MODELAMIENTO Y ANÁLISIS DEL ARRANQUE DE MOTORES SICRÓNICOS GEARLESS CONSIDERANDO ASIMETRÍAS EN EL ENTREHIERRO

Abstract

La demanda de cobre ha aumentado con el pasar de las décadas, es por esto que la gran minería,con el afán de cumplir dichas demandas ha implementado nuevas tecnologías. El uso delas correas transportadoras para el traslado de material en grandes distancias tiene una larga datade implementación en la minería, sin embargo, las mayores pendientes y cantidad de tonelajeque se necesita transportar ha impuesto nuevos desafíos a este tipo de soluciones. Una soluciónimplementada para obtener una mayor eficiencia tanto en cantidad de repuestos, equipos y energíapor Minera Escondida Limitada ha sido la instalación accionamientos de correas que utilizanmotores sincrónicos sin reductor.Este tipo de motores tiene una gran potencia, sin embargo, el diseño actual provoca quefrente a grandes cantidades de carga transportada se produzca una asimetría en el entrehierro.Durante el arranque del motor, al conectar la corriente de campo, aparece un desbalance de lasfuerzas radiales en el rotor, producto de la excentricidad. Esto provoca una mayor deflexión delaccionamiento motriz en la dirección con menor entrehierro. Lo último no se replica durante laoperación del mismo debido a la aparición de la reacción de armadura. Al introducir la corrientede estator, los campos magneticos generados debilitan las fuerzas radiales, al grado de que eldesbalance de dichas fuerzas en el rotor es irrelevante.Para replicar el fenómeno en los arranques de los motores se modela la partida del motormediante tres etapas. La primera etapa consiste en el modelo mecánico estacionario de la máquina:se busca identificar las fuerzas externas relevantes durante el arraque del motor. En lasegunda etapa se modela el comportamiento eléctrico del motor, a través del método de elementosfinitos. En esta fase se busca obtener la matriz de inductancias del motor y el efectode la saturación magnética del material, así como determinar la magnitud de las fuerza radialcon diferentes grado de asimetría. La última etapa consiste en replicar tanto el comportamientoestacionario como dinámico del sistema mediante un modelo que permita conectar las variablesy parámetros eléctricos con los resultados mecánicos del accionamiento. Este modelo se ajustautilizando los casos actuales.Una vez ajustado el modelo, se proponen tres soluciones con diferentes grados de intervenciónen el motor y grados de efectividad. Es así como la solución más efectiva mitiga en un 97%los efectos de la asimetría en el motor, sin embargo, requiere del rediseño del accionamiento alintroducir un tercer punto de apoyo. La segunda solución consiste en un realinación estator-rotor,la cual tiene un 40% de efectividad sobre el caso más critico presentado. Por último se presentauna solución que no requiere de intervención directa en el motor, a través del ajuste de los tiemposde arranque del motor, sin embargo esta solución solo reduce en un 7% los efectos de laasimetría.The demand of mining production have been increasing with the passing of the decades. Bythis reason to fullfill these demands the great mining has had to implement new technologies.The use of conveyor belts to move the material over long distances has a long implementationdate in mining, however the greater slopes and amount of tonnage that needs to be transportedhas increased. A solution implemented by Minera Escondida Ltda. to obtain a greater efficiencyin quantity of spare parts, equipment and energy, has been the installation of belt drives usingsynchronous gearless motors.This kind of drives have a great power, however, in front of a large amount of transportedload the present design shows an asymmetry in the airgap. When the field current is introducedduring the motor start-up, an unbalance of the radial forces in the rotor shows up as a result ofthe asymmetry. This causes a greater deflection of the motor drive in the lower air gap direction.The last is not replicated during the operation of the motor, because when the stator windings areenergized with alternating current, the armature reaction weakens the radial forces to the extentthat the imbalanced of these forces is negligible.With the objective to replicate the motor starting, the phenomenon is modeled in three stages.The first stage is the stationary mechanical model of the machine. In this phase the external forcesduring the engine start are identified. The second phase the electrical behavior of the motor ismodeled through the finite element method. This way the motor’s inductance matrix and theeffect of the magnetic saturation of the material on the net force applied on the rotor is obtained.The last stage the dynamic behavior of the system is replicated. This phase allows to connect theelectrical and mechanical parameters.Once the model is adjusted, three solutions are proposed with different degrees of interventionin the engine and degrees of effectiveness. This is how the most effective solution mitigatesin 97% the effects of the asymmetry in the engine, however it requires the redesign of the drivewith a third point of support. The second solution consists of a stator-rotor alignment, withan effectiveness 40% over the most critical case presented. Finally, a solution is presented thatdoes not require direct intervention in the motor by adjusting the engine starting times, but thissolution only reduces the effects of the asymmetry by 7 %.