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.