guia laboratorio accionamientos_elec2013

Guías de Laboratorio ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS

Enrique Ciro Quispe Oqueña Ingeniero Electricista, M. Sc., Ph.D.

PROGRAMA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA

FACULTAD DE INGENIERÍA

SANTIAGO DE CALI, 2012

AGRADECIMIENTOS El autor desea expresar su agradecimiento a las personas que colaboraron determinantemente en la elaboración de esta guía de laboratorios del curso de Accionamientos Eléctricos. Al instructor de laboratorio Tecnólogo Diego Fernando Polo Clavijo por la información en detalle de todos los equipos del laboratorio y de los esquemas de arranque de lógica cableada y programada de los motores de inducción. Asimismo al estudiante de Ingeniería Eléctrica Diego Fernando Valencia García por su colaboración en la organización del documento y en la elaboración de la guía de programación en logo.

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CONTENIDO

pág. INTRODUCCIÓN 8 LABORATORIO 1. ARRANQUE DE MOTORES ELÉCTRICOS DE INDUCCIÓN MEDIANTE LÓGICA CABLEADA 9 1.1. PROCEDIMIENTO 10

1.1.1. Arranque directo del motor de inducción 10 1.1.2. Arranque e inversión de marcha manual 11 1.1.3. Arranque estrella – triangulo temporizado 13

LABORATORIO 2. ARRANQUE DE MOTORES ELÉCTRICOS DE INDUCCIÓN MEDIANTE LÓGICA PROGRAMADA 15 2.1. PROCEDIMIENTO 15

2.1.1. Arranque directo del motor de inducción 15 2.1.2. Arranque e inversión de marcha manual 17 2.1.3. Arranque estrella – triangulo temporizado 19

LABORATORIO 3. CONTROL DE VELOCIDAD DE MOTORES DC 21 3.1. PROCEDIMIENTO 21

3.1.1. Control por variación de resistencia de armadura 21 3.1.2. Control por variación de tensión de armadura 23

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LABORATORIO 4. CONTROL DE VELOCIDAD DE MOTORES DE INDUCCIÓN POR VARIACIÓN DE TENSIÓN Y FRECUENCIA 25 4.1. PROCEDIMIENTO 26 LABORATORIO 5. ARRANQUE DEL MOTOR DE INDUCCIÓN USANDO ARRANCADOR SUAVE (SOFT START) 29 5.1. PROCEDIMIENTO 30 BIBLIOGRAFÍA 32 Anexo A. Guía para la programación del LOGO 33 (Adaptado de Siemens. Manual LOGO!) 33 PREPARACIÓN DEL LOGO 35 BLOQUES Y NÚMEROS DE BLOQUE 37

Bloques 37 Representación de un bloque en el display del LOGO 38

Ejemplo de programación en LOGO 39

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LISTA DE TABLAS

pág. Tabla 1. Materiales y equipos para práctica de lógica cableada 10 Tabla 2. Materiales y equipos para práctica de lógica programada 15 Tabla 3. Materiales y equipos para práctica de control de motor DC 21 Tabla 4. Materiales y equipos para práctica de control de motores por variación de tensión y frecuencia. 27 Tabla 5. Mediciones de las características de operación del motor a diferentes frecuencias 27 Tabla 6. Materiales y equipos para práctica de arranque de motor de inducción usando arrancador suave 30

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LISTA DE FIGURAS

pág. Figura 1. Diagrama de conexiones de control y fuerza para arranque directo del motor de inducción 11 Figura 2. Diagrama de conexiones de control y fuerza para arranque con inversión de marcha manual del motor de inducción 12 Figura 3. Diagrama de conexiones de control y fuerza para arranque estrella-triangulo temporizado del motor de inducción 13 Figura 4. Diagrama Lógico para arranque directo del motor de inducción 16 Figura 5. Diagrama tipo Ladder para arranque directo del motor de inducción 16 Figura 6. Diagrama Lógico para arranque e inversión de giro manual del motor de inducción 17 Figura 7. Diagrama tipo Ladder para arranque e inversión de giro manual del motor de inducción 18 Figura 8. Diagrama Lógico para arranque estrella-triangulo del motor de inducción 19 Figura 9. Diagrama tipo Ladder para arranque estrella-triangulo del motor de inducción 20 Figura 10. Circuito equivalente del motor DC con excitación independiente y una resistencia de armadura adicional 22 Figura 11. Curva Par vs Velocidad del motor DC y el efecto de agregar una resistencia a la armadura 23 Figura 12. Circuito equivalente del motor DC con excitación independiente y tensión de armadura variable 24 Figura 13. Variación de la tensión en función de la frecuencia en porcentaje de los valores nominales 25

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Figura 14. Regulación de velocidad por control V/F 26 Figura 15. Curva Par vs Velocidad del motor de inducción con un control V/F constante, para frecuencias de 5, 15, 30, 45 y 60 Hz 28 Figura 16. Arreglo anti-paralelo de tiristores para controlar la tensión en terminales del motor de inducción (Arrancador suave) 29 Figura 17. Curva par vs velocidad del motor de inducción controlado por el arrancador suave (por variación de tensión en sus terminales) 31 Figura 18. Entradas y salidas del LOGO 33 Figura 19. Dispositivo LOGO del laboratorio de Ingeniería Eléctrica 34 Figura 20. Borneras de entrada y salida adaptadas al LOGO 34 Figura 21. Parte inferior del LOGO 35 Figura 22. Procedimiento para acceder al menú principal 36 Figura 23. Acceso al menú de programación 36 Figura 24. Confirmación de borrado de memoria de programación 37 Figura 25. Visualización de un bloque en el display 38 Figura 26. Ilustración de asignación del número de bloque 38 Figura 27. Modificación del programa sobre la salida Q1 39 Figura 28. Bloque de Relé de parada automática 39

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INTRODUCCIÓN Estas guías de laboratorio se han elaborado con el objetivo de reforzar el aprendizaje del curso de Accionamientos Eléctricos del Programa de Ingeniería Eléctrica. El Laboratorio1 está dedicado a la implementación de tres métodos de arranque del motor de inducción trifásico mediante la lógica cableada: el arranque directo, el arranque directo con inversión de giro manual y el arranque estrella-triangulo temporizado. El Laboratorio 2 está dedicado a los mismos métodos de arranque que el Laboratorio 1 pero su implementación se realiza mediante la lógica programada usando los dispositivos LOGO. En el Anexo A de este documento se presenta una guía básica de programación del LOGO para las personas que no estén familiarizadas con este dispositivo. El Laboratorio 3 tiene como objetivo que el estudiante implemente dos métodos de control de velocidad de motores de corriente directa: el método por variación de resistencia de armadura y el método por variación de tensión de armadura. El Laboratorio 4 pretende reforzar el aprendizaje del control de velocidad de motores de inducción mediante variadores de frecuencia. El laboratorio está enfocado en la aplicación de un variador industrial de control escalar de velocidad. Finalmente el Laboratorio 5 tiene como objetivo que el estudiante aplique un arrancador suave industrial (soft start) para poner en marcha un motor de inducción trifásico, y comprenda las ventajas de programación que tiene este arrancador en la puesta en marcha de esta máquina eléctrica.

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LABORATORIO 1. ARRANQUE DE MOTORES ELÉCTRICOS DE INDUCCIÓN MEDIANTE LÓGICA CABLEADA

Los motores eléctricos de inducción (también conocidos como motores asíncronos) constituyen los dispositivos de tracción más empleados en el mundo, con un mayor impacto en procesos de tipo industrial; sector en el cual consumen aproximadamente el 80% de la energía eléctrica total empleada1. En cuanto al sector industrial, una de las necesidades que más se presenta, consiste en la automatización de sus procesos en busca de altos índices de eficiencia y mayor competitividad empresarial, necesidad ante la cual se han desarrollado gran variedad de metodologías y tecnologías que permiten, en el caso de las industrias que emplean motores de inducción, la automatización del encendido, apagado e incluso sentido de giro de estas máquinas2. Una problemática adicional aparece en el caso de los motores de grandes potencias; normalmente las corrientes de arranque de los motores de inducción, a pesar de ser grandes (respecto a sus corrientes nominales), se limitan a valores tolerables debido a las impedancias de los devanados, sin embargo, para motores grandes la resistencia de los devanados es pequeña, lo cual provoca una corriente de arranque que puede ser excesivamente alta respecto a las protecciones del sistema y frente al objetivo de reducción de pérdidas para un uso eficiente de la energía eléctrica3. Así, en esta práctica de laboratorio se analizan los métodos de automatización industrial mediante lógica cableada; para ello, se realizarán tres diferentes tipos de conexión para el arranque del motor trifásico de inducción, todos empleando métodos de lógica cableada, es decir, que se utilizarán un conjunto de contactores para realizar el control de la máquina. Inicialmente se implementa el arranque directo del motor de inducción; posteriormente se realizará el control correspondiente a la inversión de giro manual del mismo. Finalmente se implementará el arranque estrella-triangulo temporizado de la máquina eléctrica.

1 QUISPE OQUEÑA, Enrique Ciro. Una Visión Integral para el uso Racional de la Energía en la Aplicación de Motores Eléctricos de Inducción. En: El Hombre y la Máquina, Número 20-21, julio-diciembre, 2003, p 52-59. 2 GARCIA MORENO, Emilio. Automatización de Procesos Industriales. Alfaomega. México. 2001. 3 MOHAMED A. El-Sharkawi. Fundamentals of Electric Drives. Brooks/Cole Publishing Company: Thomson Learning. Estados Unidos. 2000, p 142 – 143.

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1.1. PROCEDIMIENTO Para realizar el montaje de las tres prácticas correspondientes a lógica cableada, se sugiere solicitar en el almacén del laboratorio de Ingeniería Eléctrica los siguientes materiales y equipos: Tabla 1. Materiales y equipos para práctica de lógica cableada

Ítem Cantidad Cables pomona cortos 10

Cables pomona medianos 10 Cables pomona largos 10

Motor trifásico de inducción 1 Amperímetro análogo 1

Aquellos materiales que no se listen en la Tabla 1 podrán emplearse sin ser solicitados en el almacén, como es el caso de los contactores. 1.1.1. Arranque directo del motor de inducción

Empleando el diagrama de conexiones mostrado en la Figura 1. Diagrama de conexiones de control y fuerza para arranque directo del motor de inducción, correspondiente a los diagramas de control (esquema izquierdo) y de fuerza (esquema derecho) para el arranque directo del motor de inducción, realice el montaje del mismo en los tableros. Para la conexión del motor de inducción mostrada en la Figura 1, utilizando un amperímetro análogo con la escala adecuada, mida la corriente de una de las fases que alimenta al motor. Tenga en cuenta la respuesta a las siguientes preguntas para realizar su análisis: ¿Qué comportamiento presenta la corriente medida? ¿Cuál es su valor máximo? ¿En qué valor se estabiliza? ¿Es apreciable el tiempo en el cual la corriente es máxima?

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Figura 1. Diagrama de conexiones de control y fuerza para arranque directo del motor de inducción

Fuente: POLO, Diego Fernando. Práctica: Accionamiento de motores y PLC. Universidad Autónoma de Occidente. Cali. 2009. 1.1.2. Arranque e inversión de marcha manual

Empleando el diagrama de conexiones mostrado en la figura 2, correspondiente a los diagramas de control (esquema izquierdo) y de fuerza (esquema derecho) para el arranque e inversión de giro manual del motor de inducción, realice el montaje del mismo en los tableros.

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Figura 2. Diagrama de conexiones de control y fuerza para arranque con inversión de marcha manual del motor de inducción

Fuente: POLO, Diego Fernando. Práctica: Accionamiento de motores y PLC. Universidad Autónoma de Occidente. Cali. 2009. Para la conexión del motor de inducción mostrada en la Figura 2, analice como este esquema realiza la inversión de giro de la máquina, y que método emplea para evitar un cortocircuito al momento de realizar el cambio en el sentido de giro. Utilizando un amperímetro análogo con la escala adecuada, mida la corriente de una de las fases que alimenta al motor. ¿Qué comportamiento presenta la corriente medida? ¿Cuál es su valor máximo? ¿En qué valor se estabiliza? ¿Es apreciable el tiempo en el cual la corriente es máxima?

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Arranque el motor en sentido de las manecillas del reloj. Posteriormente des-energice el circuito, y sin que el motor deje de girar, arranque el mismo para que gire en sentido contrario a las manecillas del reloj. Utilizando un amperímetro análogo con la escala adecuada, mida la corriente de una de las fases que alimenta al motor cuando se realiza este cambio. ¿Qué sucede con las corrientes de arranque y de vacío? 1.1.3. Arranque estrella – triangulo temporizado

Empleando el diagrama de conexiones mostrado en la figura 3, correspondiente a los diagramas de control (esquema izquierdo) y de fuerza (esquema derecho) para el arranque estrella-triangulo del motor de inducción, realice el montaje del mismo en los tableros. Figura 3. Diagrama de conexiones de control y fuerza para arranque estrella-triangulo temporizado del motor de inducción

Fuente: POLO, Diego Fernando. Práctica: Accionamiento de motores y PLC. Universidad Autónoma de Occidente. Cali. 2009.

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Para la conexión del motor de inducción mostrada en la Figura 3, utilizando un amperímetro análogo con la escala adecuada, mida la corriente de una de las fases que alimenta al motor. ¿Qué comportamiento presenta la corriente medida? ¿Cuál es su valor máximo? ¿En qué valor se estabiliza? ¿Es apreciable el tiempo en el cual la corriente es máxima? Cuando el temporizador es accionado: ¿Qué sucede con la corriente medida? ¿Qué puede concluir al comparar la corriente medida en un arranque directo del motor de inducción con la medida en el arranque estrella-triangulo? Explique cuáles son las ventajas y desventajas de aplicar el arranque tipo estrella-triangulo del motor de inducción.

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LABORATORIO 2. ARRANQUE DE MOTORES ELÉCTRICOS DE INDUCCIÓN MEDIANTE LÓGICA PROGRAMADA

En esta práctica de laboratorio, se realizarán tres diferentes tipos de conexión para el arranque del motor trifásico de inducción, todos empleando métodos de lógica programada, es decir, que se utilizará un controlador tipo LOGO4 que realizará toda la acción de control sobre los contactores que arrancan al motor. Inicialmente se implementa el arranque directo del motor de inducción; posteriormente se realizará el control correspondiente a la inversión de giro manual del mismo. Finalmente se implementará el arranque estrella-triangulo temporizado de la máquina eléctrica.

2.1. PROCEDIMIENTO Se sugiere emplear los siguientes materiales y equipos disponibles en el almacén del laboratorio de Ingeniería Eléctrica. Tabla 2. Materiales y equipos para práctica de lógica programada



Motor trifásico de inducción 1 LOGO Siemens 1

Amperímetro análogo 1 Aquellos materiales que no se listen en la Tabla 2 podrán emplearse sin ser solicitados en el almacén, como es el caso de los contactores adicionales necesarios para cada montaje. 2.1.1. Arranque directo del motor de inducción

Empleando el diagrama de fuerza (esquema derecho) de la Figura 1 en la sección 1.1.1, y el diagrama lógico para programar el LOGO de la Figura 4 y teniendo en cuenta las conexiones dadas por el diagrama tipo ladder de la 4 SIEMENS. Manual LOGO!. Siemens. Madrid. 1996, p 1 – 61.

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Figura 5 para el arranque directo del motor de inducción, realice el montaje del mismo en los tableros. Se realiza entonces el arranque directo del motor de inducción, esta vez empleando un LOGO, el cual realiza las funciones representativas del diagrama de control de la lógica cableada, es decir, controla el accionamiento de los contactores que energizan el motor. Figura 4. Diagrama Lógico para arranque directo del motor de inducción

Fuente: POLO, Diego Fernando. Práctica: Accionamiento de motores y PLC. Universidad Autónoma de Occidente. Cali. 2009. Figura 5. Diagrama tipo Ladder para arranque directo del motor de inducción


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Utilizando un amperímetro análogo con la escala adecuada, mida la corriente de una de las fases que alimenta al motor. Con base en la respuesta a las siguientes preguntas realice los análisis del montaje anterior. ¿Qué comportamiento presenta la corriente medida? ¿Cuál es su valor máximo? ¿En qué valor se estabiliza? ¿Es apreciable el tiempo en el cual la corriente es máxima? 2.1.2. Arranque e inversión de marcha manual

Empleando el diagrama de fuerza (esquema derecho) de la Figura 2 en la sección 1.1.2, y el diagrama lógico para programar el LOGO de la Figura 6 y teniendo en cuenta las conexiones dadas por el diagrama tipo ladder de la Figura 7 para el arranque e inversión de giro manual del motor de inducción, realice el montaje del mismo en los tableros. Figura 6. Diagrama Lógico para arranque e inversión de giro manual del motor de inducción


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Figura 7. Diagrama tipo Ladder para arranque e inversión de giro manual del motor de inducción

Fuente: POLO, Diego Fernando. Práctica: Accionamiento de motores y PLC. Universidad Autónoma de Occidente. Cali. 2009. Utilizando un amperímetro análogo con la escala adecuada, mida la corriente de una de las fases que alimenta al motor. ¿Qué comportamiento presenta la corriente medida? ¿Cuál es su valor máximo? ¿En qué valor se estabiliza? ¿Es apreciable el tiempo en el cual la corriente es máxima? Arranque el motor en sentido de las manecillas del reloj. Posteriormente des-energice el circuito, y sin que el motor deje de girar, arranque el mismo para que gire en sentido contrario a las manecillas del reloj. Utilizando un amperímetro análogo con la escala adecuada, mida la corriente de una de las fases que alimenta al motor cuando se realiza este cambio. ¿Qué sucede con las corrientes de arranque y de vacío?

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2.1.3. Arranque estrella – triangulo temporizado Empleando el diagrama de fuerza (esquema derecho) de la Figura 3, sección 1.1.3, el diagrama lógico para programar el LOGO de la Figura 8 y teniendo en cuenta las conexiones dadas por el diagrama tipo ladder de la Figura 9 para el arranque estrella-triangulo del motor de inducción, realice el montaje del mismo en los tableros. Figura 8. Diagrama Lógico para arranque estrella-triangulo del motor de inducción


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Figura 9. Diagrama tipo Ladder para arranque estrella-triangulo del motor de inducción

Fuente: POLO, Diego Fernando. Práctica: Accionamiento de motores y PLC. Universidad Autónoma de Occidente. Cali. 2009. Utilizando un amperímetro análogo con la escala adecuada, mida la corriente de una de las fases que alimenta al motor. ¿Qué comportamiento presenta la corriente medida? ¿Cuál es su valor máximo? ¿En qué valor se estabiliza? ¿Es apreciable el tiempo en el cual la corriente es máxima? Cuando el temporizador es accionado: ¿Qué sucede con la corriente medida? ¿Qué puede concluir al comparar la corriente medida en un arranque directo del motor de inducción con la medida en el arranque estrella-triangulo? Explique qué beneficios ofrece el uso de la lógica programada para el arranque de motores de inducción respecto a la lógica cableada.

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LABORATORIO 3. CONTROL DE VELOCIDAD DE MOTORES DC Los motores de corriente directa (DC) tienen importantes propiedades, como lo es el caso en que pueden ser fácilmente controlados entregando un alto par de arranque. De esta manera, a lo largo de la historia, los motores DC han sido ampliamente utilizados en tareas de movimiento con precisión como actuadores, manipulación y tracción. En esta práctica se analizarán dos de los métodos básicos de control de velocidad de motores DC, empleando una resistencia adicional que limita la corriente que circula por la armadura del mismo, ilustrada en la figura 10 y variando la tensión aplicada a la armadura. Se analizará el comportamiento de esta máquina y de calcularán sus parámetros.

3.1. PROCEDIMIENTO Usando el motor de corriente continua de excitación independiente y teniendo en cuenta los materiales y equipos listados en la Tabla 3, realice las siguientes actividades: Tabla 3. Materiales y equipos para práctica de control de motor DC



Multímetro digital 2 Resistencia de control de armadura 1

Aquellos materiales que no se listen en la Tabla 3 podrán emplearse sin ser solicitados en el almacén, como es el caso del motor DC.

3.1.1. Control por variación de resistencia de armadura Ponga en marcha el motor y usando el freno cárguelo hasta que absorba una corriente de armadura de 3 A. En estas condiciones mida la velocidad del motor.

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Adicione a la armadura la resistencia de control de armadura que está en el laboratorio, de acuerdo a la Figura 10 y ponga en marcha nuevamente el motor. Figura 10. Circuito equivalente del motor DC con excitación independiente y una resistencia de armadura adicional

Fuente: MOHAMED A. El-Sharkawi. Fundamentals of electric drives5 Usando el freno cárguelo nuevamente hasta que absorba una corriente de armadura de 3 A. En estas condiciones mida la velocidad del motor. Realice las pruebas necesarias y teniendo en cuenta la variación de la curva de par del motor (Figura 11) encuentren el valor de:

Resistencia de armadura

Resistencia de control de armadura

Constante de excitación: aK

5 MOHAMED A. El-Sharkawi. Fundamentals of Electric Drives. Brooks/Cole Publishing Company: Thomson Learning. Estados Unidos. 2000, p 157.

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Figura 11. Curva Par vs Velocidad del motor DC y el efecto de agregar una resistencia a la armadura

Fuente: MOHAMED A. El-Sharkawi. Fundamentals of electric drives6

Responda lo siguiente:

¿En qué porcentaje se disminuyó la velocidad del motor?

Calcule la magnitud de la corriente de arranque del motor sin resistencia

adicional y con resistencia adicional.

3.1.2. Control por variación de tensión de armadura

Un método que presenta mayor eficiencia y estabilidad respecto a la variación de resistencia de armadura, muy comúnmente empleado para controlar los motores dc es la variación de la tensión aplicada en armadura. Para esta prueba el motor debe estar alimentado con fuentes independientes para la armadura y para el circuito de campo. Ponga en marcha el motor alimentando la armadura con la tensión de placa. Usando el freno cárguelo hasta que absorba una corriente de armadura de 3 A. En estas condiciones mida la velocidad del motor.


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Siga el mismo procedimiento para tensiones de 90%, 80%, 70% de la tensión de armadura de placa. A partir de los datos medidos responda: ¿Qué diferencia encuentra entre este método de control y el de variación de resistencia de armadura? ¿Es correcto afirmar que este método de control es más eficiente que el anteriormente tratado? Justifique. Figura 12. Circuito equivalente del motor DC con excitación independiente y tensión de armadura variable

Fuente: MOHAMED A. El-Sharkawi. Fundamentals of electric drives7


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LABORATORIO 4. CONTROL DE VELOCIDAD DE MOTORES DE INDUCCIÓN POR VARIACIÓN DE TENSIÓN Y FRECUENCIA

Hasta hace muy poco, las máquinas de inducción o asíncronas eran empleadas para labores en las que no se requería de un control de velocidad debido a la complejidad de esta acción sobre este tipo de motores, resultando en métodos de gran ineficiencia. Con la aparición de la electrónica de potencia en cuanto a los dispositivos de estado sólido y convertidores de potencia de frecuencia variable se han diseñado y adaptado diversos dispositivos enfocados al control óptimo de las variables del motor de inducción, obteniendo como resultado operaciones de esta máquina con la robustez que ofrece y una acción de precisión que solo se había conseguido con motores DC8. Uno de los métodos de control de velocidad del motor de inducción de mayor eficiencia y más empleados es mediante la variación de frecuencia y tensión de alimentación del mismo. Al variar la frecuencia se consigue una variación efectiva de la velocidad del motor, y variando la tensión de alimentación se consigue mantener el par deseado al variar la frecuencia de entrada. Estas dos variables deben mantener una linealidad, es decir, que su cociente debe permanece constante para obtener el resultado deseado, de acuerdo como se muestra en la Figura 13. Figura 13. Variación de la tensión en función de la frecuencia en porcentaje de los valores nominales

Fuente: FRAILE, Jesús. Máquinas Eléctricas. Quinta edición.9


9 FRAILE, Jesus. Máquinas Eléctricas. Quinta edición. McGraw Hill – Interamericana de España. Madrid. 2003. p 661 – 667.

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La realización de este tipo de control se realiza básicamente a partir de dos convertidores electrónicos: un rectificador conmutado y un inversor de conmutación forzada (Figura 14). Figura 14. Regulación de velocidad por control V/F

Fuente: FRAILE, Jesús. Máquinas Eléctricas. Quinta edición.10 En esta práctica se empleará entonces un inversor como convertidor de potencia de un accionamiento eléctrico para entender el control de velocidad del motor de inducción mediante variación de V/F.

4.1. PROCEDIMIENTO Para esta práctica se deben tener en cuenta los materiales listados en la siguiente tabla:

10 FRAILE, Jesús. Máquinas Eléctricas. Quinta edición. McGraw Hill – Interamericana de España. Madrid. 2003. p 661 – 667.

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Tabla 4. Materiales y equipos para práctica de control de motores por variación de tensión y frecuencia.



Amperímetro 1 Aquellos materiales que no se listen en la Tabla 4 podrán emplearse sin ser solicitados en el almacén, como es el caso del motor AC y el variador de velocidad. Use el conjunto variador de frecuencia y motor de inducción jaula de ardilla de cuatro polos. Puede usar el motor de 3 HP o el de 5 HP. Anote los datos de placa del motor.

Alimente el motor en vacío a la frecuencia de 60 Hz y mida la tensión

aplicada al motor y la velocidad.

Alimente el motor en vacío a la frecuencia de 40 Hz y mida la tensión aplicada al motor y la velocidad.

Alimente el motor en vacío a la frecuencia de 20 Hz y mida la tensión aplicada al motor y la velocidad.

Consigne sus datos en la Tabla 5:

Tabla 5. Mediciones de las características de operación del motor a diferentes frecuencias

Tensión (V) Frecuencia (Hz) RPM 60 40 20

Grafique la relación V/F tomando como eje vertical la tensión y eje

horizontal la frecuencia.

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Programe el variador para que realice el arranque y la inversión de giro del motor. De acuerdo a la curva de Par vs. Velocidad del motor de inducción bajo estas condiciones, mostrada en la Figura 15, responda: ¿En cuántos cuadrantes trabaja el motor de inducción en este proceso?

Figura 15. Curva Par vs Velocidad del motor de inducción con un control V/F constante, para frecuencias de 5, 15, 30, 45 y 60 Hz

Fuente: FRAILE, Jesús. Máquinas Eléctricas. Quinta edición.11

11 FRAILE, Jesús. Máquinas Eléctricas. Quinta edición. McGraw Hill – Interamericana de España. Madrid. 2003. p 661 – 667.

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LABORATORIO 5. ARRANQUE DEL MOTOR DE INDUCCIÓN USANDO ARRANCADOR SUAVE (SOFT START)

Un método que puede ser empleado para variar la velocidad de un motor de inducción, además de la variación de su frecuencia, es la modificación de su tensión de alimentación en el devanado del estátor. La Figura 16 muestra el dispositivo empleado para esta tarea, el cual consiste en un arreglo de dos tiristores por fase conectados en antiparalelo. Con este método se puede variar el valor rms de la tensión aplicada simplemente modificando el ángulo de disparo de los tiristores. Esta aplicación es ampliamente utilizada para el arranque de motores, puesto que al aumentar progresivamente la tensión en la máquina, se evita la aparición de grandes corrientes de arranque que pueden ocasionar problemas en la red eléctrica. El dispositivo para esta acción de control se conoce como arrancador suave. En esta práctica se estudiará el funcionamiento de un arrancador suave y sus modos de operación para el encendido de un motor de inducción en vacío. Figura 16. Arreglo anti-paralelo de tiristores para controlar la tensión en terminales del motor de inducción (Arrancador suave)

Fuente: CROWDER Richard. Electric drives and electromechanical systems12

12 CROWDER Richard. Electric drives and electromechanical systems. Elsevier. Gran Bretaña. 2006, p 200.

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5.1. PROCEDIMIENTO Para esta práctica se deben tener en cuenta los materiales listados en la siguiente tabla: Tabla 6. Materiales y equipos para práctica de arranque de motor de inducción usando arrancador suave.



Multímetro digital 2 Resistencia de control de armadura 1

Aquellos materiales que no se listen en la Tabla 6 podrán emplearse sin ser solicitados en el almacén, como es el caso del motor AC y el variador de velocidad. Usando el arrancador suave (Figura 16), conéctelo con un motor de inducción de 0.4 HP, y haga las siguientes pruebas. Ajuste la rampa de aceleración a mínimo (tensión inicial de operación) y el

tiempo de la rampa en 20 segundos. Ajuste la rampa de parada en 20 segundos. Con estos ajustes arranque el motor y mida los tiempos de arranque y parada.

Ajuste la rampa de aceleración al 50% y el tiempo de la rampa en 20 segundos. Ajuste la rampa de parada en 20 segundos. Con estos ajustes arranque el motor y mida los tiempos de arranque y parada.

Ajuste la rampa de aceleración al 50% y el tiempo de la rampa en 10 segundos. Ajuste la rampa de parada en 10 segundos. Con estos ajustes arranque el motor y mida los tiempos de arranque y parada.

¿Cuál es el efecto del ajuste de la tensión inicial de operación (ajuste de la rampa de aceleración) en el tiempo de arranque del motor?

De acuerdo a la curva par vs velocidad de la Figura 17, responda todas las preguntas en el laboratorio y entréguelo al final.

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Figura 17. Curva par vs velocidad del motor de inducción controlado por el arrancador suave (por variación de tensión en sus terminales)

Fuente: FRAILE, Jesus. Máquinas Eléctricas. Quinta edición.13

13 FRAILE, Jesus. Máquinas Eléctricas. Quinta edición. McGraw Hill – Interamericana de España. Madrid. 2003. p 661 – 667.

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BIBLIOGRAFÍA CROWDER Richard. Electric drives and electromechanical systems. Elsevier. Gran Bretaña. 2006, p 200 - 202. FRAILE MORA, Jesús. Máquinas Eléctricas. Quinta edición. McGraw Hill – Interamericana de España. Madrid. 2003. p 661 – 667. GARCIA MORENO, Emilio. Automatización de Procesos Industriales. Alfaomega. México. 2001. MOHAMED A. El-Sharkawi. Fundamentals of Electric Drives. Brooks/Cole Publishing Company: Thomson Learning. Estados Unidos. 2000, p 142 – 157. POLO, Diego Fernando. Práctica: Accionamiento de motores y PLC. Universidad Autónoma de Occidente. Cali. 2009. QUISPE OQUEÑA, Enrique Ciro. Una Visión Integral para el uso Racional de la Energía en la Aplicación de Motores Eléctricos de Inducción. En: El Hombre y la Máquina, Número 20-21, julio-diciembre, 2003, p 52-59. SIEMENS. Manual LOGO!. Siemens. Madrid. 1996, p 1 – 61.

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Anexo A. Guía para la programación del LOGO (Adaptado de Siemens. Manual LOGO!14)

El LOGO es el dispositivo denominado por la compañía Siemens como su “Módulo Lógico Universal mediante el cual se solucionan cometidos en la técnica de instalaciones en edificios, así como en la construcción de armarios de distribución, de máquinas y de aparatos”. Ha sido ampliamente usado en aplicaciones industriales como dispositivo base para el control de procesos automatizados. A continuación se muestra una guía paso a paso de cómo programar el LOGO enfocada al desarrollo de la práctica de LABORATORIO 2. ARRANQUE DE MOTORES ELÉCTRICOS DE INDUCCIÓN MEDIANTE LÓGICA PROGRAMADA. En esta se describirá el proceso de programación básica del LOGO y se ejemplificará realizando la programación del diagrama lógico para arranque directo del motor de inducción. La Figura 18 muestra el esquema de entradas y salidas del dispositivo LOGO. En el laboratorio de ingeniería eléctrica estas entradas y salidas fueron adaptadas a borneras especiales para facilitar su conexión; estas borneras pueden observarse en las figuras Figura 199 y Figura 20: Figura 18. Entradas y salidas del LOGO

Fuente: SIEMENS. Manual LOGO! Siemens. Madrid. 1996, p 27.

14 SIEMENS. Manual LOGO! Siemens. Madrid. 1996, p 1 – 61.

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Figura 19. Dispositivo LOGO del laboratorio de Ingeniería Eléctrica

Figura 20. Borneras de entrada y salida adaptadas al LOGO

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PREPARACIÓN DEL LOGO Antes de dar comienzo a cualquier tipo de programación es necesario seguir estos pasos para borrar la memoria previamente guardada en el dispositivo; con este proceso se pueden evitar posibles interferencias de rutinas anteriormente programadas y prevenir así mal funcionamientos del montaje a realizar. Para borrar la memoria del LOGO se debe:

1. Conectar el LOGO al toma corriente con su respectivo cable de conexión. 2. Encenderlo con su interruptor de encendido/apagado que se encuentra

en su parte inferior (ver Figura 21). Figura 21. Parte inferior del LOGO

3. Para acceder al menú principal presione simultáneamente los botones de selección izquierda y derecha y el botón ok (Figura 22).

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Figura 22. Procedimiento para acceder al menú principal


4. Una vez visualice el menú principal presione ok sobre la opción Program.. para acceder al menú de programación, de acuerdo a lo ilustrado en la Figura 23.

Figura 23. Acceso al menú de programación


5. Una vez en el menú de programación seleccione la opción Clear Prg, en esta se habilitará la opción de eliminar programas previamente almacenados en la memoria del LOGO. Se recomienda siempre borrar la memoria del dispositivo antes de comenzar un nuevo programa, puesto que programas anteriormente empleados podrían interferir en el funcionamiento de la acción de control deseada.

6. Cuando seleccione la opción mencionada, baje el cursor hasta Yes para confirmar la eliminación de la memoria de programación (Figura 24).

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Figura 24. Confirmación de borrado de memoria de programación


7. Con la memoria de programación eliminada ya puede comenzar con la programación del LOGO. Después de la acción anterior se mostrará de nuevo en el display el menú de programación. Seleccione sobre este la opción Edit Prg.

8. Aparecerá entonces el ambiente de edición de programas, en este se muestra una lista de las salidas Q1, Q2, Q3 … etc. Además de otras opciones. En este momento el dispositivo LOGO está listo para ser programado.

BLOQUES Y NÚMEROS DE BLOQUE Se explica a continuación, basado en el manual del LOGO, el proceso de vinculación de los bloques de programación entre sí y con las entradas y salidas del dispositivo en estudio. Bloques Un bloque, según el manual de operación del LOGO15 es “una función que convierte informaciones de entrada en informaciones de salida […] En la programación se enlazan bornes con bloques. A tal efecto, basta con elegir la conexión deseada en el menú Co.” El menú Co se denomina así por su término en inglés Connector (borne).

15 SIEMENS. Manual LOGO! Siemens. Madrid. 1996, p 29.

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Representación de un bloque en el display del LOGO La Figura 25 muestra como se visualiza un bloque en el display de LOGO. Es de resaltar que solo se puede visualizar un solo bloque a la vez, para lo cual se han definido números de bloque para facilitar la gestión del sistema a programar. Figura 25. Visualización de un bloque en el display

Fuente: SIEMENS. Manual LOGO! Siemens. Madrid. 1996, p 30. Figura 26. Ilustración de asignación del número de bloque


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Los números de bloque son automáticamente asignados a cada bloque según sea creado, y permite observar y navegar a través de las diferentes relaciones entre bloques facilitando la orientación en el programa. La Figura 26 muestra la relación existente entre tres diferentes bloques y la navegación que puede realizarse en el display para observar cada uno. Ejemplo de programación en LOGO Se ejemplificará la programación de un circuito lógico en el LOGO a través del montaje dado en la Figura 4. Diagrama Lógico para arranque directo del motor de inducción.

1. Ubicado sobre el menú de edición del programa, escoja la salida Q1 y presione ok.

Figura 27. Modificación del programa sobre la salida Q1


2. Aparece entonces la opción Co. Baje el cursor hasta la opción SF (funciones especiales) y presione ok.

3. Baje hasta encontrar el bloque RS y presione sobre este ok. Figura 28. Bloque de Relé de parada automática


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4. El cursor se posicionará entonces sobre la entrada S, presione entonces ok sobre la misma.

5. Seleccione la opción Co. 6. Baje el cursor hasta encontrar la opción I1 que representa la entrada 1

del LOGO; selecciónela. 7. De manera automática el cursor se posicionará sobre la entrada R,

presione ok y posteriormente seleccione de nuevo la opción Co. Baje hasta encontrar I2, que representa la entrada 2 del LOGO.

8. Presione ok dos veces, esto lo posicionará de nuevo en el menú de programación de las salidas.

9. Baje hasta Q2 y presione ok. 10. Seleccione Co y baje el cursor hasta encontrar la opción Q1. Presione

ok. Con este proceso ya se encuentra programado el circuito deseado. Para salir del menú de programación presione Esc hasta que llegue de nuevo al menú principal (Figura 23). Seleccione entonces Start y conecte el LOGO al circuito que desea controlar.

guia laboratorio accionamientos_elec2013

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