Arrancador de autotransformador Korndörfer
En ingeniería eléctrica , el arrancador Korndorfer es una técnica utilizada para el arranque suave de voltaje reducido de motores de inducción . El circuito utiliza un autotransformador trifásico y tres interruptores trifásicos. Este método de arranque del motor ha sido actualizado y mejorado por Hilton Raymond Bacon. [1]
Operación
El motor de arranque Korndorfer se puede utilizar manualmente. Los dispositivos más nuevos brindan una operación completamente automática, que además tendría: contactor de línea de tres polos (interruptor), contactor de arranque, contactor de funcionamiento, tres relés de sobrecarga unipolares , autotransformador con un conjunto de enlaces de cambio de toma, un temporizador adecuado y arranque. y detener los pulsadores . [2]
Si todos los interruptores están abiertos, el motor está completamente desconectado de la red trifásica.
Para arrancar el motor. primero se cierran los interruptores 1 y 2 . Esto suministra al motor un voltaje más bajo del autotransformador. El voltaje más bajo limita la corriente de entrada al motor inicialmente estacionario, que acelera. También se reduce el par del motor.
El motor continúa aumentando su velocidad hasta que el par motor y el par de carga se equilibran y se logra una velocidad constante. En esta etapa, el interruptor 2 se abre y momentáneamente el motor se alimenta con un voltaje aún menor, porque los devanados del autotransformador actúan como inductores conectados en serie con el motor. Este tiempo es corto, lo suficiente para desconectar el interruptor 1 y activar el interruptor 3 , que conecta el voltaje completo al motor. Empieza a aumentar la velocidad y el motor alcanza su velocidad nominal máxima.
En este punto finaliza el "arranque suave" y el motor puede funcionar a plena carga. El autotransformador ya no es necesario y se desenergiza abriendo el interruptor 1 . El motor se alimenta directamente desde la red trifásica. Para detener el motor, se abre el interruptor 3 .
Ventajas
El motor de arranque Korndorfer limita significativamente la corriente de entrada . Se utiliza para motores grandes, en los que el arranque por conexión directa a la red no es posible. Para motores grandes tampoco se puede utilizar el arrancador estrella-triángulo , especialmente si se arrancan con una carga significativa.
El circuito tiene la ventaja de comenzar con un autotransformador regular, que en algún momento debe estar completamente desconectado durante el inicio, induciendo impulsos de alto voltaje , lo que puede dañar el aislamiento eléctrico del estator.
La relación más eficaz del autotransformador está entre el 65 y el 80%. [3]
Inconvenientes
El circuito es bastante complejo e implica un autotransformador relativamente caro. Debido al tamaño físico de todo el dispositivo, es posible que no sea posible agregar el arrancador Korndorfer a una máquina existente si el espacio es escaso.
Historia
El arrancador con autotransformador de voltaje reducido o arrancador Korndorfer [4] fue inventado en 1908 por Max Korndörfer de Berlín . Presentó la solicitud en la Oficina de Patentes de Estados Unidos en mayo de 1908 y se le concedió la patente de Estados Unidos 1.096.922 en mayo de 1914. Max Korndörfer asignó su patente a General Electric Company.
Un motor de inducción consume una corriente de arranque muy alta durante su aceleración a la velocidad nominal máxima, generalmente de 6 a 10 veces la corriente de carga completa. Es deseable una corriente de arranque reducida cuando la red eléctrica no tiene la capacidad suficiente o cuando la carga impulsada no puede soportar un par de arranque alto. Un método básico para reducir la corriente de arranque es con un autotransformador de voltaje reducido con tomas al 50%, 65% y 80% del voltaje de línea aplicado; una vez que se arranca el motor, el autotransformador se desconecta del circuito.
Descripción de la patente de Korndörfer 1.096.922
Max Korndörfer reclamó cuatro métodos de uso de un autotransformador para el arranque de motores de voltaje reducido. Tres de los métodos no son utilizados por la industria y es el cuarto método de arranque que se ha utilizado durante más de cien años.
El cuarto método es con el interruptor de estrella cerrado y, a medida que el motor acelera, se realiza un cambio de la toma de voltaje reducido en el autotransformador a directo en línea.
La secuencia de inicio es: -
- El interruptor de estrella está cerrado
- El interruptor de arranque está cerrado para energizar el autotransformador.
- El motor está conectado a una toma de voltaje reducida seleccionada en el autotransformador y comienza a girar y acelerar
- Después de un período predeterminado, el interruptor de estrella se abrirá
- Después de un retraso de milisegundos, el interruptor de funcionamiento se cerrará, conectando el voltaje de línea completo al motor.
- El interruptor de arranque se abrirá y el motor estará a velocidad operativa.
Desde 1920, el arrancador con autotransformador ha sido el dispositivo más popular para reducir la corriente de arranque de los motores de inducción; proporciona un par de arranque máximo con una corriente de línea mínima.
Tabla 1 - Par / corriente de arranque con 3 tomas de voltaje reducido
| Voltaje | 50% grifo | 65% grifo | 80% grifo |
| Esfuerzo de torsión | 25% | 42% | 64% |
| Actual | 50% | sesenta y cinco% | 80% |
Los fabricantes ofrecen su autotransformador de voltaje reducido en dos configuraciones, con una construcción de 2 bobinas o con una construcción de 3 bobinas, figuras 2 y 3.
Cada aparato tiene tomas de voltaje reducidas al 50%, 65% y 80% según las recomendaciones de la Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos .
Las bobinas de fase se enrollan tradicionalmente en un conjunto de bobina simple con la sección de bobinado del 0 al 50% enterrada debajo de los devanados del 50% al 100% en una sola masa térmica, como se muestra en las figuras 2 y 3.
La figura 4 muestra un autotransformador de arranque de motor mejorado de 1000 kW y 11.000 voltios con
- Ventiladores de enfriamiento axiales,
- Bobinas encapsuladas de resina fundida,
- Una pluralidad de devanados que proporcionan un medio de conexión como un aparato de conmutación central,
- 9 conexiones de derivación de voltaje de arranque que permiten una variación de ± 5% del par de arranque alrededor de las derivaciones recomendadas por NEMA al 50%, 65% y 80%. Esto permite que la selección del par de arranque del motor se corresponda estrechamente con los requisitos de carga accionada. La selección se realiza mediante los enlaces de conexión entre las secciones de bobinado.
Tabla 2 - Par / corriente de arranque con 9 conexiones de voltaje reducido
| Voltaje | 45% | 50% | 55% | 60% | sesenta y cinco% | 70% | 75% | 80% | 85% |
| Esfuerzo de torsión | 20% | 25% | 30% | 36% | 42% | 49% | 56% | 64% | 72% |
| Actual | 45% | 50% | 55% | 60% | sesenta y cinco% | 70% | 75% | 80% | 85% |
La disipación térmica de la primera etapa de inicio se maximiza al ser un devanado físicamente separado de los devanados del segundo paso de inicio hasta el voltaje de línea completo.
Usos y estilos
El aparato de arranque del motor del autotransformador es relativamente simple en comparación con los variadores de frecuencia de estado sólido. Dado que no contiene ningún dispositivo de electrónica de potencia, la forma de onda de salida es una onda sinusoidal sin distorsión armónica adicional ni formas de onda de conmutación. No se crean limitaciones especiales de blindaje o longitud de cable. Los requisitos de refrigeración son similares a los de un transformador o aparamenta. El arrancador de voltaje reducido proporciona el par máximo con un mínimo de corriente de línea.
Arrancadores de media tensión
El arrancador de motor Korndörfer de bajo voltaje (<600 V) es un caballo de batalla probado a lo largo de los años. Sin embargo, los arrancadores de motor grandes de media / alta tensión han informado fallas aleatorias de autotransformadores. [5] El artículo de IEEE del Dr.SEA Emam & Pro.Dr.AH Amer del Centro de Consultoría de Ingeniería de la Universidad de Ain Shams informa sobre algunas investigaciones realizadas para una compañía petrolera en un motor de 5.400 kW, sin una razón clara de la falla. En su artículo informaron que se llamó a Siemens como consultor y su solución fue instalar supresores de RC / descargadores de sobretensiones similares a los utilizados en otras fallas de arrancadores de motor en una estación de bombeo de Venezuela. [6] Un artículo en WärtsiläLa revista técnica 01.2009, informa que los cuatro arrancadores autotransformadores con motor propulsores de 2.900 kW en Q4000, un buque de perforación petrolera multipropósito, sufrieron repetidas fallas en el autotransformador antes de 2008. Los fabricantes de transformadores, la fabricación de equipos de conmutación y una organización de diseño europea no pudieron dar una razón clara de las fallas. Todos los seis arrancadores de 3000 kW con autotransformador fueron reemplazados por accionamientos electrónicos de velocidad variable en 2008. [7]
El esquema de control de "transición abierta" desconecta el motor de la fuente de energía, lo que hace que el motor se desacelere y se desincronice con la fase de energía. Una vez reconectados, los transitorios mecánicos y eléctricos pueden dañar el motor o su tren de transmisión. [8]
Incluso con la "transición cerrada", se produce un transitorio en la separación de los contactos del interruptor del punto de estrella. El transitorio es de muy corta duración, menos de 5 microsegundos y ocurre cuando la corriente del motor del secundario del autotransformador es forzada a la tensión de línea. Este es un evento muy rápido y es el origen de los transitorios de voltaje destructivos que han causado fallas importantes de grandes arrancadores de voltaje medio y alto> 1000 kW.
Michael Faraday DCL, FRS, en 1831 publicó un artículo sobre su descubrimiento de la inducción electromagnética, que es la tasa de cambio en el tiempo del flujo magnético con una bobina que induce un voltaje en esa bobina, la amplitud del voltaje inducido es proporcional a la velocidad de enlaces de flujo con la bobina. Con un funcionamiento normal, un autotransformador elevador tendría enlaces de flujo a la frecuencia de suministro; en el caso de un dv / dt muy rápido en el instante de la separación de los contactos, la tensión inducida en los devanados redundantes de la primera etapa de arranque será extremadamente grande. Este principio básico explica la fuente de la tensión transitoria destructiva en el aparato de arranque de motor Korndörfer.
Otro problema transitorio es que con una construcción de bobina simple y un interruptor de estrella, el autotransformador actúa como un transformador elevador durante el período de <5 microsegundos en la separación de contacto del interruptor de punto de estrella. Con el motor conectado a la toma de voltaje del 80%, habrá una escalada del transitorio en una proporción de 5: 1.
El arrancador de motor con autotransformador Korndörfer de bajo voltaje <600 voltios también está sujeto a un voltaje transitorio similar con un frente de onda de rápido aumento, sin embargo, con un voltaje de operación más bajo y los materiales de aislamiento de última generación en uso pueden ser un factor que contribuye a su longevidad.
Para reducir el riesgo de cualquier aumento de voltaje, es deseable reemplazar el circuito de arranque del motor Korndörfer con un autotransformador que tenga un circuito de interruptor central que desconecta los devanados redundantes de la primera etapa de arranque del circuito en la transición, evitando así cualquier transformador elevador. conexión y escalada de voltaje.
La causa principal de los transitorios destructivos en los arrancadores Korndörfer es la conmutación aleatoria del cambio de corriente del motor. La sincronización incontrolada del cambio permite que la corriente máxima del motor se cambie en cualquier punto de la onda. La figura 5 muestra el cambio a 90 grados. Este es el peor de los casos, la corriente máxima en el cambio crea un transitorio muy alto y rápido. El circuito del interruptor central evita la escalada de voltaje, como se discutió anteriormente. Por lo tanto, es deseable controlar el punto de la onda en el que cambiar, el punto ideal es cuando el amperio del motor alcanza el valor más bajo en todos los devanados activos del autotransformador.
Un autotransformador de 3 bobinas requiere un interruptor de 3 polos para controlar los voltajes trifásicos, un examen de la figura 9 muestra tres ondas sinusoidales desplazadas a intervalos de 120 grados. Parece que no hay un punto real en el ciclo en el que las tres fases se puedan conmutar simultáneamente a cualquier amperaje de motor bajo igual sin recurrir a métodos complejos de conmutación escalonada.
(Izquierda) Figura 9.-Curvas sinusoidales de potencia trifásica (Derecha) Figura 10. Esquema de 3 bobinas
(Izquierda) Figura 11. Curvas sinusoidales de 2 bobinas y 2 fases (derecha) Figura 12. Esquema de 2 bobinas
Un autotransformador de 2 bobinas tiene solo dos devanados que deben conmutarse en la transición. La Figura 11 muestra las curvas de corriente del motor para un autotransformador de 2 bobinas. La línea 2 no está conmutada. Esta topología es adecuada para la conmutación controlada.
Una inspección de las curvas sinusoidales muestra que a 30 grados y 210 grados, ambas corrientes del motor tienen el mismo valor y están en el mismo cuadrante de fase. Por lo tanto, el flujo del núcleo magnético en la primera rama del transformador es el mismo que el flujo del núcleo magnético en la tercera rama, la rama central no tiene devanados y su flujo magnético no tiene interés. A 30 grados, la amplitud de las corrientes del motor suministradas por el autotransformador son solo la mitad de la corriente máxima del motor que se produce a 90 grados (seno 30 ° = 0,5), consulte la Figura 8.
Por lo tanto, el interruptor central evita cualquier conexión de autotransformador elevador y un medio práctico de controlar el transitorio de conmutación a un valor más bajo que el interruptor conectado en estrella.
Los puntos importantes para la conmutación central controlada son:
- El interruptor central se cierra antes de que se suministre energía al motor,
- No hay interrupción en la corriente del motor, solo una transferencia de corriente,
- Apertura sincronizada y controlada del interruptor central.
- Sincronizado mediante cruce por cero de la forma de onda de la corriente del motor.
El interruptor central puede ser un interruptor electromecánico o un dispositivo electrónico que utilice IGBT, EMT u otros dispositivos de estado sólido similares.
El interruptor central electrónico solo tiene que abrir su circuito, lo que obliga a que la corriente del motor se transfiera al devanado del 80% en una acción de transición cerrada sin interrupción. Puede proporcionar acciones de conmutación instantáneas, precisas y sin fricción que son necesarias para operar el punto de conmutación a 30 grados.
Se requiere un método para detectar el cruce por cero actual para proporcionar la medición de tiempo para la conmutación controlada. Se utiliza un transformador de corriente a voltaje para la activación precisa de dicha señal de temporización para una apertura controlada del interruptor.
El interruptor central electromecánico debe seleccionarse cuidadosamente ya que tiene tiempos de operación inherentes tanto en apertura como en cierre. Tiene que tener un mecanismo de energía almacenada y un solenoide de liberación operado por CC para una señal de comando de "apertura" controlable. La detección del cruce por cero de la corriente del motor puede obtenerse de un circuito sensor de voltaje del transformador de corriente / resistencia, no de un cruce de voltaje. No se recomienda el uso de contactores electromecánicos para un interruptor central, ya que la consistencia de la velocidad de apertura del interruptor está sujeta a la tensión aplicada a la bobina de retención. Durante el arranque de un motor, la caída de voltaje de la línea fluctuará y el flujo magnético en el dispositivo de retención también variará, lo que provocará desviaciones en los tiempos de apertura.
Conmutación controlada para reducir la sobretensión del motor
El cambio en la corriente de arranque del motor desde la etapa de voltaje reducido se puede minimizar conmutando en la transición a una segunda etapa de arranque del reactor primario. En su patente, Max Korndörfer muestra un método de bobina de reactor externo "para hacer la gradación de voltaje entre pasos" antes de un cambio a directo en línea.
El método de bobina de reactor externo para una segunda etapa de arranque tiene mérito, ya que el voltaje al motor es una función de la corriente del motor tomada de la línea. Se puede ver que durante una segunda etapa con un reactor en serie, durante la aceleración, la tensión del motor aumentará a medida que desciende la corriente de línea. Esta relación da como resultado una mayor energía de aceleración a una mayor velocidad del motor y menos perturbaciones en el cambio a voltaje de línea completo.
Los ingenieros de General Electric [9] [10] intentaron mejorar los métodos de Korndörfer, pero ninguno de los métodos propuestos tuvo éxito.
 | Wikimedia Commons tiene medios relacionados con el arrancador Korndörfer (motores eléctricos) . |
Referencias
- ^ http://logixsys-int.com/index.php?id=1 Archivado el 26 de abril de 2012 en la página de Wayback Machine Bacon con información detallada
- ^ Engranaje de control del motor de inducción Alstom
- ^ Alan L. Sheldrake, Manual de ingeniería eléctrica: para profesionales de la industria del petróleo, el gas y la petroquímica, John Wiley & Sons , ISBN 0-471-49631-6 , página 128
- ^ Patente original presentada en 1908 por Max Korndörfer http://www.google.com/patents?id=0UdtAAAAEBAJ&zoom=4&dq=max%20korndorfer&pg=PA2#v=onepage&q=max%20korndorfer&f=false
- ^ El artículo de IEEE FARR, LAWRENCE B., et al., "Fallos de arranque del autotransformador de voltaje reducido de voltaje medio — Explicación de lo inexplicable" Papel PID-04-26, presentado en la Conferencia de la industria de pulpa y papel de IEEE 2004, Vancouver, BC , Canadá, del 27 de junio al 1 de julio, identifica el circuito Korndörfer de autotransformador de la técnica anterior como productor de picos de voltaje de tiempo de aumento rápido durante una transición aleatoria desde la primera etapa de arranque.
- ^ Emam, MAR; Amer, AH; Gaber, M. (2008). "Medidas de protección ante sobretensiones transitorias en motores arrancando por autotransformadores". 2008 XII Conferencia Internacional del Sistema Eléctrico de Oriente Medio . págs. 503–510. doi : 10.1109 / MEPCON.2008.4562397 . ISBN 978-1-4244-1933-3. S2CID 44728880 .
- ^ http://marine.wartsila.com/ss/Satélite?blobcol=urldata&blobheadername1=Content-Type&blobheadername2=Content-Disposition&blobheadervalue1=application%2Fpdf&blobheadervalue2=attachment%3B+filename%3Dthruster-bicle.key=blobheadername = 1278586544438 & ssbinary = verdadero
- ^ El artículo de IEEE Gill, John, D "Transferencia de cargas de motor entre fuentes fuera de fase", el artículo IPSD 78-60, presentado en la reunión anual de la Industry Applications Society de 1978, Toronto, ON, Canadá, del 1 al 5 de octubre, proporciona evidencia al peligro de usar “Transición de circuito abierto” en el aparato de arranque de motor Autotransformador de voltaje reducido. https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=4503676
- ^ Patente LC Hardesty No. 1.840.093 http://www.google.com/patents?id=McloAAAAEBAJ&printsec=frontcover&dq=1840093&hl=en&ei=K5GaTtHfEoGkiAeGlvSrAg&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=1
- ^ WE Paul Patente No. 1,561,017 http://www.google.com/patents?id=43lLAAAAEBAJ&printsec=frontcover&dq=1,561,017&hl=en&ei=-JGaTuWoA6S1iQfVqvmrAg&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=1
- Control de motor eléctrico
