PAR DISPONIBLE EN CONTROL ESCALAR.

No siempre los fabricantes de convertidores de frecuencia ofrecen un medio de estimar que par puede lograrse con sus equipos. Para tratar de esclarecer este tema se ha ensayado con un dinamo-péndulo a un CFW10 (en modo escalar) con un motor de 1.5HP 2 polos. El banco de ensayos es el provisto al ISFT 188 de Gral. Rodriguez, que en esta imagen se ve con un motor monofásico:

Principio de funcionamiento:

El dinamo está montado sobre soportes de pie con rodamientos, en lugar de sobre sus patas, de forma que su carcasa  puede moverse libremente. Sobre la misma se encuentran montados dos brazos de acero con pesas de 10N que pueden deslizarse como en una báscula. Cuando se aplica carga al dínamo este reacciona. Equilibrando el par de fuerzas de reacción con los contrapesos, se puede determinar la fuerza de reacción y con ella el par motor desarrollado. Lograr el equilibrio es complicado, el movimiento de la barra es de tipo pendular  como se observa en el video:

A medida que se acerca al equilibrio la frecuencia de la oscilación se hace mas baja, permitiendo encontrar una medida de la pesa que se inclina mas hacia la derecha y otra posición que se inclina mas a la izquierda. Con un poco de pericia en su uso, estas dos medidas pueden diferir entre si en un par de mm. Tomando el promedio de ambas mediciones se obtiene la posición de equilibrio. En primer lugar se busca equilibrio sin girar. Esto se trata de determinar con las pesas a 50cm del extremo del soporte. Luego con el motor girando a diferentes cargas del dínamo. La diferencia entre las posiciones de equilibrio se multiplica por el peso de la pesa y se obtiene el par desarrollado.

Junto con estas mediciones se toman las RPM del eje,

también se mide la corriente del motor y se grafican los resultados a diferentes frecuencias de trabajo.

Ensayo:

El convertidor ensayado es un WEG, CFW10 de 7.3A con alimentación monofásica. El motor es un WEG de 1.5HP 2800RPM, 50Hz conectado en triángulo, con una corriente nominal de 4.55A. El par nominal de este motor es de 3.75Nm.

El gráfico de par motor (eje vertical en Nm) en función de la velocidad del eje (eje horizontal en RPM), para diferentes frecuencias de trabajo es el siguiente:

En este gráfico se ven varias características del modo de control escalar:

1) la velocidad no es constante, depende de la carga. La frecuencia indicada en el display del HMI, solo permite estimar la velocidad real del motor cuando este está en vacío. Con carga, debido al resbalamiento característico del motor asincrónico y como además el convertidor en escalar no corrige frecuencia al aumentar la corriente, se ve una caída en las RPM al aumentar la carga mecánica. 

2) en frecuencias bajas el par máximo obtenido es muy inferior al nominal (3.75Nm)

3) en sobrevelocidad (frecuencias superiores a la nominal) el par máximo vuelve a reducirse.

3) incluso a 50Hz, no se obtiene el par nominal del motor.

En este gráfico no se indican los valores de corriente, por lo que podría parecer que se puede exigir un poco mas al motor. No es así... En el siguiente gráfico se marcan los valores de par obtenidos a la corriente nominal del motor, antes de que el convertidor saliera de servicio por error de sobrecarga (E05):

Los valores que superan los óvalos rojos son pares medidos con el motor sobrecargado. La línea imaginaria que forman estos puntos debería ser tomada como primer aproximación del par de régimen permanente disponible por el conjunto motor-CFW10. Los valores medidos por encima de estos puntos, activaron la protección por sobrecorriente del convertidor.

Se observa muy claramente que no puede llegarse al valor de par nominal en ninguna de las frecuencias ensayadas, llegando como máximo a un 80 % del mismo. Este problema es característico del control escalar.
Además se debe aclarar que en estas mediciones no se ha tomado en cuenta el efecto del calentamiento debido a armónicas ni a la falta de refrigeración del motor en bajas revoluciones, dado que por la corta duración de los ensayos, estos no resultaban de importancia. En una aplicación real deberá reducirse el par de régimen permanente para tomar en cuenta dicho calentamiento.

ARMONICAS (2° parte: corrientes por el neutro)

En una planta industrial tienen un tablero con 20 convertidores monofásicos alimentados desde la red trifásica:

En un principio vino la consulta porque los interruptores duraban muy poco. Sospechando que la cercanía al trafo de distribución significara una corriente de cortocircuito elevada y que no sirvieran los pequeños interruptores din, se fue a medir y se observó que efectivamente estaba muy cerca, siendo recomendable utilizar un interruptor en caja moldeada (16 o 25kA), mas que interruptores din (6kA como mucho) pero además surgió otra sospecha:  quien midiera la corriente para elegir el interruptor, tomó en cuenta el efecto de las armónicas?

Medidas Trms, arrojaron los siguientes valores:

Fase negra:  40Arms

Fase roja:    43Arms

Fase negra:  29Arms

La corriente en el neutro, normalmente en un sistema casi equilibrado debería ser muy baja. Uno hubiera esperado que fuera del orden de los 10A aproximadamente. Moraleja, se puso un interruptor de 63 A para protección del conjunto. Pero…..:

       Mediciones en el neutro arrojaron un valor de 66Arms!!!!!........

Al colocar el osciloscopio con un adaptador de efecto Hall, se observó lo siguiente:

50A/div, aproximadamente 40Arms, 125A de cresta:

y para el neutro:

No muy sorprendente, pero se ve que la frecuencia es de 150Hz, no de 50Hz como hubiera sido de esperar en una red lineal..... Además hay 66Arms y casi 150A de cresta. 

Una señal de 150Hz habla a las claras de la tercera armónica en estado natural... en vivo y en directo.

¿Por qué? 

Si se analizan gráficamente las sumas de las corrientes de las tres fases, se ve que en el neutro no se cancelan como cuando se operan cargas balanceadas con señales sinusoidales puras:

El valor eficaz de la corriente por el neutro en un sistema “equilibrado”, es decir con 3 corrientes iguales con armónicas, se puede calcular en forma aproximada con Ifase * 1.73. Es decir que siempre será superior a la corriente de fase. Si las corrientes de cada fase son diferentes, la corriente del neutro será inferior a este valor. Por ejemplo en el caso particular de dos fases con una corriente de igual magnitud y la tercera sin carga, la corriente del neutro resulta ser 1.41* I fase. Sigue siendo superior a la de fase.

 La solución  a este problema es en principio colocar un interruptor en caja moldeada de 4*80A, o dos de 4*63 en grupos de 10 convertidores,  replantear cálculo de cables y pensar seriamente en colocar reactancias de red en al menos paquetes de convertidores.

Quedaría la impresión que este problema solo afecta a cosas industriales. En las escuelas, ciber, centros de cómputo, oficinas, etc. hay muchas computadoras, conectadas en forma monofásica a una red trifásica. Por ejemplo la corriente en una fase de un laboratorio de informática de una escuela es poco sinusoidal:

En una tienda de venta de electrodomésticos, donde se exhiben televisores, en una casa con muchas lámparas de bajo consumo, en una oficina con muchos balastos electrónicos y computadoras, y en todos los lugares imaginables donde abunden cargas no lineales, se tendrá algún efecto no deseado debido a las armónicas.

Para elegir los calibres de las protecciones se deben realizar mediciones con instrumentos trms (true rms) ya que si solo se mide la componente de la primer armónica (la fundamental) con un instrumento de valor medio, el interruptor elegido quedará chico para la aplicación.

Además se debe medir la corriente en el neutro.

ARMONICAS (1° parte)

Las armónicas son tensiones o corrientes senoidales puras que sumadas conforman la onda de tensión o corriente de carga que se está observando.

Como ejemplo, una onda cuadrada simétrica de 1V de amplitud máxima, con un período de 1000mseg, es decir de 1Hz se puede decir que es una composición de ondas senoidales con el siguiente “espectro”:

Primer armónica (fundamental): 1Hz, 1.27V de pico

Segunda armónica: No tiene

Tercer armónica: 3Hz, 0.42V

Cuarta armónica: no tiene

Quinta armónica: 5Hz, 0.25V

Y así se puede seguir hasta el infinito y mas allá. Graficando la onda original y sus armónicas 1°, 3° y 5°:

Si se suman algebraicamente y punto a punto estas señales senoidales, hasta la 5° armónica se obtiene:

Que se asemeja bastante a la onda cuadrada!!!! Sumando las armónicas superiores se va logrando un mejor acuerdo con la función original. Por ejemplo si se sigue sumando, hasta la 9° armónica:

Si bien este análisis no es muy formal desde un punto de vista científico, es evidente la veracidad de que se pueden sumar muchas ondas senoidales con la amplitud y frecuencia correcta, para obtener una onda cuadrada.  Fue el Barón de Fourier quien primero halló una forma matemática para obtener la amplitud y fase de las señales armónicas por el año 1822 mientras buscaba la forma de resolver el problema de conducción del calor en placas metálicas. Postuló en su ThéorieAnalytique de la Chaleur que cualquier señal periódica de cualquier forma, se podía descomponer en suma de senos y cosenos de frecuencias múltiplos de la frecuencia de la señal. Llevó años poder justificar esta afirmación y de hecho hoy algunos matemáticos siguen investigando el campo de validez de la misma… pero ese es tema de otro blog…

APLICACIONES  A LA ELECTROMECATRONICA:

Muchos equipos eléctricos y electrónicos generan armónicas. Como es esto? Si el equipo utiliza elementos no lineales, la onda de corriente es distorsionada, no es senoidal pura, aunque sí se lo alimente con una onda senoidal pura. 

Que es un elemento no lineal? Es mas fácil decir lo que es un elemento lineal: una resistencia perfecta… Casi todo lo demás que se conecta a una red de distribución tiene no linealidades, es decir que si se aumenta la tensión la corriente varía en forma no lineal. Los principales elementos que introducen no linealidades son los núcleos ferromagnéticos en trafos, motores, reactancias, etc y la electrónica, especialmente los equipos que tienen fuentes de tipo conmutada (o switching) ya que rectifican la red directamente.

Por ejemplo, en un rectificador de media onda con carga resistiva, las tensiones (azul) y corrientes (rojo) de red serían:

Si encima (como sucede en prácticamente todas las aplicaciones) el rectificador tuviera carga capacitiva (un filtro) se produce un gran transitorio de corriente mientras el capacitor se carga a traves del diodo tomando energía de la red. 

En el oscilograma siguiente se muestra en azul la tensión de salida al rectificador y en rojo la corriente tomada del transformador:

El diodo deja pasar corriente al capacitor mientras la tensión de red es superior a la tensión del capacitor, que se está cargando con dicha corriente.  Cuando la tensión del capacitor es mayor que la de red, el diodo deja de conducir. No hay corriente mientras la tensión de red sea inferior a la del capacitor. Durante ese tiempo, el capacitor entrega corriente a la carga y su tensión se reduce exponencialmente con el tiempo de descarga.

El primer transitorio es de mayor amplitud ya que debe cargarse el capacitor desde cero. Los siguientes serán de menor amplitud:

Esta corriente deformada la manifiestan muchos equipos modernos. Dado que utilizan rectificadores de onda completa, se verá también el pico negativo en la corriente de red como en los ejemplos siguientes donde se muestran capturas de ondas de intensidad de diferentes cargas no lineales.

Computadora: se visualiza tensión y corriente en una notebook.

Lámparas de bajo consumo: 10A/div, 8 lámparas de 105W en una red monofásica. Valor de corriente rms:  Valor de cresta, aproximadamente 20A. 

Variadores de velocidad monofásicos:

en este caso con mucho ruido en la línea producto de la contaminación electromagnética producida.

Variadores de velocidad trifásicos:

Y algunos equipos no tan modernos, también generaban armónicas (aunque nunca las hubieramos visto!!!)

Capacitor para corregir Factor de potencia de 10KVAr:

Transformador monofásico 1KVA:

Lámparas fluorescentes. Tensión (azul) corriente (rojo) para un tubo de 20W:

Para 7 tubos de 40W:

Comparativa entre balastos electrónicos (rojo) y estándar (azul) para fluorescentes:

El valor rms del electrónico es inferior al std, pero el valor de cresta evidentemente no.

Incluso la tensión de red deja mucho que desear, en el sentido de la “pureza” de su onda ya que el trasnformador de distribución que está en el poste tiene núcleo de hierro, que no es un material magnéticamente hablando, muy lineal que se diga.

La mayoria de las cargas no lineales, generan un valor de cresta muy elevado. Muchos instrumentos no lo pueden medir correctamente por lo que encontrar un problema  a “tester” es algo mas que complicado. Este elevado valor de cresta será responsable de producir una mayor caída de tensión en el pasaje por la cresta, lo que tiende a aplanar los máximos de voltaje de salida de los transformadores distorsionando la tensión de red y produciendo mas problemas aún.

La circulación de corrientes armónicas generan calor como cualquier otra corriente. Esto se manifiesta en un calentamiento no deseado en motores, cables, transformadores, interruptores, etc. Es por eso que se trata de atenuar estas componentes lo mas posible o al menos tomarlas en cuenta al dimensionar la instalación.

Softs para diseño, simulación y Dibujo Técnico.

Dos soft de gran utilidad y de uso libre:
CADe-simu: un muy buen simulador de esquemas con relés temporizadores, etc pueden descargarlo de:

http://personales.ya.com/canalPLC/descarga.htm

junto con otros soft de gran utilidad (simuladores de PLC, SCADA, etc)
La clave de uso del producto se solicita por mail al diseñador del soft.

El segundo es un soft de dibujo asistido en 2D similar al popular de una marca muy conocida, lee y guarda en formato DWG. Es el Draft Sight que puede descargarse de:

http://www.3ds.com/products/draftsight/free-cad-software/

Solo es necesario registrarse y empezar a usarlo.

Contactores para capacitores: Sirven?

Cuando se conecta un capacitor trifásico  a la red, la corriente de inserción depende de la impedancia de la red. Un oscilograma típico (para un capacitor de 10kVAr)  es :

Este transitorio elevado se puede reducir colocando una resistencia en serie durante la inserción para luego realizar un bypass anulándola. Los contactores para conexión de capacitores permiten realizar toda la maniobra:

La resistencia es de un bajo valor pero lo suficiente como para reducir dramáticamente la corriente de inserción:

El oscilograma obtenido con una cascada de 3 contactores y 3 bancos de 10KVAr (un contactor habilita al siguiente entrando así un capacitor después del otro con intervalos del orden de los 20mseg.)  fue la siguiente:

Es clarísimo que se reduce notablemente el transitorio inicial.

Compensación del factor de potencia (2)

INSTALACIONES TRIFASICAS

En este caso los capacitores vienen montados en baterías trifásicas y se expresan en potencia reactiva (KVAr.), no por su capacidad (μF). 

La forma de operar es similar. Se ingresa en el gráfico siguiente con el valor del F.P. medido y se obtienen cuantos KVAr son necesarios por cada KW instalado.

Ej: El factor de potencia inicial es de 0.72. Del gráfico se obtiene un valor de 0.5KVAr / KW. Si la potencia instalada es de 10KW se debe colocar una batería de:

0.5KVAr/KW * 10KW = 5 KVAr  para llevar el F.P. a 0.9.

Si no se cuenta con instrumental se procede de igual forma que en el caso monofásico.

OBSERVACION:

Se debe recordar que la compensación centralizada se utiliza solamente en potencias bajas, donde resulta antieconómico usar una compensación automática. Nunca se obtendrá una compensación precisa con esta técnica, salvo que la carga sea constante. En aplicaciones de potencias elevadas (del orden de 50KVAr en adelante) se sugiere el uso de un relé varimétrico, contactores y varias baterías de capacitores que se conectan automáticamente según la demanda de potencia reactiva.

Compensación de factor de potencia (1)

INSTALACIONES MONOFASICAS:

Si se cuenta con instrumental y se mide el factor de potencia y la potencia total, se puede obtener el capacitor necesario para compensar el F.P. a  un valor de 0.9 con el sig. gráfico:

Por ejemplo: Se mide el factor de potencia con un valor de 0.4. La potencia instalada a compensar es de 1KW. Del gráfico se obtiene un valor de aproximadamente 0.12μF/W. Se debe colocar un capacitor de 0.12μF/W*1000W = 120 μF para llevar el F.P. a 0.9.

CALCULO APROXIMADO SIN INSTRUMENTAL

Si no se tiene instrumental se puede tener un valor aproximado del valor necesario y usar el medidor de EDESUR para constatar la validez de la selección realizada. Por lo general se conoce de la factura de luz (si el medidor es digital) la energía activa (KW Hr) y la energía reactiva (KVAr Hr) acumuladas en el período de medición, junto con el factor de potencia calculado con esas mediciones por la empresa proveedora del suministro eléctrico. Se debe conocer por medición directa o estimación la potencia total instalada simultánea. Se usa el mismo gráfico para obtener el valor de la capacidad necesaria. Una estimación de la potencia se puede obtener dividiendo los Kwhr por la cantidad de hrs trabajadas en el período de medición. Otra forma es conociendo la potencia de los equipos instalados.

Para verificar se toma en un tiempo considerable las mediciones de KVArHr y Kwh del medidor. El factor de potencia promedio en ese período se obtiene de la siguiente ecuación:

F.P. =                        KWHr                .

                √  {(Kwh.)² + (KVArHr)²}

El cual debe ser superior a 0.85 como pide la reglamentación.

Si el medidor es electromagnético, este cálculo no puede realizarse ya que solo mide KWHr.

Sobrecompensando factor de potencia en motores

Al colocar capacitores en bornes de un motor surgen algunas cuestiones que pueden complicar la vida si uno no está atento. Por un lado el capacitor suministra reactiva al motor cuando se corta la alimentación al mismo. Esto puede producir que el motor siga generando por mas tiempo si la inercia lo permite y hasta producir sobretensiones en el conjunto capacitor motor.
Ejemplo: motorcito trifásico de 0.37KW sin capacitor, forma de onda de tensión en sus bobinas al desconectarlo de la red:

Mismo motor con un capacitor de 0.75KVAr (baja la frecuencia de la oscilación, se prolonga un poco el tiempo de frenado):

idem con capacitor de 5KVAr (baja abruptamente la frecuencia de la oscilación y el tiempo de frenado, se oye en el motor una frenada muy abrupta, notese la caída en la amplitud del voltaje):

En este último caso podría sorprender que se acorte tanto el efecto generador, pero la cuestión es que el par frenante es muy elevado. Hablando mal y pronto es como si el capacitor quedara con "continua" y eso frena al motor. En rigor se observa una frecuencia muy baja producto de la resonancia eléctrica y como la velocidad del motor depende de la frecuencia se produce una violenta reducción en la misma.
Es por esto entre otras cuestiones, que se subcompensa al colocar capacitores directamente en paralelo al motor en forma individual. No es necesario contemplar esto en bancos grupales o cuando se utilizan contactores para comandar los capacitores.

Inercia eterna inercia...

El año pasado se dio la casualidad de tener en mis manos para el mismo tiempo dos forzadores diferentes, ambos utilizaban la misma potencia de motor (2HP), pero con diámetros de turbinas muy diferentes. El grande:

La onda de corriente de este equipo es:

y el chico:

siendo su corriente:

Hay dudas sobre el efecto de la inercia en el sistema eléctrico?????
La energía se conserva. La energía que demanda la carga (mecánica) debe haber pasado por el tablero (eléctrico) que alimenta al motor. Por eso debe contemplarse el tipo de carga al dimensionar el sistema eléctrico, sus protecciones etc.

Calesita (y mas cálculos dinámicos)

Jugando con la inercia y viendo como se produce el transitorio de  arranque. Si la calesita está vacía el arranque es franco y cortito:

(son 100mseg/div y 10A/div. La calesita se acciona con un motor monofásico de 0.75HP y una reducción mecánica)

En estas otras ondas se observa como patina la correa durante el arranque con carga un adulto y dos chicos (los calesiteros la dejan floja como medida de seguridad, para que sea fácil frenarla a mano si un chico se cae por ejemplo).

El valor de la corriente final prácticamente no tuvo cambios. Solo la duración "entrecortada" del arranque.

La calesita da una vuelta en 14seg aproximadamente. (0.44rad/seg = 4.3RPM).

En régimen el consumo del motor es de  351W (216V, 3.58A, FP=0.45).

El valor de pico en el arranque es de 30A (6 IN), la duración del primer arranque es de menos de 100mseg, y luego (en la tercera imagen) toma picos de 10A (7rms) en los períodos de acoplamiento de la correa y de 20A (14rms) en la segunda imagen con una duración aproximada de 600mseg en total.

La potencia en la red, en régimen permanente es del 35% de la potencia eléctrica nominal.

Sin embargo los picos en los momentos de acoplamiento son superiores al 1.5 veces la Inominal (tercer imagen) y  5 veces la nominal en la segunda imagen si bien no pueden tomarse como realistas debido a que la correa está floja.

CALCULO MECANICO PARA  LA SITUACION CALESITA  SIN CHICOS.

MOMENTO DE INERCIA

La mayor carga inercial es el piso de madera, ya que las paredes son de fibra y el techo de lona.

El momento de inercia de un cilindro hueco se determina por:

J = ½ M (R1²+R2²)

La masa de madera se puede determinar asumiendo una densidad promedio de 700kg/m³ y estimando el volumen de madera involucrada. A eso se debe sumar la masa de la estructura de hierro asumida distribuida uniformemente.

Volumen de madera (espesor e= 1”, radio interior 1.5m, radio exterior 3m) :

Vol. Madera = π (R2²-R1²).e

Multiplicando por la densidad, este cálculo arroja una masa estimada de madera de:

Masa madera= 370kg

Estimando que la masa de la estructura es de unos 300kg, queda una masa total de aproximadamente  700kg.

Con esa estimación el momento de inercia de la calesita (vacía) sería de unos 3900kgm2.

PAR MOTOR.

C=P/ω

La velocidad angular del motor es de 1420 RPM ≈ 148rad/seg.

La potencia es de 0.75HP = 0.56KW.

Queda para el par nominal un valor de 3.7Nm.

El par de arranque de un motor monofásico típico es de un poco más  del doble del valor nominal, es decir de unos 8Nm aproximadamente.

A continuación se utilizará la ecuación dinámica para un movimiento circular:

Cm-Cr =J´Δω/Δt

Cm es el par motor, Cr el resistente, J´ el momento de inercia reflejado al eje del motor, es decir a²J, donde a es la relación de reducción mecánica del conjunto, mas el momento de inercia del rotor.

En base a la medición en régimen se puede estimar que el par resistente de la calesita es de aproximadamente el 30% del par nominal, es decir de cerca de 1Nm.

Asumiendo en una primer estimación que el par resistente es constante, se puede estimar el tiempo de arranque:

Δt = J´Δω/ (Cm-Cr)

La relación de reducción mecánica es:

a= 0.44/150 = 0.003

Reflejando J, queda para el tiempo de arranque:

tarr ≈ 3900kgm²*(0.003)² *150 rad/seg / (8Nm -1Nm) ≈ 0.75 seg.

Según los oscilogramas de corriente el tiempo total de arranque es cercano a los 0.6 seg, en muy buen acuerdo con esta estimación del mismo, dando prueba de que las estimaciones realizadas son del orden de magnitud correcto. (en criollo: estamos calibrando el ojímetro con este cálculo)

ALGUNAS CONSIDERACIONES A TENER EN CUENTA.

Estas mediciones fueron hechas a los efectos de ver el tipo de aproximaciones a realizar para el diseño de una calesita más grande que la analizada. Esencialmente la estimación del momento de inercia. En el diseño final debe entenderse que:

·         No se tomó en cuenta la masa de los chicos y padres acompañantes.

·         No se tomo en cuenta la energía necesaria para el efecto del carrusel, es decir que los caballitos suben y bajan la masa de los chicos.

ESTIMACION DEL INCREMENTO DE CARGA CON CHICOS.

Asumiendo un máximo 15 chicos de 30kg c/u, y la presencia de hasta 6 padres de 100kg, se tendría que agregar una masa supuestamente bien distribuida de unos 1000kg. A esto se debe agregar el efecto dinámico del carrusel y de los chicos más inquietos.... La masa se duplica aproximadamente. Se espera que el tiempo de arranque sea un poco más del doble. Dado que no se debería afectar demasiado al par resistente, el dimensionamiento del motor para arranque directo no se ve afectado siempre que no se supere el máximo tiempo de rotor bloqueado admisible (del orden de 10 seg. Como margen de seguridad se asume una masa total de 2000kg en los cálculos que siguen.

DIMENSIONAMIENTO DEL MOTOR PARA OPERACION CON CONVERTIDOR DE FRECUENCIA

En el caso de operación con convertidor de frecuencia el primer problema que surge es que se debe tomar un margen de seguridad (ver gráfico para motores WEG autoventilados) en la potencia del motor debido al mayor calentamiento del mismo por las armónicas del convertidor.

El segundo problema es que el convertidor solo puede entregar una corriente del orden del 1.5 veces la nominal (esto depende de la marca del equipo, no es una regla general...) si se lo dimensiona justo con la corriente del motor.

Programando una rampa se puede limitar el par de arranque. Por ejemplo, con una rampa de 5 seg. y una masa total de 2000kg, para acelerar de 0 a 150rad/seg, se requiere un par de:

                               Cm= Cr + J´Δω/ Δt ≈ 4Nm.

(J´= 11400Kgm²*9.10^-6, Cr = 1Nm.)

Un motor de  1 HP tiene un par nominal de aproximadamente 5 Nm. Operando con convertidor puede obtenerse un par permanente del 90% a plena velocidad. Como este par (5Nm) se aplica solo en el arranque, no sería inconveniente con esa rampa lograr ese par para un motor de 1HP. Un convertidor de 1HP, permite lograr hasta un 50% del par nominal, es decir que con un motor de 1HP y un convertidor de 1HP, se puede accionar tranquilamente esta carga. Desconociendo si en la práctica surge algún par resistente extra, y no conociendo la forma exacta de la curva de par, se recomienda un convertidor de mayor capacidad que el motor, para permitir un sobrepar momentáneo mayor a 5Nm.

Por eso se recomienda utilizar un motor de 1HP con un convertidor de potencia para al menos 2HP.

Se recomienda ajustar la limitación de corriente del convertidor para permitir un frenado manual en caso de accidente y seguir con la correa floja... para que haga de embrague y permita un frenado mecánico manual.

El clásico carrito (Cómo seleccionar un motor: cálculos dinámicos).

En los cursos de física inicial, la mayoría de los problemas de cinemática y dinámica toman como ejemplo el de un carrito en movimiento.
Esta es la historia de un carrito de unos 1500kg, parte de una trafiladora que hizo de las suyas. Este es el movimiento del carrito, cuando todo el cuento terminó:

La primer parte del movimiento es neutral, el carro es arrastrado por un motor de 200HP hacia la izquierda de la pantalla. La segunda parte es la problemática, debe hacer un movimiento muy rápido, a unos 1.5m/s y detenerse "a la voz de aura" en 0.5 seg.
Originalmente habían diseñado el sistema con un motor de 3000RPM 7.5CV. Al conectarle un convertidor de frecuencia WEG CFW09 de 16A, este se colgaba por error de sobrecorriente durante el arranque. El mecánico le sacó el convertidor y conectó el motor directo a la red, logrando que el carrito se moviera "normalmente" al menos para el... Cuando me comenta indignado el tema resultaba ser que esa porquería que le había conectado en el tablero, no servía. reviso la parametrización del equipo y no había caso, no tenía forma de reforzarlo de ninguna manera. Repito la experiencia de conectarlo directo y efectivamente se movía. Mido la corriente con la pinza amperométrica y tomaba 60A aproximadamente,durante todo el movimiento que duraba unos 20m de avance. El pobre motor, de unos 13A de IN, no salía del proceso de arranque!. Es decir que si seguía experimentando en forma directa lo iba a quemar...
Consulto al diseñador y pega el grito en el cielo: quién puso un motor de 3000RPM????? debe ir uno de 1000!!!!!
Acá no termina la historia. Con tres veces mas par, se inician las pruebas con un Czerweny de 5.5KW / 7.5CV 965 RPM, IN 13.1 A, El convertidor responde normalmente, dentro de lo esperado, en las primeras pruebas. Cuando empiezan a definir la cinemática correcta para la máquina final, no lo podíamos frenar y se pegaba un flor de golpe contra la estructura. El 09 tenía agregada una resistencia de frenado que parecía no dar a basto. El tiempo de frenado deseado era muy corto. Empecé a sospechar que el motor seguía siendo chico. Pero como se los demuestro? Dos ingenieros mecánicos habían estado tras el diseño. Estaban mas que urgidos para entregar la máquina. Se me ocurre conectar una interface y la pc al equipo y monitorear corriente, potencia y par para analizar lo que estaba pasando. Y el resultado fué el siguiente:

el trazo verde es la corriente tomada por el motor. Los datos se tomaron con el soft Superdrive de WEG. Se ve que está del órden de 2IN en una aceleración de 2 seg. El motor era chico.

Cuentas "de almacenero":

Se va a ignorar en esta estimación los pares de rozamiento y otros. El análisis que sigue es muy simple pero de utilidad como para poder evaluar el problema dinámico.

La reducción mecánica lleva la velocidad final del motor a 400RPM. 

Asumiendo una masa de 1500kg y una velocidad final de 1.5m/seg la energía cinética desarrollada por el carro es de :

1500kg * (1.5m/s)^2 /2 = 1700 J

La energía cinética del rotor del motor a 400RPM es de aproximadamente 50 J.

Si se estima groseramente que la masa de la cadena, caja reductora etc aporten en unos 250 J a la energía cinética tenemos unos 2000 J en régimen. (En Argentina le llamamos ojímetro)

En el eje del motor;

Ec = Jeq * w^2 /2.

Despejando se obtiene un Jeq de 2.2. kgm2

Como

Cupla = Jeq*dw/dt 

Se obtiene que en el tramo de aceleración de 0 a 1.5m/s en 1.5 seg, el par necesario para acelerar es de 62Nm.

En el frenado de 1.5m/s a 0 en 0.5 seg, se requiere de 180Nm.

Un motor de 7.5HP tiene un par nominal de 54Nm. El par de rotor  bloqueado de un motor Czerweny de esas características es de 3 veces ese valor.

Al operar con variador se puede obtener un par de frenado de hasta el 150% del nominal como máximo.

Esto inclina la balanza a un motor de 12.5HP 970 RPM (90Nm), que si bien está un poco por debajo de estos valores, al ser los mismos aproximados y sobreestimados, sería un valor razonable de compromiso. La aceleración se lograría sin esfuerzos, y la deceleración si ayuda el roce y la carga mecánica se podría aproximar a la rampa deseada.

CONCLUSION:

Visto el cálculo informal, los ingenieros aceptaron el problema y se puso el motor de 12.5HP y un convertidor CFW09 de 24A con una R de frenado de 47Ohms 8KW.

Funcionó de maravillas como se ve en el video... A continuación la última serie de mediciones antes de embalar todo!!!

Rojo: Velocidad angular (RPM)

Verde: Corriente en el motor (A)

Fucsia: par motor (en % del nominal). Es negativo por que solo se indicó el de frenado (Superdrive no admite ambos a la vez)

Azul: tensión en el circuito intermediario (Vdc). Se nota un leve incremento en el voltaje DC durante el frenado. Si no tuviera la resistencia este provocaría una sobretensión que llevaría a trip al equipo.

Pero.. si está livianito!!! lo muevo con la mano!!!!

¿Cuántas veces ante un problema mecánico, por ejemplo luego de la reforma de una máquina se quema un drive?. Cuando se consulta al mecánico sobre lo exigente de la máquina este contesta con la afirmación usada en el título de esta entrada al blog. Respuesta obligada: ¡muévala a 1500RPM con la mano!
Muchas veces se confunden conceptos mecánicos básicos, como inercia y resistencia. Puede ser que una máquina esté "liviana" es decir que tenga poca resistencia, poco roce estático, pero la inercia es la inercia, al menos desde que Galileo hizo lo suyo y Newton lo formalizó en sus "Principia". El par Cm que debe realizar el motor y por ende la energía eléctrica que debe entregarle a este el drive, depende de ambos términos, no solo de uno y matemáticamente viene dado por la siguiente expresión simplificada, que no es mas que la segunda ley de Newton aplicada a un movimiento circular:

Cr es el par resistente (depende del roce estático durante el arranque y del dinámico en régimen, también del par útil entregado por la máquina por ejemplo del trabajo que realiza la herramienta del torno, del par que ejerce las palas de un forzador para mover una masa de aire, etc)
J es el momento de inercia de todo el conjunto (incluye el momento de inercia del  rotor del mismo motor, de las poleas, correas, caja reductoraa etc, de la transmisión, de las álas del ventilador, de todo lo que se mueva)
el cociente diferencial es la aceleración angular lograda.
Cuando la máquina está quieta y "se la mueve con la mano", el segundo término no influye, solo se está considerando el primero, que puede ser de bajo valor. Pero si la masa a mover es importante (cuidado: el término J incluye a la masa, pero también a su forma...) y el cambio de velocidad es grande, el segundo término es muy decisivo. Esto en ocasiones lleva a seleccionar un motor de mayor potencia que la necesaria en régimen, solo para "vencer la inercia".
El diseño correcto de una máquina requiere de cálculo y experiencia. Y debe verificarse el diseño final en la práctica. Cada vez que se reforma una parte mecánica debe tomarse en cuenta el incremento de par y redimensionar el conjunto motor-drive si fuera necesario.
Después de todo las leyes de Newton siguen siendo válidas aunque nos esforcemos en ignorarlas....