manual sistema electrotorque pala electrica cable 4100a pyh conversion motores control

ELECTRICIDAD MINA TOQUEPALA

ENTRENAMIENTO

ELECTROTORQUE

PALA 4100A

PREPARADO POR: M. LLAGUNO

Electrotorque

Electricidad Mina 2 M.LLaguno

OCTUBRE

INTRODUCCION

EL SISTEMA ELECTROTORQUE

La pala P&H 4100A, usa motores de Corriente continua para producir los 4

movimientos bsicos: Empuje (Crowd) 1 motor, Izar (Hoist) 2 motores, Giro (Swing) 2 motores y Avance (Propel) 2 motores. La alimentacin de Corriente continua de estos motores, es generada por medio de un Transformador principal y un grupo de puentes rectificadores Trifsicos a SCRs controlados electrnicamente. El conjunto de los puentes rectificadores y control electrnico es llamado Electrotorque. El ELECTROTORQUE, se encarga de suministrar la corriente continua que necesitan los motores DC tanto en sus respectivos Campos como en sus Armaduras de acuerdo a las seales de referencia (mando del operador) y de realimentacin de voltaje y corriente para controlar los movimientos de la pala, usando para ello un grupo de convertidores estticos (Rectificadores) Trifsicos a SCR, cuyo ngulo de disparo o conduccin es variado segn los requerimientos de potencia de los motores. Los Convertidores del Sistema Electrotorque son alimentados por un Transformador Principal con dos devanados Secundarios de 600 VAC cada uno; el sistema as constituido es un Variador de Potencia DC por Angulo de Conduccin, basado en el mtodo de la generacin de rampa y escaln para producir la variacin del ngulo de disparo.

Las regulaciones de tensin y corriente para los motores DC son hechas en las diferentes tarjetas electrnicas que conforman el control electrnico. Los mandos en la cabina del operador, establecen las seales de entrada o referencia para el control de movimientos de la pala segn la demanda de potencia requerida en ese momento.

Como segundo sistema tenemos que el control elctrico (Start, Stop, luces, ventiladores, etc.), la transferencia de movimientos, restricciones de funcionamiento (Boom Limit Switch, Hoist limit Switch, ladder limit Switch, etc.) y protecciones del sistema (Under voltage relay, phase sensing relay, ground fault relay, ground fault main transformer, etc.) son controladas a travs de un sistema PLC Allen-Bradley de la familia SLC-5/04 que se comunica con el Electrotorque, a travs de las tarjetas convertidoras de caracterstica y los mdulos de proteccin de este (Diverter, Diferencial de tensin, sobrecorriente, falla de SCR, etc.); para determinar el cambio de movimiento (y entonces encender el convertidor o puente rectificador respectivo a SCRs) o la condicin de paro o alarma en la mquina. La lubricacin de todos los

Electrotorque


puntos de engrase en la pala, tambin es controlada a travs de este PLC Allen-Bradley SLC-5/04 que trabaja verificando el cumplimiento de los ciclos de lubricacin y avisando a travs de alarmas de una falla en la secuencia.

El control de la potencia reactiva, producida por el trabajo de los puentes rectificadores y motores DC, es regulado a travs del sistema RPC o compensador de potencia reactiva integrado al sistema Electrotorque en el mismo panel que l; es un sistema electrnico que va agregando o retirando bancos de resistencias y condensadores a los secundarios del transformador principal, segn el factor de potencia en ese momento, con el objeto de acercar este valor a la unidad, para esto usa SCRs y diodos a manera de Switches electrnicos para conectar o retirar los

bancos, que son controlados por un grupo de tarjetas electrnicas, las cuales deben ser ajustadas por niveles segn un procedimiento de calibracin para el orden de ingreso y salida de los mismos. Hay una lgica de distribucin de componentes en toda la pala relacionada con su ubicacin y funcin dentro de la mquina, que se ve reflejada en la simplicidad de los diagramas tanto de montaje Elctricos y Mecnicos como de circuitos; lo que facilita encontrar cualquier sistema o componente rpidamente. Este curso ha sido dividido en 8 captulos, si bien es cierto, el manual es extenso, requerir que el tcnico lo lea completamente para tener un conocimiento aceptable del sistema. El Captulo 1, es una vista general de toda la Pala y todos sus sistemas importantes, muestra la simbologa que emplea el fabricante en sus diagramas elctricos y la relacin que existe entre cada Subsistema de acuerdo a la codificacin del fabricante. Tambin se hace un breve resumen de algunos dispositivos electrnicos importantes usados en las tarjetas de control. El Captulo 2, toca toda la teora referente a los Convertidores y los sistemas rectificadores de corriente AC-DC, da aplicaciones de ellos en los mismos sistemas de la Pala. El Captulo 3, estudia los Motores de Corriente continua y sus caractersticas, muestra las curvas de respuesta de los motores de cada movimiento de acuerdo al tipo de control que ha diseado el fabricante; este captulo es importante por que muestra las tablas de calibracin de valores mximos de corriente y tensin para los motores de cada movimiento. El Captulo 4, presenta la introduccin a la teora de los sistemas de control, la importancia de este captulo radica en que da la forma de razonar el funcionamiento

Electrotorque


del Electrotorque de una manera simple y a travs de diagramas de bloques, no importando por lo tanto, la complejidad a nivel circuital del sistema si no mas bien, la posibilidad de entender el comportamiento de las seales que intervienen. El Captulo 5, detalla todo lo referente a los circuitos de proteccin de la Pala, muestra tambin los valores en los que estn calibrados. El Captulo 6, y el Captulo 7 son fundamentales en este curso, se estudian todas las tarjetas de control del Electrotorque y se muestra su relacin como bloques funcionales de tal modo que lo estudiado en el captulo 4, se aplica directamente. Es importante leer completamente estos dos captulos para comprender cabalmente la filosofa de funcionamiento del Sistema. El Captulo 8, corresponde al estudio del sistema de Compensacin de Potencia Reactiva RPC, cuya funcin es acercar el Factor de Potencia de la Pala a la unidad. Se han introducido cuestionarios al final de cada captulo con el objeto de que el tcnico verifique sus conocimientos o haga algn anlisis particular que requiera poner en prctica lo aprendido. Tambin se incluye una extensa bibliografa para aquellos que deseen ampliar sus conocimientos.

El presente curso, tocar todos los temas referentes al Sistema Electrotorque tratando de manera referencial el Sistema del PLC SLC-5/04 por razones de extensin. Cada dispositivo ser estudiado detalladamente, sin embargo, lo mas importante es tener una idea clara del funcionamiento como conjunto para poder determinar en forma rpida el lazo de control que tiene problemas cuando hay una falla y seguir un camino lgico en la resolucin de la misma.

Miguel Llaguno

80487

Electrotorque


CONTENIDO

CAPITULO I GENERALIDADES

1.1.- Movimientos de la Pala 1.12.- Amplificador Integrador 1.2.- El Control Electrotorque 1.13.- Detector de Nivel 1.3.- Distribucin de Componentes Mayores 1.14.- Smbolos 1.4.- Cdigos de Localizacin 1.15.- Circuitos de Alto Voltaje 1.5.- Conectores (Cannon Plugs) (A).- Transformador Principal 1.6.- Sistemas Digitales (B).- Transformador Auxiliar 1.7.- Puerta NAND (C).- Sistema Colector de Alto Voltaje 1.8.- Puerta O-Exclusiva (D).- Zapatas de Alto Voltaje 1.9.- Circuitos Flip-Flop (E).- Anillos de Alto Voltaje 1.10.- Amplificadores Operacionales 1.11.- Amplificador Sumador

(F).- Contactor del Transformador Principal

CAPITULO II CONVERSION AC-DC

2.1.- Principios de Corriente Alterna 2.7.- Variacin del Angulo de Conduccin 2.2.- Rectificadores 2.3.- Puente Rectificador Trifsico a Diodos

por Generacin de Rampa y Escaln 2.8.- Puente Rectificador Trifsico a SCRs

2.4.- Aplicacin de los Puentes Rect. Trifs. (A).- Fuente de Alimentacin 42 VDC (B).- Relay de Bajo Voltaje

2.9.- Formas de Onda en la Carga 2.10.- Config. de un Puente Rect. a SCRs

(A).- Puente Reversor 2.5.- El SCR - Principio y Caractersticas (B).- Puentes en Serie 2.6.- Variacin del Angulo de conduccin (C).- Semiconvertidor

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CAPITULO III MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA

3.1.- Principio de Motores y Generadores DC 3.7.- Caractersticas de Armadura 3.2.- Definiciones (A).- Movimiento de Izar 3.3.- Curvas de Trabajo (B).- Movimiento de Giro 3.4.- Cuadrantes de Control: Izar y Descenso (C).- Movimiento de Empuje 3.5.- Voltaje y Corriente de Armadura 3.6.- Debilitamiento de Campo

(D).- Movimiento de Avance 3.8.- Caractersticas de Campo

(A).- Movimiento de Izar (B).- Movimiento de Giro (C).- Movimientos de Emp./Avance

3.9.- Tablas de Calibracin

CONTENIDO

CAPITULO IV INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DE CONTROL

4.1.- Introduccin

4.2 .- Definiciones 4.3 .- Control de Lazo Cerrado y de Lazo Abierto 4.4 .- Diagrama de Bloques 4.5 .- Motor DC Controlado en la Armadura

CAPITULO V CIRCUITOS DE PROTECCION

5.1.- Relay de Sobrecarga Instantnea (QTTM) 5.2.- Circuitos de Deteccin de Falla a Tierra

5.2.1.- Relay Indicador de Falla a Tierra (GFRM) 5.3.- Relay Monitor de Fase 5.4.- Sistema de Proteccin Diverter (DCM) 5.5.- Proteccin contra Bajo Voltaje (UVR) e Inversin de Fases (PSR) 5.6.- Mdulo Diferencial de Voltaje

CAPITULO VI CONTROL DE ARMADURA

6.1.- Tarjetas de Control de Armadura: Entradas y Salidas (A).- Entradas (B).- Salidas

Electrotorque


6.2.- Conjunto de Tarjetas de Control de Armadura

Circuitos de Movimiento

Circuitos de Regulacin

Circuitos de Pulsos de Control 6.3.- Circuitos de Movimiento

Fuentes de +/- 15 VDC

Tarjeta Adaptadora de Movimiento

6.4.- Circuitos de Regulacin

Tarjeta Reguladora de Voltaje

Tarjeta Reguladora de Corriente

Tarjeta Circuito de bloqueo

Tarjeta Amplificadora de Bloqueo 6.5.- Circuitos de Pulsos de Control

Tarjeta Generadora de Pulsos de Disparo

Tarjeta Amplificadora de Pulsos de Disparo

CONTENIDO

CAPITULO VII CONTROL DE CAMPO

7.1.- Realimentacin de Corriente de Campo (A).- Fundamento Terico (B).- Transformador de Corriente a Reactor Saturable 7.2.- Circuito de Realimentacin de Corriente de Campo 7.3.- Diagrama de Bloques del Control del Campo de izar

7.3.1.- Tarjeta Referencia de Campo de Izar 7.3.2.- Tarjeta Reguladora de Corriente 7.3.3.- Tarjeta Generadora de Pulsos de Disparo 7.3.4.- Tarjeta Amplificadora de Pulsos de Disparo

7.4.- Diagrama de Bloques de las Tarjetas de Control de Campo de Empuje/Avance y Giro

7.4.1.- Tarjeta de Control del Semiconvertidor de Empuje/Avance 7.4.2.- Tarjeta de Control del Semiconvertidor de Giro 7.4.3.- Tarjeta Amplificadora de Pulsos

CAPITULO VIII COMPENSACION DE POTENCIA REACTIVA

8.1.- Control de RPC 8.2.- Compensacin de Potencia Reactiva

Electrotorque


8.3.- Diagrama del Banco #1 8.4.- Transductor de Potencia Reactiva 8.5.- Diagrama de Bloques 8.6.- Amplificador de Medicin 8.7.- Detector de Nivel 8.8.- Circuito Interface 8.9.- Mdulos de Disparo de RPC 8.10.- Circuitos de Disparo de RPC 8.11.- Circuitos indicadores de funcionamiento del RPC 8.12.- Indicadores del RPC

CAPITULO I

GENERALIDADES

1.1.- MOVIMIENTOS DE LA PALA La pala 4100A tiene 4 movimientos producidos por motores DC, como se ve en la Figura (1.1): 1. MOVIMIENTO DE IZAR.- A travs de 2 motores acoplados a una caja de

engranajes comunican movimiento a un tambor sobre el que un cable es enrollado para levantar o bajar el cucharn usa:

1 Convertidor de Campo conectado con los dos campos de los motores de Izar (Hoist) enseriados.

2 Convertidores de Armadura conectados con las 2 armaduras de los motores de Izar enseriadas.

Figura (1.1).- Movimientos

Electrotorque


de la Pala 4100A

2. MOVIMIENTO DE EMPUJE.- A travs de un Motor de Empuje, acoplado por medio de fajas a una caja de engranajes, comunica movimiento al brazo, usa:

1 Semiconvertidor de Campo conectado al Campo del Motor.

1 Convertidor de Armadura conectado a la Armadura del Motor. 3. MOVIMIENTO DE GIRO.- A travs de 2 Motores de Giro acoplados a 2 cajas

planetarias que comunican su movimiento al anillo dentado de la tornamesa, usa:

1 Semiconvertidor de Campo conectado a los dos campos de los motores enseriados

1 Convertidor de Armadura conectado con las 2 armaduras de los motores de Giro enseriadas.

4. MOVIMIENTO DE AVANCE.- A travs de 2 motores de Avance acoplados a 2

cajas planetarias que comunican movimiento independiente, una a cada oruga de la pala, usa cuando se produce la transferencia de Empuje/Avance:

1 Convertidor de Armadura de Izar (Izar 1) conectado a la armadura del motor de Avance 1 (Propel 1).

1 Convertidor de Armadura de Empuje conectado a la Armadura del Motor de Avance 2 (Propel 2)

1 Semiconvertidor de Campo de Empuje conectado a los Campos de los Motores de Avance enseriados. La Tabla (1.1) presenta los 4 movimientos de la Pala con el nmero de

Convertidores de Armadura, Semiconvertidores de Campo y Motores DC por Movimiento.

Movimiento N Conv. Armadura N Conv. Campo N Motores DC

Izar (Hoist) 2 1 2

Giro (Swing) 1 1 2

Empuje (Crowd) 1 1 1

Avance (Propel) 1 Izar 1 (Hoist 1) Semiconvertidor de 2

Electrotorque


2 Empuje (Crowd) Campo de Empuje

1.2 .- El Control ELECTROTORQUE El sistema de Control ELECTROTORQUE, puede descomponerse para fines de estudio, en 4 bloques mayores, cada uno de ellos, cumple una funcin especfica diferenciada: 1. Convertidor de Armadura.- Tiene por funcin convertir una AC en una DC controlada,

tanto en voltaje como en corriente. Tambin debe convertir la DC de exceso a travs de la regeneracin en una AC.

2. Control de Armadura.- Tiene por funcin regular la Velocidad y el Torque desarrollado por el motor DC a travs de la comparacin de la seal del control del operador con la seal de realimentacin de Voltaje de Armadura ; el resultado es la seal de error Iref, es comparada con la seal de realimentacin de corriente de armadura Iafb y la seal

diferencia es la seal Voltaje de Control Vc, que se usa para cambiar el ngulo de

disparo de los SCRs del Convertidor de Armadura. 3. Convertidor de Campo.- Convierte la AC de entrada en una DC controlada de tal modo

que la corriente de campo que circula en un motor sea siempre constante.

4. Control de Campo.- Regula la corriente de Campo a un nivel fijo, compara la referencia con la realimentacin de corriente de campo Iffb.

La Figura (1.2) presenta un diagrama de bloques de las relaciones funcionales de estos cuatro bloques, tanto los convertidores de armadura como los de campo tienen fuentes AC independientes, as como los motores DC tienen excitacin separada pues los campos y armaduras se alimentan de fuentes independientes.

3 Fases

600 VAC

Convertidor

de

Armadura

Convertidor

de

Campo

Control

de

Armadura

Control

de

Campo

3 Fases180 VAC Izar

o

120 VAC Giro

+ Empuje/Avance

Ia If

Ia = Torque

Va = Velocidad

Reguladores

Pulsos de Control

Seales de Disparo

Linea de Aislamiento

Circuitos de Alto Voltaje

Circuitos de Bajo Voltaje

Referencia del

Operador

Iafb

Vafb

Referencia Fija

Iffb

Se controla en Armadura para evitar

que las barras de esta se abran por

exceso de corriente (Por la forma

como est construido el motor)

Electrotorque


Figura (1.2).- Diagrama de Bloques funcionales del Sistema ELECTROTORQUE de las

palas P&H 4100A.

Las leyes que rigen el funcionamiento de este sistema son universales y

pueden expresarse de la siguiente manera: 1. Ley de Ohm: E = IR Donde E = Tensin aplicada I = Corriente circulando en la malla R = Resistencia de la Carga 2. Ley de Maxwell: E = Blv Donde E = Fuerza Contraelectromotriz desarrollada B = Intensidad del Campo Magntico l = Longitud del conductor v = velocidad de movimiento del campo Magntico o del objeto

Por lo tanto el adicionar un control electrnico no cambia que el sistema se

siga rigiendo por estos principios, solo ha de limitar la respuesta del sistema.

1.3.- DISTRIBUCION DE COMPONENTES MAYORES La Figura (1.3), muestra la distribucin de componentes mayores en la Sala de

Mquinas de la Pala 4100A:

Electrotorque


Ca

bin

a

RP

C

Ca

bin

a d

e

Tra

nsfe

ren

cia

Tra

jeta

de

46

0 V

AC

Inte

rru

pto

res

de

Cam

po

Re

sis

tore

s

Tri

p D

rip

pe

r

Ca

bin

a d

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all

a

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rra

Tra

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s

Au

xil

iare

sC

ab

ina

de

Su

pre

si

n

Tra

nsfo

rmad

or

Pri

nn

cip

al

Ca

bin

a d

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Alt

o V

olt

aje

Tra

nsfo

rmad

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Vo

lta

je C

on

sta

nte

Ca

bin

a

Au

xil

iar

Ca

bin

a d

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LC

Ca

bin

a

Co

ntr

ol

Co

lecto

r d

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Ba

jo V

olt

aje

Ca

bin

a

Co

nv

ert

ido

ra

Mo

tor

de

Gir

o

Mo

tor

de

Gir

o

Ta

nq

ue

s d

e

Lu

bri

ca

ci

nM

oto

r d

e

Izar

Co

mp

res

ora

de

Air

e

Mo

tor

de

Izar

Figura (1.3).- Distribucin de Componentes mayores en la sala de Mquinas de la Pala 4100A

1.4.- CODIGOS DE LOCALIZACION

Electrotorque


Cada componente en los diagramas esquemticos tiene un cdigo de localizacin. Este cdigo tiene por objeto facilitar la bsqueda de los componentes elctricos. La primera letra del cdigo de localizacin describe al gabinete o componente mayor en el cual el dispositivo ser encontrado.

A Gabinete de Auxiliares (Auxiliary Cabinet)

C Cabina del Operador (Operators Cab)

E Gabinete de Control (Control Cabinet)

F Gabinete del RPC (RPC Cabinet)

H Gabinete de Alto Voltaje (High Voltage Cabinet)

K Gabinete de Convertidores (Converter Cabinet)

P Gabinete de Supresin (Supression Cabinet)

R Gabinete del PLC (PLC Cabinet)

T Gabinete de Transferencia (Transfer Cabinet)

B Conjunto de Pluma (Boom Assembly)

L Parte Inferior o Carbody (Lower Assembly or Carbody)

U Parte Superior o Tornamesa (Upper Assembly or Revolving Frame)

TIPICOS CODIGOS DE LOCALIZACION

Capacitor F11C3

F11A3

ARMADURA

SCR

L01X1B

K01A4

Bobina

Reactor

Motor del Ventilador

de Avance

Figura (1.4).- Ejemplos de Cdigos de Localizacin de componentes

1.5.- CONECTORES (CANNON PLUGS)

Electrotorque


Todas las entradas y salidas de las tarjetas de control de armadura, viajan a travs de conectores especiales (Cannon Plugs). Cada grupo de tarjetas de control tiene 6 conectores designados desde K1 hasta K6. En los diagramas esquemticos, el nmero del conector est precedido por una letra de identificacin:

H - Izar (Hoist)

C - Empuje/Avance (Crowd/Propel)

S - Giro (Swing) Por ejemplo, SK5 significa el conector K5 del grupo de tarjetas de control de Giro (Swing).

Conector Funcin K1 Seal del Control del Operador

K2 Seales de realimentacin de Corriente de Armadura y Voltaje de Armadura

K3 Seales de entradas y salidas a Relay

K4 Fuentes de Alimentacin DC

K5 Entrada AC Hexafsica

K6 Pulsos de Control y seal de +42V

1.6.- SISTEMAS DIGITALES La Electrnica Digital involucra circuitos y sistemas tales que solo pueden tener dos estados posibles, estos estados estn usualmente representados por dos diferentes niveles de voltaje: ALTO y BAJO. Los dos estados pueden ser tambin representados por niveles de corriente, switches abiertos y cerrados o lmparas encendidas y apagadas. En los sistemas digitales, las combinaciones de dos estados son llamadas cdigos, los cdigos son usados para representar nmeros, smbolos, caracteres alfabticos y otros tipos de informacin. Este sistema de numeracin de dos estados es llamado cdigo Binario y est formado por dos dgitos: 0 y 1.

Un dgito binario es denominado un bit.

Electrotorque


En los sistemas digitales los niveles de voltaje estn representados por los dos dgitos binarios, 1 y 0. Si el voltaje mas positivo representa un 1 y el voltaje menos positivo representa un 0, el sistema es llamado sistema de lgica positiva, en cambio, si el voltaje menos positivo es representa a un 1 y el voltaje mas positivo representa a un 0, el sistema es llamado sistema de lgica negativa.. Por ejemplo, +5V y 0V son los niveles lgicos de Voltaje; nosotros podemos designar a +5V como el nivel ALTO y 0V como el nivel BAJO, entonces la lgica positiva y negativa puede ser definida como sigue:

Lgica Positiva Lgica Negativa

(+5V) ALTO = 1 (+5V) ALTO = 0

(0V) BAJO = 0 (0V) BAJO = 1 Ambas, la lgica positiva y negativa son usadas en los sistemas digitales, pero la lgica positiva es la mas comn; por esta razn, nosotros usaremos nicamente la lgica positiva en este curso. La terminologa lgica es aplicada para implementar funciones lgicas usando circuitos digitales. Diversos elementos se agrupan en bloques para construir sistemas digitales complejos tales como un computador. En las explicaciones que siguen, veremos algunos de estos elementos y discutiremos sus funciones. Muchos circuitos lgicos tienen mas de una entrada y salida; una TABLA DE LA VERDAD muestra como las salidas de los circuitos lgicos responden a diferentes combinaciones de niveles lgicos de entrada.

1.7.- PUERTA NAND (NO-Y) Definicin: Si una de las entradas es un 0 lgico, la salida ser un 1 lgico.

Electrotorque


Smbolos

A

BC

&

A

B

C

Tabla de la Verdad:

A B C

0 0 1

0 1 1

1 0 1

1 1 0 Otra forma de representarla:

A

B

C

& 1

A

B

C

1.8.- Puerta O - Exclusiva Definicin: Solo una entrada puede ser un 1 lgico para que la salida sea un 1 lgico.

Electrotorque


Smbolos

=1

A

B

CCA

B

Tabla de la Verdad:

A B C

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 0 Otra forma de representarla:

A

B

C

A&

&

1

1

BC1

1.9.- Circuitos Flip-Flop

Electrotorque


Los circuitos flip-flop son aquellos que de acuerdo a las seales de entrada que reciben, conmutan entre un estado lgico y otro, no teniendo estados intermedios. La Figura (1.5) muestra un circuito Flip-Flop.

S

Q

Q

R

SET

CLR

CKENTRADAS SALIDAS

Set

Clock

Reset

Normal

Complemento

(no Q)

Figura (1.5).- Representacin de un Flip-Flop con reloj de sincronismo.

Los circuitos Flip-Flop pueden ser divididos como sigue:

Flip-Flop Astable.- Es un oscilador que no requiere de otra entrada mas que la fuente de alimentacin para oscilar entre un estado lgico y otro. Flip-Flop Monoestable.- Es un temporizador que requiere de un pulso de disparo en su entrada para cambiar a un estado lgico y luego de un tiempo determinado, regresa al estado lgico inicial en que se encontraba sin necesidad de seal externa. Flip-Flop Biestable.- Es un dispositivo que requiere de una seal en una de sus entradas para cambiar de estado y otra seal en otra de sus entradas para regresar al estado original. Tiene por lo tanto dos estados estables. En general los Flip-Flops son usados como relojes, temporizadores, conmutadores antirebote, divisores de frecuencia, contadores, etc.

1.10.- Amplificadores Operacionales

Electrotorque


Un amplificador Operacional (op-amp) es un amplificador acoplado directamente de elevada ganancia, que depende de una realimentacin externa desde la salida hacia la entrada para determinar sus caractersticas de operacin. Un op-amp es un amplificador lineal que tiene 2 entradas ( inversora y no-inversora) y una sola salida. Este tiene una elevadsima ganancia de voltaje con una gran impedancia de entrada (puede ser del orden del los Giga-Ohmios). El smbolo del op-amp se muestra a continuacin.

+

-

Entrada no

Invertida

Entrada

Invertida

Fuente de

coneccin

+12

Fuente de

coneccin

-12

Salida

Cuando el amplificador operacional es usado como inversor, el op-amp es configurado como se muestra.

Rfb

-

+

+12

-12

VinRin

Vin

Representa la alta

impedancia de

entrada interna La frmula que relaciona la seal de salida con la de entrada es:

Vo = - (Rfb/Rin)Vi

1.11.- Amplificador Sumador

Electrotorque


El siguiente diagrama muestra un op-amp usado como amplificador Sumador.

- VOUT = V1 (R4/R2) + V2(R4/R2)+ V3(R4/R3)

R4

+10V

-10V

VinR1

R2

R3

-

+

Vout

V1

V2

V3

Sin embargo P&H tiene su propia nomenclatura para representar este circuito:

t

R1

R2

R3

V1

V2

V3

Vin

R4

Vout

Punto de Sumatoria

1.12.- Amplificador Integrador

Electrotorque


A continuacin se muestra un op-amp usado como integrador, todo integrador es usado para amortiguar la respuesta natural oscilatoria de un sistema de control.

t

VoutVin

-V

V in

Vout

+V

-V

+V

-

+

Vin

Vout

1.13.- Detector de Nivel

Electrotorque


Un detector de nivel es usado con el objeto de poner condiciones de funcionamiento a cualquier sistema de control, de tal modo que cambie su respuesta al presentarse determinada condicin. En el siguiente grfico se muestra un op-amp usado como detector de nivel y la representacin propia de P&H de este dispositivo.

Nivel

+15V

0V

Histeresis

V out

t

V in

+15V

-15V

V out

V in

Histeresis

Nivel+15V 0V

Seal desde el amplificador de

medicin

1.14.- Smbolos

Electrotorque


Cada fabricante usa determinado sistema de codificacin tcnica para representar bloques funcionales, circuitos, dispositivos, detalles de construccin, normas de seguridad, etc. P&H usa tambin un grupo de smbolos elctricos para representar determinados componentes dentro de sus esquemas o Planos. A continuacin se presentan las tablas de estos smbolos.

Alambres y Conecciones

Fixed Connection

Wires Crossing -

No connection

Connection of Wires

Removable Connection

Terminal Connection

Interconnection Made on a

Circuit Board with Referance

to the Relay Ladder

Voltage Collector

Assembly

Electrical Ground

Cabinet Frame or

Chassis Ground

Grounded 120 Volt

AC Receptacle

Grounded Three

Phase 460 Volt

AC Receptacle

Motors

DC Motor

Armature

DC Motor

Field

Fan

Single Phase

AC Motor

Three Phase

AC Motor

Wound Rotor

Motor

Components

Fixed Resistor

Variable Resistor

(Potentiomenter)

Varistor

Capacitor

Resitor, Capacitor,

Varistor CircuitRCV

Air Core Reactor

Saturable Reactor

Current Transformer

Transductor

X1 X2 X3

Meters

Voltmeter V

A

TT

Ammeter

Time meter

Smbolos (Continuacin)

Electrotorque


Fuse

Bell

Buzzer

Lamp

Switches

Disconnect Switch

Two Position

Switch

Three Position

Switch

Selector Switch

Plushbutton Switch

Limit Switch

Proximity Switch

Pressure Switch

Thermostat

Circuit Breaker-

Thermal Trip

Circuit Breaker-

Magnetic Trip

Miscellaneous

Iron Core Transformer

Solenoid

Lightning Arrestor

Relay Coil

Thermal Overload

Normally Closed

Relay Contact

Normally Open

Relay Contact

Silicon Diode

Zener Diode

Silicon Controlled

Rectifier (SCR)

Selenium Surge

Suppressor

NPN Transistor

PNP Transistor


Electrotorque


Symbol Meaning

Inverting Input

Inverting Output

Dynamic Input. The input is only

effective when the input signal

changes from 1 to 0.

Dynamic Input. The input is only

effective when the input signal

changes from 1 to 0.

Symbol Meaning

Examples of Simple Logical

Circuit Elements

A

BQ&

AND - Element with Two Inputs

A B Q

1

1 1 1

00

0 0

1

0 0 0

A

BQ

OR - Element with Two Inputs

A B Q

1

1 1 1

1

0

0

11

0 0 01

A Q1 A Q0 1

INVERTER

Simple Logic Symbols Bistable Element (Memory Element)

The inverting R-input is only active in its

O-state. The bistable element then goes

to its 1-state and all othe r activ ity is

prevented

The inverting S-input is only active in its

O-state. The bistable element then goes

to its 1-state and all othe r activ ity is

prevented.

NOTE

The R and S inputs ov erride all othe r

inputs.

If the R and S inputs are both O the

output signals are undefined

General Symbol for Bistable Element with

inputs and Output. The outputs are Q and

Q. Q is the opposite of output Q. The

state of the eleme nt is definded as the

state of the Q-output.

Q

Q

MeaningSymbol

Simple Logic Symbols (Continued)

Symbol Meaning

A

BQ&

A B Q

1

1 1 0

10

0 1

1

0 0 1

Inverted AND - Element

NAND - Element with Two Inputs

A

BQ

A B Q

0

1 1 0

0

1

1

00

0 0 1

Inverted OR - Element

NOR - Element with Two Inputs

Examples of Simple

Logical Circuits Elements (Cont.)Input and Output Symbols


Electrotorque


Simbolo Significado

JG

El e fe c to de la e ntr ada K sobre l a

salida es controlada por la entrada G.

Si K=1, e l e l e me n to b ie st able e s

colocado a "0", solamente cuando la

entrada G llega a ser activada.

El e fe cto de la e ntrada J sobre la

salida es controlada por la entrada G.

Si J=1, e l e le me nto bie sta ble e s

colocado a "1", solamente cuando la

entrada G llega a ser activada.

Si ambas entradas y estn en

"1" cuando la entrada G llega a estar

activada ( el e le me nto conmuta al

estado contrario) el estado cambia de

0 a 1 o viceversa ).

KG

KG

JG

Ambas entradas y puede n

ser anuladas ya sea por la entrada R o

la entrada S.

KG

JG

JG

En trad a Dinmica Eje cuta ble . La

entrada no tiene e fecto directo sobre

el estado del elemento biestable, pero

cuando la seal de entrada cambia de

1 a 0 e l e le me nto e s c oloc ado al

estado determinado por las entradas

K y ; ab as ta cie n do a amba s

entradas R y S con "1".

KG

JG

Ejemplo de Elementos Biestables

SignificadoSimbolo

Flip - Flop SR (elemento de memoria)

S

Q

Q

R

SET

CLR

JG

KG

G

S

Q

Q

R

Flip - Flop SR JGK

G

Las entradas S y R son superiores a

cualquie r otras e ntradas y Q sobre

c u a l q u i e r ( o amb a s ) d e e s a s

entradas, impiden cualquier actividad

Cuando ambas S y R e stn e n 1, la

conmutacin puede ser obte nida por

e l cambio de la seal de 1 a 0 a la

entrada G. El e stado de l elemento es

determinado por las entradas yJGK

G(mire arriba).

SignificadoSimbolo

Ele mento Monoe stable . Cuando la

entrada cambia de se al de 1 a 0, la

seal de salida cambia de 0 a 1 por un

cierto tiempo.

1

1

1 mS

El re tardo inhere nte de l e le me nto

puede ser establecido.

Simbolo Significado

Elementos Monoestables

Elementos Astables

Q

Q

14KHzFlip-Flop Astable. Este circuito tiene 2

estados mome ntne amente estables,

entre las cuale s son continuame nte

alternados.

Q

Q

Simbolo Significado

t

t

t

Cir cu it o d e r e t ar do e n l a q ue l a

conmutacin de la seal de salida de

0 a 1 es retardada.


conmutacin de la seal de salida de

1 a 0 es retardada.


conmutacin de ambas seales de

s a l i d a d e 1 a 0 y d e 0 a 1 s o n

retardadas.

Elementos de Retardo

Elementos Biestables ( Continuacin)

Flip-Flo p Astable con e ntrada de

disparo dinmica . El f l ip flop e s

disparado con e l cambio de la se al

de entrada de 1 a 0.

Simbolos Bsicos (Continuacin)


Electrotorque


La seal de salida llega a ser 1

cuando la se al de e ntrada

excede a un v alor definido. La

seal de salida permanece en

1 hasta que la seal de entrada

cae por de ba jo de un v alor

definido diferente.

Simbolo Significado

Seal de Entrada

Seal de Salida

E

t

Simbolo Significado

Caractersticas de Nivel

A

B

a

b

Simbolo completo, Amplificador

Los s ig uie n te s s ub -s imbo lo s

pueden ser colocados dentro y a lo

largo del simbolo para estados:.

A. Caracterstica Esttica

B. Caracterstica Dinmica

a. La caracterstica esttica puede

s e r c on tr olad a po r un a s e al

externa .

b . La c ar ac te r st ic a dinmi ca

pu e de se r con trolada por un a

seal externa.

NOTE

La ca ract e rs tica dinmica (B)

puede ser omitida.

In v i r t i e n d o l o p u e d e se r

indicado por este simbolo.

SignificadoSimbolo

Amp l i f i c a d o r l i n e a l s i n

limitacin de seal de salida.

La abcisa e s la cant idad de

e n trad a, l a o rde n ada e s la

cantidad de salida.

ABCISA = Punto relativo al eje

vertical.

ORDENADA = Punto relativo al

eje horizontal.

- e in

- e out

+ e in

+ e out

Amplificador con limitacin de

seal de salida.

Amplificador con dos lmites

controlados individualmente.

A m p l i f i c a d o r c o n

Caractersticas de nivel

Ejemplos de Caractersticas Dinmicas

Simbolo Significado

t

Amplificador Proporcional

El diagrama en la caja B, es un

diagrama simplificado de la

curva de tiempo de la seal de

salida cuando es aplicado a la

entrada del amplificador..

E in

E out

t

t

Circuito Amplificador Circuito Amplificador (Continuacin)

Ejemplos de Caractersticas Estticas


Electrotorque


Simbolo Significado

Amplificador Integral

El t i e mp o d e in t e g r a ci n p u e d e se r

influenciado por una seal externa.t

t

Amplificador con caractersticas Proporcional

e Integrativo (caracterstica-PI)

Simbolo Significado

A

B

C Sumacin C = A + B

A

B

C Sumacin y SustraccinC = A + B - C

S

Switch Electrnico , cerrado cuando

S = 1

S

Switch Electrnico , cerrado cuando

S = 0

S

Switch Mecnico , cerrado cuando

S = 1

Inversor de Seal. Las cantidades de

entrada y salida pueden se r fijadas

en el simbolos.

simbolo general , Filtro.

Filtro Pasa-bajo

Circuitos Amplificadores

Ejemplos de Caractersticas

Dinmicas (Continuacin)

Electrotorque


1.15.- Circuitos de Alto Voltaje La pala 4100A se alimenta de 4,160 Voltios AC usando 2 transformadores; uno principal de 2.5 MVA de 4,160/2 x 600 Voltios que energiza a los convertidores de las armaduras de los motores DC de la Pala y otro auxiliar de 4,160/480-240-208-120 Voltios, para alimentar a los convertidores de campo de los motores DC, los motores ventiladores, los circuitos de control y de Iluminacin. Adicionalmente tiene dos interruptores de alto voltaje para aislar y desenergizar la pala cuando algn trabajo en los sistemas de alto voltaje sea requerido.

(A).- Transformador Principal

LL3LL2LL1

Transformador

Principal

MS11

MS12

MS13

MS21

MS22

MS23

Desconector de Alto

Voltaje Inferior

Desconector de

puesta a tierra

Desconector de Alto

Voltaje Superior

Anillos de Alto

Voltaje

MTC

Pararrayos

4,160 Voltios

3 Fases 60 Hz

Sec #1 600 VAC

3fases 60 Hz

Hoist#1 + Propel

#1 + Swing

Sec #2 600 VAC

3fases 60 Hz

Hoist#2 + Crowd/

Propel

Fusibles

Electrotorque


(B).- Transformador Auxiliar

AS1

AS2

AS3

CS1

CS2

CS3

FS11

FS12

FS13

FS21

FS22

FS23

LS1

LS2

LS3

Transformador

Auxiliar/Campo

LL1 LL2 LL3

3 Fases

480 VAC

Auxiliares

3 Fases

240 VAC

Control

3 Fases

180 VAC

Campo Izar

3 Fases

120 VAC

Campos

3 Fases

208 VAC

Iluminacin

Fusibles

Electrotorque


( C ).- Sistema Colector de Alto Voltaje El sistema colector de alto voltaje, permite que la pala tenga el movimiento de Giro, llevando energa de 4,160 Voltios hasta los transformadores de Alto Voltaje por medio de anillos colectores y zapatas. La Figura (1.6) muestra este sistema.

Sistema

Colector de

Alto Voltaje

Figura (1.6).- Sistema Colector de Alto Voltaje ADVERTENCIA.- Nunca se aproxime al rea de los anillos de alto voltaje hasta que:

La energa ha sido cortada en el Switch House

El desconector inferior de alto voltaje ha sido abierto

El desconector de puesta a tierra ha sido cerrado.

Electrotorque


(D).- Zapatas de Alto Voltaje

Metal

Anillo

Zapata

Arandelas

reguladorasMetal

Arandelas

reguladoras

4 7/8" +/- 1/16

Aisladores

Aislador

Grafito, sirve como

lubricante, reeplazar

cuando el grafito se

halla desgastado

Son las que reciben la alimentacin de 4,160 Voltios, estn situadas en el Carbody y en contacto con los anillos de Alto Voltaje. En la Pala 4100A hay 2 tipos de Zapatas; el primer tipo corresponde realmente a especificaciones de Alto Voltaje y se diferencia de las otras por estar montadas sobre aisladores; hay 6 zapatas de estas (3 juegos de 2 zapatas cada uno) distribuidas diametralmente en el Carbody con el objeto de llevar la energa hasta el revolving Frame. El segundo Tipo de zapatas corresponden a las de tierra y no estn montadas sobre aisladores, hacen la conexin de tierra del Carbody al revolving Frame.

Electrotorque


(E).- Anillos de Alto Voltaje

Conector

Cable

Splice

Bar

Los Anillos de Alto Voltaje estn montados en el Revolving Frame y por contacto con las Zapatas de Alto Voltaje llevan 4,160 Voltios hasta los Transformadores de la Pala. Existen 4 anillos: 3 de 4,160 Voltios (1 por fase) y uno de tierra.

Electrotorque


(F).- Contactor del Transformador Principal

1 2 3 4 5

3

5

1

2

MTCR

MTCR

120 VAC

Terminales de

Alto Voltaje

Contactos

Auxiliares

Botellas

de Vacio

Tarjeta de

Terminal de Bobina

Resistencia de mantenimiento y

limitadora de corriente

Fusible

3 Fases 4,160 Voltios AC

Notas: 1. RCV sirve para descargar las bobinas cuando los contactos MTCR se abren 2. Se usan 2 contactos en serie del MTCR para aumentar el espacio de apertura de

los contactos, evitando el chispeo.

Electrotorque


CUESTIONARIO (1) 1. Cul es la funcin del Transformador Principal y del Transformador Auxiliar de

la Pala. 2. Los componentes designados por: E24F3A, K07D4 y C12J1, donde estn

localizados. 3. Cul es la funcin del sistema colector de Alto Voltaje. 4. En el circuito del Contactor del Transformador principal, que ocurrir si la

resistencia de mantenimiento se abre. Explique detalladamente cual es el problema que se presentar.

5. Si el contacto que est en paralelo con la resistencia de mantenimiento del contactor del Transformador principal se ensucia o no hace buen contacto, cual ser el problema que se presente.

6. Como diferencia Ud. un anillo de Alto Voltaje de un anillo de Tierra. 7. En el circuito de Alto Voltaje, cul es la funcin del desconector de puesta a tierra. 8. En el Amplificador Operacional conectado como inversor de la Figura del

artculo (1.10), la resistencia Rfb = 100K y la resistencia Rin = 10K, si la tensin de entrada es 1 VDC. Cul ser la tensin de salida. (Las fuentes de alimentacin son las mostradas en esa figura).

9. Cuantos SCRs tiene un convertidor capaz de invertir el sentido de giro de un motor DC y puede regenerar.

10. Cul es la funcin bsica de los Cannon Plugs que se conectan al Bloque de tarjetas del Electrotorque.

Electrotorque


CAPITULO II

CONVERSION AC-DC

2.1.- Principios de Corriente Alterna

En el sentido mas general es toda variacin de voltaje que se produce repetidamente en funcin del tiempo, para nuestro caso solo nos interesa la tensin alterna senoidal conocida comnmente como corriente alterna.

La Corriente Alterna (AC) se caracteriza por que va tomando valores positivos y negativos conforme transcurre el tiempo, describiendo una forma de onda sinusoidal. La Figura (2.1), muestra una onda de corriente alterna con sus parmetros mas importantes. Figura (2.1) .- Una onda de corriente alterna y sus parmetros.

La corriente alterna es cclica por que cada cierto tiempo llamado Periodo,

vuelve a repetir la variacin de valores anterior; esto es, repite cada cierto tiempo la misma forma de onda.

Los parmetros principales de una onda AC son:

Tensin de Pico (Vm).- Es la mxima tensin que alcanza la onda. Periodo (T).- Es el tiempo en el que la onda hace un ciclo o variacin completa de

valores. Este tiempo es expresado en segundos. Frecuencia (f).- Es el nmero de veces que se repite un ciclo en 1 segundo. Valor Eficaz (Vrms).- Es el valor cuadrtico medio de la onda, est expresado en

voltios y es el valor que comnmente leemos en los voltmetros de AC, la frmula siguiente relaciona los valores eficaz y de pico:

Vrms = 0.71 x Vm

2 3 4 5 6 wt

T

Vm

Electrotorque


En su forma mas general la onda de tensin alterna puede ser expresada de la siguiente manera:

V(t) = Vmsen(wt) Donde: V(t) es la tensin instantnea en funcin del tiempo Vm Es la Tensin de pico w Es la velocidad angular de la onda t Es el tiempo generalmente expresado en segundos.

La relacin entre la Velocidad angular (w), el periodo (T) y la frecuencia (f) viene expresada por:

w = 0 6.28 x f y f = 1/T Para nosotros la frecuencia de red o de trabajo es de 60Hz.

2.2.- Rectificadores

Rectificador es todo dispositivo capaz de convertir la corriente alterna en corriente continua o DC. Nos ocuparemos de los dispositivos de estado slido o semiconductores.

Un primer elemento rectificador es el diodo semiconductor de cuyas

caractersticas vamos a tratar.

Diodo Semiconductor Un diodo Semiconductor es un dispositivo que deja pasar la corriente en un

solo sentido, dependiendo de su polarizacin. La Figura (2.2), representa el smbolo de un diodo y un simple circuito rectificador.

Vi(t) = Vmsen(wt)

R

Diodo

Vo(t) = ?A K

Figura (2.2).- Un diodo donde A = Anodo, K = ctodo y un circuito rectificador Simple.

Electrotorque


La forma como trabaja un diodo es como sigue:

Cuando la tensin en el nodo (A) es positiva y mayor, al menos en 0.6 Volts. Para un diodo de silicio y 0.2 Volts. Para uno de Germanio, que la del ctodo (K), el diodo est polarizado directamente y por lo tanto conducir, comportndose como un interruptor cerrado.

Cuando la tensin en el nodo (A) es menor o negativa respecto al ctodo (K), el diodo estar polarizado inversamente y por lo tanto no conducir, comportndose como un interruptor abierto.

Para el circuito de la Figura (2.2), si la tensin de entrada es la mostrada en la

Figura (2.3a), vemos que la tensin de salida Vo(t), tiene la forma de onda de la Figura (2.3b), donde, solo los semiciclos positivos aparecen y los negativos son cancelados producto de la rectificacin.

Vm

Vm

Vi(t)

Vo(t)

wt

wt

(A)

(B)

Figura (2.3).- (A) Tensin de entrada al circuito de la Figura (2.2) y (B) Tensin rectificada de salida.

Para el circuito rectificador de la Figura (2.2), llamado tambin circuito

rectificador de media onda, es fcil calcular el Voltaje en corriente continua o DC:

Vcc = 0.45 x V Donde: V Es la tensin eficaz o Vrms Vcc Es el valor medio de la tensin rectificada y es la que leeramos en un Voltmetro DC.

Electrotorque


Las principales caractersticas que debemos tener en cuenta para seleccionar un diodo son:

(a) Tensin Inversa de Pico (PIV), es la mxima tensin que puede caer en el diodo

cuando est polarizado inversamente. (b) Corriente Promedio (Irms), es la corriente media o de trabajo que puede

suministrar el diodo.

Estos 2 parmetros son muy importantes para el uso del diodo como rectificador, sin embargo, una consideracin importante es la frecuencia de trabajo, cuando se le de otra aplicacin donde la rapidez de conmutacin sea importante. EJERCICIO (2.1).- Para el circuito mostrado en la Figura (2.4), dibujar la onda de salida en la carga.

Vm

2 3 4 5 6 wt

-Vmsen(wt)

Vo = ?

Electrotorque


Figura (2.4).- Figura del Ejercicio (1), dibujar la forma de onda de salida Vo(t) para el circuito rectificador mostrado. EJERCICIO (2.2).- Para el circuito mostrado en la Figura (2.5), donde V IN es la tensin alterna de entrada, dibujar la onda de salida en la carga VL.

D1 D2

D3 D4

V IN VL

+

-

Figura (2.5).- Puente rectificador monofsico y Figura del Ejercicio (2.2)

Electrotorque


2.3.- Puente Rectificador Trifsico a diodos La Figura (2.6) representa un circuito de un puente rectificador trifsico a diodos, para analizar el funcionamiento de este circuito ser necesario considerar las dos siguientes premisas:

1. La corriente fluye en una sola direccin a travs de la carga. 2. Los diodos conducen en orden secuencial cuando sus nodos son mas

positivos que sus Ctodos.

A

B

C

CARGA VL

+

-

1 3 5

4 6 2

A B C

T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8

Figura (2.6).- Puente rectificador trifsico a diodos y tensin trifsica de entrada.

Secuencia de Fases Diodos en Conduccin Orden de Encendido

+ - + - de los diodos

T1 C B 5 6 6

T2 A B 1 6 1

T3 A C 1 2 2

T4 B C 3 2 3

T5 B A 3 4 4

T6 C A 5 4 5

T7 C B 5 6 6

T8 A B 1 6 1

Electrotorque


La forma de onda de un puente rectificador trifsico a diodos es como se muestra en el siguiente grfico.

360

1+2 2+3 3+4 4+5 5+6 6+1

1. La forma de onda del Voltaje DC de salida debe tener 6 combas por periodo. Si alguno de los diodos no condujera, (Queda a circuito abierto),

el voltaje de salida solo tendra 4 combas por periodo. 2. Para una rectificacin a diodos trifsica el voltaje DC de salida puede ser

calculado por la frmula:

Vdc = 1.35 Vrms

Electrotorque


2.4.- Aplicacin de los Puentes Rectificadores Trifsicos

(A).- Fuente de Alimentacin de 42 VDC Para alimentar los Transformadores de Pulsos de disparo de los SCRs de los Convertidores de la Pala 4100A, se usa una fuente de alimentacin de 42 VDC que se muestra en la Figura (2.7).

240 VAC

E24B2

E24B1

E09B2

MR42

Y1 Y2 Y3

H1 H2 H3

0V42 VDC

Y0

Figura (2.7).- Fuente de alimentacin de 42 VDC usada para alimentar a los Transformadores de pulsos de disparo de SCRs.

El E09B2 es un relay que monitorea la presencia de 42 VDC de esta fuente y da aviso al PLC cuando falla. Si esta fuente cae en voltaje, la pala se apaga instantneamente y hay una indicacin de falla del PLC.

(B).- Relay de Bajo Voltaje La pala 4100A tiene un relay electrnico cuya funcin es evitar que la mquina trabaje en condiciones de Voltaje de lnea por debajo de un valor que puede daar a los componentes elctricos; tales como Motores, Convertidores y Banco de RPC. As

Electrotorque


como tambin el sobrecalentamiento de transformadores y conductores por el efecto de aumento de corriente. Este dispositivo tiene el nombre de Relay de Bajo Voltaje y el circuito de trabajo es mostrado en la Figura (2.8).

UVR Relay de

Bajo Voltaje

120 VAC

1 2 3 4 5

240 VAC

UVSAR

51 K

Figura (2.8).- Relay de Bajo Voltaje Cuando la Pala arranca, el contacto UVSAR, se cierra durante 3 segundos para evitar que el relay acte por efecto de la cada de tensin del pico de arranque. Luego este contacto se abre.

1. El Pick up Voltage es de 200 VDC o voltaje de trabajo a travs del resistor de 51 K.

2. El dropout Voltage es 160 VDC o voltaje con el cual acta el relay y enva una seal al PLC provocando el apagado instantneo de la Pala, dando el PLC una indicacin de falla.

2.5.- El SCR - Principio y Caractersticas

Un segundo grupo de rectificadores son los SCR o Rectificadores

Controlados de Silicio, los cuales presentan una caracterstica fundamental, la de

poder controlar a voluntad el momento en el cual se inicia la conduccin, a travs de

Electrotorque


una seal de mando aplicada a su puerta o Gate, siempre y cuando el SCR est al igual que un diodo, polarizado directamente.

La Figura (2.9), muestra un SCR y sus terminales respectivos Figura (2.9).- Smbolo del SCR o TIRISTOR y sus terminales.

El SCR tambin llamado TIRISTOR tiene 3 terminales, se le considera un rectificador por que solo conduce en un sentido cuando recibe una seal de mando en el Gate.

Un circuito sencillo que ilustra el funcionamiento del SCR, se muestra en la Figura (2.10), cuando S1 est abierto, no hay tensin entre Gate y Ctodo, por lo tanto el SCR se comporta como un interruptor abierto. Cuando S1 se cierra, circula corriente de Gate a Ctodo y el SCR conduce, comportndose como un interruptor cerrado y el foco se enciende.

Figura (2.10).- El SCR usado como interruptor de potencia. EJERCICIO (2).- Para el circuito de la Figura (6), si la tensin de entrada es una onda senoidal, dibujar la forma de onda de la tensin que cae en el foco.

La aplicacin mas interesante de los SCRs, es el control de potencia por mando sncrono, esto consiste en retrasar el momento de la conduccin del Tiristor respecto a la tensin de entrada.

Las caractersticas mas importantes para la seleccin de un SCR son:

Tensin Inversa (Vr), es la mxima tensin inversa o negativa que puede soportar el SCR.

Tensin Directa de Pico en Bloqueo (Vfdm), es la mxima tensin directa nodo-ctodo, sin seal de mando en el Gate, que puede soportar el SCR sin conducir.

Corriente de Enganche (Il), es la mnima corriente necesaria para hacer conducir al Tiristor, despus de aplicar tensin a la puerta.

Electrotorque


Corriente de Mantenimiento (Ih), es la mnima corriente que necesita el SCR, para permanecer en estado de conduccin.

Corriente de Puerta (Igt), es el valor mximo de corriente que aplicada al Gate, asegura el disparo del SCR.

Tensin de Disparo (Vgt), es la tensin mxima aplicada a la puerta, para asegurar el disparo, es de alrededor de 1 volt.

2.6.- Variacin del Angulo de Conduccin. La Potencia elctrica aplicada a una carga, es directamente proporcional al

cuadrado de la tensin aplicada, entonces, es posible variar la potencia suministrada a una carga, variando el ngulo de conduccin de la tensin aplicada a ella. Esta variacin del ngulo de conduccin se puede dar tanto en AC como en DC rectificada, tanto para sistemas monofsicos como polifsicos. Para este curso solo consideraremos el caso: VARIACION DE POTENCIA POR ANGULO DE CONDUCCION POR RECTIFICACION MONOFASICA.

La Figura (7), muestra una onda rectificada completa y las diferentes formas

de onda resultantes de variar el ngulo de conduccin de la tensin rectificada.

Figura (2.11).- Formas de onda resultantes al variar el ngulo de conduccin de la tensin rectificada para diferentes ngulos.

Electrotorque


Es lgico suponer, que el valor promedio de la tensin rectificada o valor DC es diferente para cada forma de onda; as por ejemplo, una tensin rectificada del Tipo (D), ser mayor que la del tipo (C) o (B).

Para el caso (D), cuando el ngulo de conduccin se inicia en 60, mayor

tiempo estar recibiendo tensin la carga, que en el caso (B) cuando el ngulo de conduccin se inicia en 150.

En general, para un ngulo A de conduccin, es fcil demostrar que la

tensin continua que leeramos en un multmetro DC es:

Vcc = 0.45 x V(1 + Cos A) donde: Vcc Es la tensin continua de salida V Es la tensin eficaz RMS de entrada o AC A es el ngulo a partir del cual se aplica la tensin rectificada.

La frmula anterior podemos aplicarla a la frmula de potencia para una

carga resistiva R: 2 2

P = Vcc /R = (0.45 x V x (1 + Cos A)) /R

Evidentemente estamos observando que la frmula de la potencia obtenida anteriormente, depende exclusivamente del ngulo A de la tensin aplicada ya que

V y R son constantes. La variacin del ngulo de conduccin de la tensin aplicada a la carga, se

consigue mediante el uso de circuitos rectificadores a tiristores o SCRs, aprovechando para ello su caracterstica de conmutacin rpida, cuando una seal elctrica es aplicada en el Gate, para ello se emplean diversos circuitos de control y casi todos ellos basados en el principio de Generacin de RAMPA y ESCALON como mtodo de control de Disparo.

2.7.- Variacin del Angulo de Conduccin por

Generacin de Rampa y Escaln. Casi todos los circuitos de disparo de SCR para mando sncrono, funcionan

con este principio, el cual consiste en generar una onda diente de sierra, como la mostrada en la Figura (2.12), en sincronismo con la tensin alterna de entrada o con la tensin rectificada a partir de la alterna.

Electrotorque


Esta onda diente de sierra, puede abarcar los 180 del periodo o solamente 90, en esta explicacin trataremos con una onda diente de sierra de 180.

La onda diente de sierra es comparada con un nivel de continua (Escaln),

variando este escaln, obtendremos una salida de pulsos rectangulares de ancho variable que pueden ser aplicados a los Gate de los SCR rectificadores y as, variar el ngulo de conduccin de los mismos.

Este principio es aplicado no solo en circuitos monofsicos, si no tambin en

circuitos trifsicos, debido a la relativa facilidad de generar las formas de onda necesarias para el control.

En la actualidad, se emplean circuitos electrnicos transistorizados o con

circuitos integrados para generar las seales requeridas, tal es el caso del sistema Electrotorque que usan las palas P&H 4100A, sin embargo, en las dcadas pasadas, cuando la electrnica no estaba tan evolucionada, existan otros medios para generar estas seales, tal es el caso del control del Magnetorque.

Sin embargo, como ya hemos mencionado, no es importante la forma como se

generan las seales de control si no mas bien, el comprender que ocurre con estas seales para poder disparar los SCRs de nuestro sistema rectificador y como es que

se produce la variacin de Voltaje DC de salida de este.

w t

w t

w t

w t

2 3 4 5

(a)

(b)

(c)

(d)

V(t)

Figura (2.12).- Principio bsico de la variacin del ngulo de conduccin.

Electrotorque


En la Figura (2.12), se muestra una onda de corriente alterna (A), a travs de un circuito rectificador de onda completa es rectificada y se obtiene la onda que se muestra en (B), a partir de esta onda, se genera una onda diente de sierra que como se ve est en sincronismo con la onda rectificada como se muestra en (C); finalmente esta onda ser comparada contra la onda continua mostrada en (D) y que permitir obtener pulsos de ancho variable que se usaran para disparar los SCRs de nuestro puente rectificador.

En la Figura (2.13), se muestra la comparacin de la onda diente de sierra y diferentes niveles de continua, generndose pulsos de ancho variable, cuyo flanco de subida, es aprovechado para el disparo del Tiristor o SCR.

V1

V2

V3

wt

(I)

(II)

(III)

Caso I = V1

Caso II = V2

Caso III = V3

Figura (2.13).- Comparacin de una onda diente de sierra y tres diferentes niveles de continua.

La forma como funciona el sistema es como sigue: Para el caso (I) de la Figura (2.13), cuando el nivel de continua es V1, solo aparecer un pulso de salida cuando en cada ciclo, la rampa supere el valor de V1; esto es igual para los casos (II) y (III).

Electrotorque


Ejercicio (3).- La Figura (2.14), muestra una onda diente de sierra que solo barre 90; dibujar la forma de la onda de salida en la carga para los niveles de continua mostrados. Figura (2.14).- Figura del Ejercicio (3), dibujar las formas de onda resultantes para cada uno de los niveles de continua mostrados.

Electrotorque


2.8.- Puente Rectificador Trifsico a SCRs La Figura (2.15) muestra un puente rectificador Trifsico a SCRs tambin llamado convertidor. Las reglas bsicas para el funcionamiento correcto del convertidor son:

1. Todos los SCRs del convertidor, deben ser disparados con el mismo ngulo respecto a su propio 0. (Punto natural de conmutacin).

2. El espacio entre los pulsos de disparo que estn en la secuencia es 60.

(Espacio entre pulsos consecutivos de acuerdo al SCR que le toca conducir en ese momento).

3. El ancho total del Pulso de disparo que llega al Gate de cada SCR del

convertidor, es de 120.

Carga

A

B

C

1

26

3 5

4

VL

+

-

A B C

t

Alfa 1 = 0 Alfa 1 = 10

Alfa 3 = 0 Alfa 3 = 10

Alfa 5 = 0 Alfa 5 = 10

Alfa 2 = 0 Alfa 2 = 10

Alfa 4 = 0 Alfa 4 = 10

Alfa 6 = 0 Alfa 6 = 10

Figura (2.15).- Puente rectificador a SCRs (Convertidor) y la indicacin del ngulo mnimo de disparo para cada SCR del puente.

Electrotorque


En este caso asumimos que los SCRs 1 y 2 estn conduciendo y que el SCR 3 ser el prximo en ser disparado, esto ocurrir cada vez que la lnea B sea mas

positiva que la lnea A. La designacin Alfa es usada para denominar al ngulo de disparo del SCR. Los lmites tericos para disparar al SCR 3 son: Alfa = 0 hasta Alfa = 180 Los lmites reales estn restringidos a: Alfa = 10 hasta Alfa = 145

Ejemplo de Pulsos de Disparo La Figura (2.16) muestra a manera de ejemplo como es la secuencia de pulsos de disparo de acuerdo con el punto de conmutacin natural de los SCRs.

A B C

SCR 1

SCR 2

SCR 3

SCR 4

SCR 5

SCR 6

120

Electrotorque


Figura (2.16).- Ejemplo de la secuencia de pulsos de disparo hacia un convertidor. El trmino Punto de conmutacin natural, se define como el instante a partir del cual, deja de conducir un SCR o diodo por efecto de la inversin de polaridad entre 2 fases entre las que se encuentra conectado el dispositivo.

2.9.- Formas de Onda en la Carga El voltaje a travs de la carga depende del ngulo de disparo y del tipo de carga, La Figura (2.17) muestra las formas de onda para diferentes ngulos de disparo y 2 tipos de carga: Resistiva y Activa.

= 90

= 90

= 30 = 30

= 120

= 120

Carga Resistiva Carga Activa

Motor

Motor FWD, consume energa

alfa = 10 hasta 90

Motor detenido con Torque,

consume poca energa, posicin del

controller en neutro

Motor REV, entrega energa, condicin

de regeneracin. Alfa = 90 hasta 145 Figura (2.17).- Formas de onda de salida de un convertidor de acuerdo al tipo de carga y al ngulo de disparo.

Cuando el operador tiene el controller en la posicin neutra, el convertidor est siendo disparado a 90 y entrega 0 VDC.

Electrotorque


Un Voltaje negativo significa que el motor est siendo movido por la inercia de su carga mecnica en la direccin opuesta, en este momento el motor acta como un generador y el voltaje generado es retornado como corriente por el convertidor. Este proceso es llamado REGENERACION.

2.10.- Configuracin de un Puente Rectificador a SCRs

(A).- Puente Reversor La Figura (2.18), muestra la configuracin de un puente rectificador completo con posibilidad de inversin de movimiento al que comnmente se le llama reversor.

MS

MS

MS

Arm

Puente

Rectificador

Directo

Puente

Rectificador

Inverso

Figura (2.18).- Configuracin de un puente rectificador a SCRs Reversor. En este tipo de puente, solo uno de ellos, el directo o el inverso conducir en un instante determinado, nunca los dos al mismo tiempo.

(B).- Puentes en Serie El mximo voltaje que un puente a SCRs puede producir, est limitado por el voltaje de lnea AC y por las caractersticas de Voltaje de los SCRs que lo conforma. En el caso de la Pala 4100A, los dos motores de Izar estn conectados en serie y por lo tanto se usa un arreglo de puentes conectados en serie.

Electrotorque


La Figura (2.19) muestra este tipo de arreglo para las armaduras de los motores de Izar.

Arm Arm

MS11

MS12

MS13

MS21

MS22

MS23

Directo Reverso

Directo Reverso

Figura (2.19).- Arreglo de puentes en serie Los SCRs de los puentes correspondientes; esto es, Directo-Directo o Reverso-Reverso, son energizados al mismo tiempo, la tarjeta que se encarga de esta funcin es la Booster Circuit. Es necesario disponer de 2 alimentaciones trifsicas independientes que estn en fase para que el sistema trabaje.

Electrotorque


(C).- Semiconvertidor Un Semiconvertidor es un puente que esta compuesto de 3 SCRs y 3 diodos. Este puede convertir un Voltaje trifsico AC en un Voltaje DC Controlado, Pero no puede Convertir el Voltaje DC en AC (No puede Regenerar). Este tipo de puente es usado para alimentar a los campos de todos los Motores DC que necesitan corriente constante. La Figura (2.20), muestra el circuito de un Semiconvertidor y las formas de onda de salida del puente.

FS21FS22FS23

0v

3 Fses

120VAC

Swing + C/P

Fields

Filtro

Figura (2.20).- Semiconvertidor y formas de onda de salida

Electrotorque


Cuestionario (2) 1. En puente rectificador monofsico a diodos, cul ser la forma de onda de salida

en la carga si un diodo se abre. 2. en puente rectificador trifsico a diodos, cual ser la forma de onda de salida en la

carga si un diodo se abre. 3. Cuantos grados elctricos puede conducir un diodo en un puente rectificador

trifsico. 4. Que es PUNTO DE CONMUTACION NATURAL en un puente rectificador

trifsico a SCRs 5. Explique el funcionamiento del Relay de bajo Voltaje. 6. Cuando ocurre la regeneracin en un convertidor trifsico, que es lo que retorna

a la lnea alterna Tensin o Corriente. Explique. 7. Por qu un Semiconvertidor no tiene posibilidad de entrar en la condicin de

regeneracin. 8. La corriente que circula por el lado DC de un convertidor con carga, es

dependiente o independiente de la carga.? 9. Por qu se dice que un convertidor, por su propia naturaleza se comporta como

una carga inductiva mirando al lado AC, an cuando la carga que tenga en el lado DC sea resistiva pura.

10. Cuales son los lmites prcticos del ngulo de disparo para los SCRs de un convertidor.

Electrotorque


CAPITULO III

MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA

3.1.- PRINCIPIO DE LOS MOTORES Y GENERADORES DC El devanado inducido o Armadura de un Generador o Motor de Corriente

continua esta situado en el rotor tomndose la corriente de l a travs de escobillas de carbn. El devanado inductor o Campo est en el estator y se excita con corriente continua. La figura (3.1) representa esquemticamente un generador elemental de dos polos.

Escobillas de Carbon

Sectores de cobre del

colectorSentido de Giro

N

S

-a

a

Figura (3.1).- Mquina de corriente continua elemental con colector.

El devanado inducido o armadura se reduce a una nica bobina con N espiras cuyos laterales, representados por a y -a, estn situados paralelamente al eje sobre dos generatrices diametralmente opuestas del rotor: el rotor gira a velocidad uniforme arrastrado mecnicamente por su eje. El flujo en el entrehierro se distribuye segn una onda plana como puede verse en la Figura (3.2a) en lugar de hacerlo en la forma senoidal como lo hara una mquina de alterna.

Electrotorque


La rotacin de la bobina induce en ella una tensin funcin del tiempo, cuya forma de onda es semejante a la de la distribucin espacial de la densidad de flujo.

-

a - a

0 2 3 Angulo walrededor

del

entrehierro

Distribucin espacial de

densidad de flujo

(a)

0

Te

nsio

n e

ntr

e e

sco

billa

s

Tiempo t

(b)

Figura (3.2).- (a) Distribucin espacial de la densidad de flujo en el entrehierro de una mquina de continua elemental, y (b) onda de tensin entre las escobillas. Aun cuando el fin perseguido es el de engendrar una tensin continua, la tensin inducida en una bobina nica es siempre alterna, por lo que se requiere rectificarla posteriormente, lo que en ocasiones se realiza en el exterior mediante, por ejemplo, rectificadores de semiconductores: en este caso, la mquina no es mas que un alternador con el aditamento de un rectificador externo. En los generadores clsicos la rectificacin se hace mecnicamente por medio del Colector, que es un cilindro formado por segmentos de cobre (delgas) aislados entre si con mica y montado el conjunto sobre el mismo eje de la armadura aunque aislado de ella. Unas escobillas fijas que se apoyan sobre la superficie del colector conectan el devanado inducido o armadura con el circuito exterior. La necesidad de proceder a la conmutacin es el motivo por el cual en las mquinas de continua el inducido se sita en el rotor.

Electrotorque


En un generador elemental el colector seria de la forma indicada en la Figura (3.1), con el que, para el sentido de rotacin sealado, el lado de bobina que en cualquier momento se halla bajo el polo sur queda siempre conectado a la escobilla positiva, y el que se halla bajo el polo norte a la negativa. El conmutador realiza una rectificacin de onda completa, transformando la onda de tensin entre escobillas a la forma de la Figura (3.2b), con lo que en el circuito exterior siempre circular corriente en un solo sentido. Si circula una intensidad por el circuito exterior derivado de las escobillas, nacer un par debido a la interaccin de los campos magnticos del rotor y del estator: si la mquina acta como generador este par se opone al movimiento, y si acta como motor, par y movimiento tendrn el mismo sentido. Obsrvese que la funcin desarrollada por las tensiones inducidas y por el par electromagntico en las mquinas sncronas puede aplicarse igualmente a las de corriente continua. Con el colector elemental descrito se consigue una rectificacin mecnica, que el caso de una nica bobina como en la Figura (3.1) es una rectificacin de onda completa. Siempre bajo el supuesto de una distribucin senoidal del flujo, la forma de la onda de tensin entre escobillas toma la forma indicada en la Figura (3.3). La tensin media, o continua, entre escobillas es:

Ea = 2/(wN) En mquinas de corriente continua es en general mas conveniente expresar la tensin Ea en funcin de la velocidad mecnica Wm rad/seg. O n r.p.m. esto

es: Ea = 2PNn/60

El devanado de bobina nica aqu supuesto carece de realidad prctica, sin embargo los resultados de la ecuacin anterior son suficientemente correctos para la mayor parte de los devanados distribuidos para corriente continua, siempre que N se tome como nmero total de espiras en serie comprendidas entre los terminales del inducido. Figura (3.3).- Tensin entre escobillas de una mquina de corriente continua elemental.

Electrotorque


Normalmente, la tensin se expresa en funcin del nmero total de conductores activos Za y del nmero a de ramales paralelos en el devanado. Ya

que dos laterales de bobina forman una espira, y 1/a de estas estn conectadas en serie, el nmero total de espiras en serie ser N= Za/2a, y expresado en forma matemtica:

Ea = (Pza/a)(n/60) En el caso de un Motor, para la Figura (3.1), cuando se inyecta corriente continua a la bobina de armadura a travs de las escobillas, esta genera un campo magntico B1 que es repelido por el campo magntico B2, este evento provoca un movimiento de giro o torque rotacional de la bobina de armadura , por lo tanto la fuerza de estos dos campos magnticos es proporcional al torque rotacional de la armadura. Ahora bien, como la corriente que debe circular por la armadura debe ser continua, se adiciona un dispositivo mecnico que rectifica la corriente de tal modo que circule siempre en la misma direccin, tal dispositivo es llamado Colector o

simplemente Conmutador.

3.2.- Definiciones Los motores DC que son usados en Palas P&H con Electrotorque, tienen 2 fuentes de alimentacin independientes. Una fuente es para la corriente de Armadura, la otra suministra la corriente de Campo. Por esta razn, estos motores son llamados Motores DC de excitacin separada. La Figura (3.4) muestra un diagrama de la excitacin. Figura (3.4).- Diagrama de alimentacin de un motor DC de excitacin separada.

Convertidor de

Armadura

12 SCRs

Convertidor de

Campo

Campo de

Motor

Armadura

del Motor

3 Fases

600 VAC

Ia If

Va Vf3 Fases 180 VAC

3 Fases 120 VAC

Convertidor Reversor,

trabaja en los 4 Cuadrantes

Polaridad Fija y Constante

180 VAC = Campo de Izar (Convertidor)

120 VAC = Empuje/Avance/Giro (Semiconvertidor)

Ia = Corriente de Armadura

Va = Voltaje de Armadura

If = Corriente de Campo

Vf = Voltaje de Campo

Electrotorque


La corriente fluye a travs de las bobinas de Campo y genera un campo magntico, la fuerza de este campo magntico es proporcional a la corriente de campo If y al nmero de vueltas de las bobinas de campo.

La corriente de Armadura fluye a travs de las escobillas de carbn y el

conmutador hasta las bobinas de armadura del motor. Esta corriente tambin produce un campo magntico. La interaccin de estos dos campos magnticos crea un efecto rotacional llamado TORQUE.

El Torque es proporcional a la Corriente de Armadura y a la corriente de

Campo. Las dos curvas que se muestran a continuacin ilustran este principio.

Cuando la Armadura del motor comienza a girar, las bobinas de la armadura

cortan el campo magntico generado por la corriente de campo; esto origina que un voltaje sea inducido en la armadura. Este voltaje es llamado Fuerza Contraelectromotriz (CEMF). La Fuerza Contraelectromotriz es proporcional a la

velocidad del motor y al campo magntico.

Se puede invertir el sentido de giro de un motor DC invirtiendo la Corriente de ARMADURA o la Corriente de CAMPO, Invirtiendo una de estas corrientes, se invierte el Torque del Motor el cual inicialmente lo frena y luego acelera en la direccin opuesta. El trmino Resistencia de Armadura est referida a la resistencia hmica de las bobinas de la armadura; esta es usualmente muy pequea, un valor tpico puede ser:

0.04 Ohmios

100%

Torque 100%

Corriente de

Campo

Con Ia constante

Ia

100%

Torque 100%

Con If constante

100%

CEMF

Corriente de

CampoVelocidad

100%

CEMF

50% 50%

50% 50%

Electrotorque


3.3.- Curvas de Trabajo La curva caracterstica de trabajo del motor depende del tipo de fuente de alimentacin. Cuando un sistema de control es adicionado, el voltaje de Armadura puede ser variado y se pueden tener algunas caractersticas de movimiento deseadas. Regulacin de Velocidad con Lmite de Torque: El operador controla la velocidad del Motor. Aplicacin: Empuje Avance Izar Regulacin de Torque con Lmite de Velocidad: El operador controla el Torque desarrollado por el motor.

Fuente DC

Controlada

Izar

Empuje/Avance

Giro

VA

IA

Velocidad

(Torque)

VA

IA

Velocidad

(Torque)

Electrotorque


Aplicacin: Giro

3.4.- Cuadrantes de Control: Movimientos de Izar y Descenso

II I

III IV

+

-

Vf

+

-

Vf

+

-

Vf

+

-

Vf

T VT V

T V T V

Ia Ia

IaIa

Frenando el Movimiento de Izar Izando

Frenando el Movimiento de

Descenso

Descendiendo

El motor es arras trado por la ine rc ia

mecnica de su carga. La Regeneracin

ocurre.

El motor hace trabajo levantando la carga.

El motor hace trabajo bajando la carga. El motor es arras trado por la ine rc ia

mecnica de su carga. La Regeneracin

ocurre.

T = Torque

V = Velocidad

Electrotorque


3.5.- Voltaje de Armadura y Corriente de Armadura

II I

IVIII

Cuadrante de Frenado

El puente inverso est conduciendo,

Alfa (ngulo de disparo) varia entre

90 y 145. La Regneracin Ocurre.

Cuadrante de Potencia

El puente Directo est conduciendo,


10 y 90.

Energa

MecnicaDC AC AC DC

Energa

Mecnica

Cuadrante de Potencia

El puente Inverso est conduciendo,


10 y 90.

AC DCEnerga

Mecnica

Cuadrante de Frenado

El puente Directo est conduciendo,


90 y 145. La Regneracin Ocurre.

Energa

MecnicaDC AC

Electrotorque


3.6.- Debilitamiento de Campo El Debilitamiento de Campo es usado en el movimiento de Izar, solo cuando el cucharn vaco est descendiendo. El Debilitamiento de campo solo es permitido cuando el sistema ha entrado a operar en el Cuarto Cuadrante. La Figura (3.5) muestra como trabaja este proceso.

Va = 550 V

IfIa1000A 100A

50A

500RPM

12

43

- 550V

550V

2,625 A

682.5 A

Zona Permitida de

debilitamiento de Campo

Caracterstica de Armadura de Izar

Figura (3.5).- Diagrama del proceso de debilitamiento de Campo.

Ventaja: Si la corriente de campo disminuye, el campo magntico tambin disminuir; como resultado la Fuerza Contraelectromotriz disminuir y la corriente de armadura aumentar. Entonces, habr mas torque y la velocidad del motor aumentar.

Conclusin: El debilitamiento de la corriente de Campo, permite que el motor

incremente su velocidad.

Desventaja: En muchas aplicaciones la corriente de armadura est limitada a un valor mximo para proteger al motor. De esta manera, el mximo Torque que puede entregar el motor depende del campo magntico. Si la corriente de campo disminuye, el mximo Toque disponible es tambin disminuye.

Conclusin: El arranque o parada de un motor cargado requiere mximo

Torque, en esta condicin no puede aplicarse el debilitamiento de campo.

Electrotorque


3.7.- Caractersticas de Armadura Cuando algn control es adicionado a la excitacin de la armadura de un motor DC, se obtiene una curva caracterstica de respuesta que corresponde al comportamiento deseado del sistema. En la pala 4100A, el control electrnico Electrotorque, adiciona determinada caracterstica para determinado tipo de movimiento. Esta caracterstica limita o la velocidad o el Torque del Motor DC de acuerdo a las necesidades del trabajo.

(A).- Movimiento de Izar La Figura (3.6) muestra la curva caracterstica de las Armaduras de los motores de Izar, la cual corresponde a un control de Velocidad con lmite de Torque.

Ia+

Va+

Ia-

Va-

600 VDC85% Istall

2,231 Amp

- 550 VDC

Area de debilitamiento de Campo:

- Solicitud de descenso mximo

- 35 % Istall

026 % Istall

682 Amp

Caracterstica

Volt-Amp

Movimiento Izar

Motores 2 en serie

Control Velocidad

Istall = 2,625 Amp

Figura (3.6).- Curva caracterstica de respuesta del Control de la Armadura de Izar. La forma como estn conectadas las dos armaduras, es mostrada en la Figura (3.7); el lector debe notar que el contactor que aparece en esta figura es el que permite conmutar el convertidor de Izar #1 para el motor de Avance #1. Ntese tambin que para poder obtener 2 fuentes DC independientes, se usan los dos secundarios del transformador principal, esto tambin permite balancear la carga en ambos.

Electrotorque


H2 H1

MS11

MS12

MS13

MS21

MS22

MS23

Configuracin del

Convertidor de Armadura

Izar #1

Izar #2

Figura (3.7).- Configuracin de los convertidores y armaduras de Izar, se usan 24 SCRs; 12 para cada convertidor.

(B).- Movimiento de Giro La Figura (3.8) muestra la curva caracterstica de las Armaduras de los motores de Giro, la cual corresponde a un control de Torque con lmite de Velocidad.

Va+

Ia+

Va-

Ia-

Caractersticas

Volt-Amp

600 VDC

2,250 Amp

- 600 VDC

2,250 Amp

Movimiento

Motores

Control

Giro

2 en serie

Torque

Figura (3.8).- Curva caracterstica de respuesta del Control de la Armadura de Giro.

Electrotorque


La forma como estn conectadas las dos armaduras, es mostrada en la Figura (3.9). Ntese que solo se usa un convertidor para alimentar a las 2 armaduras de los motores conectadas en serie.

S1

S2

MS11

MS12

MS13

Configuracin del

Convertidor de

Armadura

Figura (3.9).- Configuracin del convertidor y las armaduras de Giro, se usan solo 12 SCRs y un solo convertidor.

(C).- Movimiento de Empuje La Figura (3.10) muestra la curva caracterstica de la Armadura del motor de Empuje, la cual corresponde a un control de Velocidad con lmite de Torque.

Va+

Va-

Ia-

Caractersticas

Volt-Amp

550 VDC

1,650 Amp

85 % Istall

1,402 Amp

85 % Istall

1,402 Amp

1,650 Amp

85 % Istall

1,402 Amp

85 % Istall

1,402 Amp

Movimiento

Motores

Control

Empuje

1

Velocidad

Electrotorque


Figura (3.10).- Curva caracterstica de respuesta del Control de la Armadura de Empuje. La forma como est conectada la armadura con el convertidor, es mostrada en la Figura (3.11). Ntese que se usa un contactor para permitir el uso de este convertidor con el motor de Avance #2.

MS21

MS22

MS23

Configuracin del

Convertidor de

Armadura

CAC

C

Figura (3.11).- Configuracin del convertidor y la armadura de Empuje.

(D).- Movimiento de Avance La Figura (3.12) muestra la curva caracterstica de las Armaduras de los motores de Empuje, la cual corresponde a un control de Velocidad con lmite de Torque. En este circuito, el motor de Avance #1 est orientado al convertidor de Izar #1, en el caso de Izar cuando el controller se aplica adelante, el cucharn baja y el motor de Avance #1 avanza siendo el convertidor que trabaja el reverso.

Va+

Ia+

Va-

Ia-

550VDC

- 550VDC

85 % Istall

1,190 Amp85 % Istall

1,190 Amp

85 % Istall

1,190 Amp

85 % Istall

1,190 Amp

Movimiento

Motores

Control

Avance

2 Independientes

Velocidad

Istall = 1,400 AmpIstall = 1,400 Amp

Figura (3.12).- Caracterstica de Armadura de los Motores de Avance.

Electrotorque


De la misma manera, el motor de Avance #2 est orientado al convertidor de Empuje. La Figura (3.13) muestra el diagrama de conexin de los Motores de Avance y los convertidores con los que trabajan.

MS21

MS22

MS23

CAC

C

P2AC

P2

Conversor de Armadura

de Empuje

MS11

MS12

MS13

MS21

MS22

MS23

HACP1AC

H1

P1

H2

Armadura de Izar

Conversor #1

Armadura de Izar

Conversor #2

Figura (3.13).- Configuracin de los convertidores de Izar y Empuje con las armaduras de los motores de Avance.

Electrotorque


3.8.- Caractersticas de Campo Tan importante como la curva de respuesta de armadura, es tambin la caracterstica de respuesta de Campo para cualquier motor; mas an cuando existe la opcin de debilitamiento de campo. Todos los motores DC de la Pala 4100A usan Semiconvertidores para alimentar sus campos, con exepcin de los Motores de Izar que usan un Convertidor para alimentar sus campos.

(A).- Movimiento de Izar La Figura (3.14) muestra la configuracin del convertidor y los campos de izar

3 180VAC

H2 H1

HFOL

Figura (3.14).- Configuracin de Convertidor y campos de los motores de izar. El lector debe tener presente siempre que tres seales se suman para determinar el momento en que se aplica el debilitamiento de campo; y por lo tanto deben cumplirse las siguientes condiciones:

Electrotorque


1. El Voltaje de Realimentacin de Armadura (Vafb) debe ser mayor o igual a + 9.5 VDC. Condicin que garantiza que el cucharn est a mxima velocidad y descendiendo.

2. La polaridad de la seal Ia-polarity debe ser positiva. Condicin que garantiza que el puente que est conduciendo en ese momento es el Directo.

3. La realimentacin de la corriente de Armadura (Iafb) debe ser menor o igual que 3.5 VDC. Condicin que garantiza que el cucharn est vaco.

La siguiente Tabla muestra los valor

manual sistema electrotorque pala electrica cable 4100a pyh conversion motores control

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