operaciones de mantenimiento de las instalaciones.
» LIMITAR LA CORRIENTE DE ARRANQUE: Para no afectar a la red de suministro.
» SANCIONES: Evitar penalizaciones por puntas de corriente que excedan la potencia contratada.
Se puede conseguir ahorro en las facturas.
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3
Arrancadores estáticos de Power Electronics
PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO
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17. ARRANCADORES ESTÁTICOS DE POWER ELECTRÓNICS
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18. PRINCIPIOS DE LOS ARRANCADORES ESTÁTICOS
» El principio de los arrancadores estáticos es el denominado: CONTROL DE FASE.
» Controlando el instante de disparo de los tiristores se controla el valor de la tensión eficaz
aplicada a la carga.
» Con la conexión en antiparalelo de dos tiristores se puede controlar tensiones alternas y controlar
semiciclos positivos y negativos.
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18. PRINCIPIOS DE LOS ARRANCADORES ESTÁTICOS
» Conexión de tiristores en antiparalelo.
» Tensión eficaz aplicada a la carga.
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19. MÉTODO DE ARRANQUE: RAMPA DE TENSIÓN
» La rampa de tensión es un método de arranque en el que se aumenta progresivamente la tensión
aplicada al motor:
No existe desconexión de alimentación.
El nivel de tensión inicial es ajustable.
Se puede ajustar el tiempo.
También se puede controlar la parada del motor.
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20. MÉTODO DE ARRANQUE: CORRIENTE CONSTANTE
» La corriente se fija a un valor determinado en función de la aplicación, por ejemplo (Ia=3xIn).
Al principio la corriente se incrementa hasta alcanzar dicho valor.
En este punto, el algoritmo de control no deja que la corriente disminuya.
Para ello va incrementando la tensión de modo que se pasa de una curva a otra
manteniendo la corriente constante durante el arranque.
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20. MÉTODO DE ARRANQUE: CORRIENTE CONSTANTE
» La corriente se fija a un valor determinado en función de la aplicación, por ejemplo (Ia=3xIn).
Al principio la corriente se incrementa hasta alcanzar dicho valor.
En este punto, el algoritmo de control no deja que la corriente disminuya.
Para ello va incrementando la tensión de modo que se pasa de una curva a otra
manteniendo la corriente constante durante el arranque.
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Arranque de motores
COMPARACIÓN DISTINTAS FORMAS DE
ARRANQUE
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21. COMPARACIÓN DISTINTAS FORMAS DE ARRANQUE: DATOS
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22. COMPARACIÓN DISTINTAS FORMAS DE ARRANQUE: VENTAJAS
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23. COMPARACIÓN DISTINTAS FORMAS DE ARRANQUE: DESVENTAJAS
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24. COMPARACIÓN DISTINTAS FORMAS DE ARRANQUE: APLICACIONES Y COSTOS
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25. COMPARACIÓN PROTECCIONES
ARRANCADOR
» FALTA DE FASE:
Se controla si una o varias fases de entrada no
suministran tensión al arrancador para parar.
ESTRELLA – TRIÁNGULO
» FALTA DE FASE:
No se puede controlar. Problemas de
estabilidad y para generar par. El motor se
quema si la protección no está bien diseñada.
» SECUENCIA DE FASES:
Se detecta si la secuencia correcta (R-S-T)
para que el motor gire según las agujas del
reloj, está o no cambiada.
» SECUENCIA DE FASES:
Si está cambiada, el motor gira en sentido
contrario. Peligro para la aplicación. Sucede
después de operaciones de mantenimiento por
error en contactor.
» DESEQUILIBRIO ENTRE FASES:
Se controla si hay un desequilibrio en el
consumo de corriente entre fases mayor al
40%
» DESEQUILIBRIO ENTRE FASES:
No se puede controlar. Si se trabaja con
corrientes asimétricas, se producen
vibraciones y con el tiempo problemas
mecánicos.
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25. COMPARACIÓN PROTECCIONES
ARRANCADOR
» SOBRECARGA MOTOR:
Se ha detectado un consumo de corriente
excesivo. Durante el arranque puede ser
debido a un problema mecánico. En régimen
nominal, puede ser por problemas de ajustes o
por variaciones en la carga. Existe un aviso
para esta señal que permite ser muy preciso
en el ajuste.
» SUBCARGA MOTOR:
Se ha detectado un consumo de corriente
inferior al ajustado. Está pensado para
proteger la aplicación. (Por ejemplo, bombas
sumergidas).
ESTRELLA – TRIÁNGULO
» SOBRECARGA MOTOR:
No se detecta un consumo de corriente
excesivo. El ajuste es muy impreciso. A medio
largo plazo se acaba dañando.
» SUBCARGA MOTOR:
No se puede detectar.
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25. COMPARACIÓN PROTECCIONES
ARRANCADOR
» SOBREINTENSIDAD:
La corriente que ha circulado por el arrancador
el 6 veces la intensidad nominal del equipo. El
rotor puede estar bloqueado. Existe
información del momento del fallo: arranque,
régimen nominal o deceleración. Rápida
actuación.
» SOBRETEMPERATURA PTC MOTOR:
Disparo por PTC del motor. Sobretemperatura
del motor.
ESTRELLA – TRIÁNGULO
» SOBREINTENSIDAD:
Existe protección contra sobrecorriente, pero
no existe información del momento en el que
se produce. Reintentos de arranque y
problemas para el motor.
» SOBRETEMPERATURA PTC MOTOR:
Disparo por PTC del motor. Para detectar esto
se necesita un hardware adicional, lo que
incrementa el costo.
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25. COMPARACIÓN PROTECCIONES
ARRANCADOR
» CORRIENTE DE SHEARPIN:
La corriente del motor ha alcanzado el valor
mayor ajustado en régimen nominal. El rotor
puede estar bloqueado mecánicamente o
puede haber un fallo mecánico. Protege la
mecánica delicada.
ESTRELLA – TRIÁNGULO
» CORRIENTE DE SHEARPIN:
No existe.
» ALTA TENSIÓN DE ENTRADA:
Voltaje de red elevado. Verificar las tensiones
de línea y los parámetros.
» ALTA TENSIÓN DE ENTRADA:
Si la tensión de red es elevada, puede trabajar,
pero si la situación permanece, habrá una
pérdida de aislamiento.
» BAJA TENSIÓN DE ENTRADA:
Voltaje de red bajo. Verificar las tensiones de
línea y los parámetros. Ofrece un servicio al
entrono de protección adicional: protección de
armarios de mando.
» BAJA TENSIÓN DE ENTRADA:
Voltaje de red bajo. La corriente se incrementa.
Si las protecciones no están bien diseñadas el
motor se puede quemar.
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COMPARATIVA CON ARRANQUE ESTRELLA - TRIÁNGULO
26. VENTAJAS ADICIONALES
» CONTROL DINÁMICO DE PAR:
La serie V5 incorpora un “Control Dinámico de
Par”, exclusivo de Power Electronics, que
asegura un arranque suave y progresivo en
aquellas aplicaciones que presentan un
momento de inercia elevado. Con este
algoritmo de control conseguiremos una
aceleración progresiva y una optimización de
la punta de corriente durante el arranque.
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COMPARATIVA CON ARRANQUE ESTRELLA - TRIÁNGULO
26. VENTAJAS ADICIONALES
» CONTROL DINÁMICO DE PAR:
• El par no está obligado a ajustarse a una
forma predeterminada: lineal o cuadrática.
• El par va incrementándose en tanto se
detecta que el motor no acelera.
• Tan pronto el motor acelera el para se
mantiene.
• Si se quiere llegar antes al final, la rampa
será más rápida.
• En ningún caso se está entregando más par
del que se necesita, con lo que no se está
perdiendo energía.
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26. VENTAJAS ADICIONALES
» TARJETA DE CONTROL ÚNICA PARA
TODAS LAS POTENCIAS:
• Se reduce el stock de repuestos.
• La resolución de averías es muy simple por la
unificación de la electrónica.
• Existen LEDS y DISPLAY de información
para el usuario que indica el tipo de avería.
» Tarjeta de control única
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5
Análisis práctico
CASO REAL
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Arrancador V5
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27. ANÁLISIS COMPARATIVO PRÁCTICO
» Simulación de las cargas de un ascensor.
» Comparación de comportamiento en el arranque.
» Problemas para el motor.
» Conclusiones.
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28. ANÁLISIS CON PAR RESISTENTE DEL 15%
» DATOS:
Par resistente = 15% del Par nominal.
» ESTRELLA-TRIÁNGULO:
Tiempo de conmutación: 3seg.
Velocidad: Aumenta progresivamente hasta
el 60% y en la conmutación cambia
bruscamente.
Corriente: aumento brusco de 1.3 a 4 veces
la In.
» ARRANCADOR:
Tiempo limitación corriente : 1seg.
Velocidad: Aumenta progresivamente hasta
el 100% sin cambiar bruscamente.
Corriente: Controlada por la limitación de 3
veces la In. Aproximadamente en 2 seg. llega
el final del arranque.
» Medida de señales
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29. ANÁLISIS CON PAR RESISTENTE DEL 25%
» DATOS:
Par resistente = 25% del Par nominal.
» ESTRELLA-TRIÁNGULO:
Tiempo de conmutación: 3seg.
Velocidad: Aumenta progresivamente hasta
el 20% y en la conmutación cambia
bruscamente.
Corriente: aumento brusco de 1.6 a 5 veces
la In.
» ARRANCADOR:
Tiempo limitación corriente : 1seg.
Velocidad: Aumenta progresivamente hasta
el 100% sin cambiar bruscamente.
Corriente: Controlada por la limitación de 3
veces la In. Aproximadamente en 2,5 seg.
llega el final del arranque.
» Medida de señales
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30. ANÁLISIS CON PAR RESISTENTE DEL 35%
» DATOS:
Par resistente = 35% del Par nominal.
» ESTRELLA-TRIÁNGULO:
Tiempo de conmutación: 3seg.
Velocidad: Se mantiene casi constante en
un 16% y en la conmutación cambia
bruscamente.
Corriente: aumento brusco de 1.5 a casi 5
veces la In.
» ARRANCADOR:
Tiempo limitación corriente : 1seg.
Velocidad: Aumenta progresivamente hasta
el 100% sin cambiar bruscamente.
Corriente: Controlada por la limitación de 3
veces la In. Aproximadamente en 3 seg. llega
el final del arranque.
» Medida de señales
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31. RESUMEN DEL ANÁLISIS COMPARATIVO
» Medida de señales
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32. TENSIÓN EN UNA BOBINA DEL MOTOR
» OBJETIVOS:
Ver tensiones en el momento del cambio de
estrella a triángulo.
» RESULTADO:
Momento de conmutación: Transitorio de
1700V pico a pico.
40ms después: Transitorio de 1400V pico a
pico.
» CONCLUSIÓN:
Primer transitorio debido a rebotes
mecánicos del contactor.
Segundo transitorio debido a que la tensión
del motor está en contra fase con la de la red.
» Medida de señales
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Arrancador V5
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33. ANÁLISIS COMPARATIVO TOTAL
» Con el incremento del par desde el 15% hasta el 35% del par nominal:
» La velocidad pasa del 60%, luego el 20% y el 16% con el par mayor: A MEDIDA QUE
AUMENTA EL PAR LA ESTRELLA TIENE PROBLEMAS PARA LANZAR EL MOTOR.
TIEMPO DE CONMUTACIÓN FIJO.
» La corriente sufre unos bruscos saltos que van desde 1,3-1,6 hasta 4-5 veces la
nominal: CAMBIO BRUSCO EN LA VELOCIDAD, CAMBIO BRUSCO DE PAR Y
CASTIGO DE LAS PARTES MECÁNICAS.
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Arrancador V5
COMPARATIVA CON ARRANQUE ESTRELLA - TRIÁNGULO
34. CONCLUSIONES FINALES
» La corriente de pico en el arranque a
igualdad de condiciones es SIEMPRE MEJOR
con ARRANCADOR.
» La corriente de pico en el arranque a
» Con un par resistente superior al 35% de par
nominal, el ARRANCADOR no tiene ningún
problema para lanzar el motor.
» Con un par resistente superior al 35% de par
nominal, la ESTRELLA-TRIÁNGULO se
comporta COMO un ARRANQUE DIRECTO,
porque durante la estrella el motor no es capaz
de acelerar.
» ACELERACIÓN PROGRESIVA con el uso
de ARRANCADOR: NO STRESS en las
transmisiones.
» ACELERACIÓN BRUSCA del motor con la
conmutación de ESTRELLA-TRIÁNGULO:
PROBLEMAS de fatiga mecánica.
igualdad de condiciones es SIEMPRE PEOR
con ESTRELLA - TRIÁNGULO.
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Arrancador V5
COMPARATIVA CON ARRANQUE ESTRELLA - TRIÁNGULO
34. CONCLUSIONES FINALES
» Si hay un ELEVADO número de
ARRANQUES, los TIRISTORES no tienen
limitada la vida por exceso de maniobras
debido a la AUSENCIA DE PARTES
MÓVILES.
» NO HAY MANTENIMIENTO PREVENTIVO,
porque no hay partes móviles.
» Si hay un ELEVADO número de
» FLEXIBILIDAD PARA AJUSTES DE
CORRIENTE MÁXIMA: evitamos caídas de
tensión que afecten al edificio donde están
instalados.
» NO SE PUEDE AJUSTAR LA CORRIENTE
MÁXIMA: tiempo de conmutación fijo, sin
saber a qué velocidad está el motor.
» CONFORT DE PASAJEROS: puesto que no
hay cambios bruscos, sino paulatinos.
» REDUCIDO CONFORT: existen cambios
bruscos en la conmutación.
ARRANQUES, con la configuración
ESTRELLA-TRIÁNGULO tendremos
PROBLEMAS.
» SI ES NECESARIO MANTENIMIENTO
PREVENTIVO (COSTO), por la vida media de
los elementos mecánicos de las maniobras.
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6
La Serie V5
ARRANCADORES DIGITALES
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Arrancador V5
COMPARATIVA CON ARRANQUE ESTRELLA - TRIÁNGULO
35. LA SERIE V5
» Visualizaciones mediante display en
castellano
» Display inteligente
» Protección de subcarga
» Amplio rango de tensiones
» Elementos de potencia modulares
» Tarjeta de control única
» Normativas internacionales y marcaje CE
» PROTECCIONES:
• Sobrecarga 0.8 a 1.2 In
• Tiempo actuación sobrecarga
• Subcarga 0.2 a 0.6 In
• Tiempo actuación subcarga
• Modo de corriente shearpin
• Corriente shearpin
• Termistor PTC
• Fallo de fase
• Desequilibrio de fases >40%
• Rotor bloqueado
61
Gracias por su atención
Presentación
ARRANCADOR V5.
Comparativa con Arranque Estrella – Triángulo
Realización
Pilar Navarro
Organización
Departamento de Marketing
www.power-electronics.com
©2006 Power Electronics España, S.L.