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Timestamp: 2019-08-22 20:43:04+00:00

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Puente Velocidad Motores
REGULACIÓN DE MÁQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA
1.1.Arranque de motores de corriente continua
La primera maniobra que se presenta en el funcionamiento de un motor, es la del arranque o puesta en marcha. En el instante inicial (velocidad del sistema motor-carga es nula) el motor debe de desarrollar un par interno que supere al par resistente de la carga, de lo contrario permanecerá en reposo, por su parte la intensidad de inducido puede alcanzar un valor lo suficientemente elevado como para dañarlo.
Así si se produce un arranque directo (aplicando la tensión nominal) en un motor de corriente continua, la intensidad de inducido alcanza un valor excesivamente grande ya que en el momento del arranque la f.e.m. interna E=k 1 .n.ф es nula por ser n=0 (dónde k 1 es la constante que depende del nº de conductores, nº de ramas en paralelo respecto a las escobillas, nº de pares de polos, k 1 =N.p/(30.α)). El valor de la intensidad de inducido será:
I i =U b /R i
Generalmente el valor de R i suele ser pequeño, por lo que la I i , toma un valor que puede estar comprendido entre 20 y 30 veces el valor de la intensidad nominal del motor.
Este valor tan elevado de la intensidad da lugar a una serie de efectos eléctricos y mecánicos perjudiciales como son:
- Actuación de los elementos de protección.
- Deterioro en el inducido del motor, debido tanto a los esfuerzos electrodinámicos a los que quedan sometidos los devanados, como a los calentamientos producidos los cuales podrían quemar el motor.
- Averías en el colector y las escobillas producidas por un fuerte chisporroteo.
- Rotura del eje del motor debido al choque mecánico.
- Sobrecarga de la línea que lo alimenta, con perturbaciones de tensión para los demás consumidores conectados a la misma red. La producción de perturbaciones en la red eléctrica está limitada por el Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión.
Este reglamento establece la obligatoriedad de proveer a los motores de más de 0.75kW de algún sistema que limite la intensidad de arranque a un cierto múltiplo de la intensidad de plena carga según la siguiente tabla.
De 0.75 a 1.5 kW
De 1.5 a 5 kW
De más de 5 kW
Por tanto para evitar los efectos anteriores es preciso limitar la corriente del inducido en el momento del arranque.
El valor mínimo de la intensidad vendrá dado en función del par resistente de la carga accionada por la máquina. En el momento del arranque, el par motor debe ser superior al valor del par resistente total, es decir la suma del par resistente que ofrezca la carga más el par pasivo del propio motor. Cuanto mayor sea la diferencia, mayor será la aceleración del motor y la máquina tardará menos tiempo en alcanzar la velocidad de funcionamiento (velocidad nominal). Por lo tanto, en general, el valor de la intensidad de arranque, deberá ser superior al valor de la intensidad nominal del motor pero inferior al a de arranque directo.
Existen dos procedimientos para conseguir limitar la corriente de arranque. A la vista de la ecuación que determina la intensidad de arranque:
I a =U b /R i
Se observa que, tanto si se aumenta el valor de la resistencia del inducido, como si se disminuye el valor de la tensión de alimentación U b , se consigue disminuir el valor de la intensidad de arranque I a .
Para aumentar el valor de la resistencia del circuito del inducido, se coloca una resistencia variable (reostato de arranque) en serie con él. El valor de esta resistencia vendrá determinado por la máxima intensidad de arranque permitida para el motor considerado y por la mínima intensidad necesaria para vencer el par resistente.
Esquema de conexiones de un motor de c.c. excitación derivación con reóstato de arranque R a y reóstato de excitación R e .
motor va
ganando velocidad, la
interna va aumentando,
disminuyendo. Si se mantiene conectado el reóstato de arranque, el valor de la intensidad queda limitado a:
Esto puede dar lugar a que el motor no desarrolle el par suficiente como para alcanzar su velocidad nominal.
Por lo tanto, es preciso dotar a la máquina de algún sistema que permita que en el momento del arranque, el valor del reóstato de arranque sea máximo, y que vaya
disminuyendo a medida que el motor aumenta su velocidad, hasta anularse permitiendo así que alcance la velocidad nominal. Estos sistemas se conocen con el nombre de arrancadores, y pueden ser manuales o automáticos.
A título de ejemplo, se representan las características de velocidad y mecánica de un motor derivación compensado con un arrancador de este tipo con lo que se obtienen las gráficas siguientes:
Según se ha visto, la pendiente en estas gráficas viene determinada por la resistencia de inducido, por lo que inicialmente la característica de velocidad vendría representada por la recta (A). Si en el momento del arranque, el par motor supera al par resistente total (el de la carga más el par pasivo), el motor ganará velocidad con una aceleración que dependerá de la diferencia de valor entre el par motor y el resistente (par acelerante).
Al ir aumentando la velocidad del motor y su f.e.m. interna, disminuye la intensidad I i y en consecuencia el par motor, al llegar a un valor prefijado (p.ej. el señalado con 1, correspondiente a un valor de intensidad de un 10 o un 20 % superior al nominal), se reduce el reóstato de arranque a un valor tal que para esa velocidad, la intensidad de inducido alcance nuevamente el valor máximo (punto 2). A partir de este punto, la velocidad aumentaría según la recta (B), hasta llegar nuevamente al valor fijado de intensidad I 1 . Repitiendo este proceso para distintos valores del reóstato, se consigue un arranque en el cual la intensidad no supera el valor máximo permitido.
En la figura anterior también se observa la variación del par motor en función de la velocidad en el proceso de arranque descrito.
Si se representa la variación de la intensidad de inducido en función del tiempo se obtiene una gráfica como la indicada a continuación:
Un ejemplo de este tipo de arrancadores es el manual mostrado en la figura siguiente:
Se conectan unas resistencias R 1 ,…, R 5 a unos contactos de cobre. El brazo, se desplaza mediante el pomo aislante. Inicialmente, se coloca el brazo en la posición de arranque. Al dar alimentación al circuito, la intensidad I i vendrá limitada por el valor de las resistencias R 1 …R 5 , con lo cual su valor será mínimo, mientras que la intensidad de excitación I e tendrá su valor máximo para que el flujo de excitación y por tanto el par de arranque sea máximo (M a =k 2 .I i .ф o ). En el instante en que el motor deja de acelerar, se desplaza el brazo a la posición siguiente, con lo cual la I i será mayor y el motor aumenta su velocidad. Se repite el proceso hasta llegar a la posición régimen permanente, en la que el motor estaría en condiciones nominales, quedando el brazo retenido por el electroimán en serie con el devanado de excitación. Si por alguna razón el motor perdiera la tensión de alimentación, el electroimán dejaría libre el brazo mecánico que retornaría a la posición de origen debido a la acción del muelle. El dispositivo impide por tanto, que el motor pueda arrancar de forma directa al reponerse la alimentación.
Basándose en la curva descrita de intensidad/tiempo, se puede construir un arrancador automático como el de la figura siguiente, en el que los contactores C 1 , C 2 ,
C 3 y C 4 , se activan en función de los tiempos 1, 2, 3 y 4 que tarda el motor en alcanzar la velocidad correspondiente al valor de intensidad de cambio I 1 . Las resistencias R 1 , R 2 , R 3 y R 4 se corresponden con los valores que impiden que al efectuarse el cambio, el valor de la intensidad de inducido sea superior del valor fijado para el arranque.
Actualmente, los motores de corriente continua normalmente son alimentados a través de equipos convertidores (rectificadores) conectados directamente, o a través de transformadores, a la red de distribución de tensión alterna, teniendo lugar la regulación de la intensidad de arranque por medio de equipos variadores de tensión a base de grupos convertidores dinámicos o de equipos electrónicos estáticos.
Estos dispositivos, resultan bastante más caros que los simples reóstatos, pero además de la limitación de la intensidad de arranque permiten realizan otras funciones como pueden ser la regulación de la velocidad y del par proporcionado por la máquina.
En la siguiente figura se muestra el esquema de principio de un dispositivo que permitiría regular la intensidad de arranque, el par y la velocidad por medio de un convertidor de tiristores.
Con un sistema de este tipo, variando la tensión de alimentación según una rampa se pueden conseguir un proceso de arranque suave como el definido en la figura, con una intensidad de arranque limitada a un valor máximo fijado.
1.2. REGULACIÓN DE VELOCIDAD
La regulación de la velocidad de una maquina tiene por objetivos:
1. Mantener la velocidad tan próxima como sea posible a un valor previamente fijado, independientemente de los factores perturbadores que actúen sobre ella.
2. Variar la velocidad entre límites más o menos amplios de acuerdo a las exigencias del servicio. Así se puede desear mantener la velocidad constante en el valor n 2 cuando la carga accionada sufre variaciones de par resistente (por conexión o desconexión de cargas en el eje), o bien al contrario, modificar la velocidad entre valores extremos tales como n 1 y n 3 .
Como ya se ha descrito, la velocidad de funcionamiento de los motores eléctricos vendrá fijada por la igualdad entre el par motor de la máquina y el par resistente que le ofrezca la carga, por tanto para alcanzar una velocidad deseada en la máquina es preciso modificar de alguna manera su característica mecánica de forma que tal equilibrio se produzca en el valor pretendido.
para el estado de equilibrio, la corriente tomada
por la máquina está
determinada por el valor del par motor a desarrollar que ha de igualar al par resistente.
Teniendo en cuenta que para un motor de corriente continua:
U b = I i .R t +E
E=K 1 .n.ф u
Según la cual, la velocidad del motor dependerá del valor de la tensión de alimentación al motor, la resistencia total del circuito del inducido y el flujo útil (nótese que no se puede actuar directamente sobre la corriente de inducido ya que ésta dependerá del valor del par a desarrollar y tal como se ha comentado repetidas veces ese valor no lo fija arbitrariamente el motor sino el equilibrio con la carga).
Por lo tanto, se podrá regular la velocidad actuando sobre cualquiera de los parámetros mencionados. La actuación sobre cada uno de ellos modifica la forma o la posición de la característica mecánica del motor dependiendo además del tipo de excitación utilizado.
De acuerdo a la ecuación anterior se puede observar que es posible hacer aumentar la velocidad aumentando la tensión aplicada o reduciendo el flujo y que para disminuirla se puede reducir la tensión de alimentación o aumentar el flujo. La opción de aumentar la resistencia del inducido (conectando una resistencia en serie con él) en general no es muy utilizada debido al aumento de las pérdidas que se producen, lo que hace disminuir el rendimiento.
El incrementar la velocidad a base de aumentar la tensión aplicada tiene como límite el que no se puede sobrepasar en exceso la tensión nominal ya que se produce un funcionamiento defectuoso (problemas de conmutación y mayores esfuerzos dieléctricos sobre los aislantes), para aumentar la velocidad es preferible reducir el flujo lo cual no supone en principio ningún problema (siempre que tal reducción no sea excesiva y la máquina se quede sin excitación) en este caso el límite está en que para desarrollar un cierto par con un flujo inferior al nominal, la corriente de inducido puede aumentar por encima del valor nominal, situación que se debe de evitar.
Para reducir la velocidad es preferible, en general, reducir la tensión de alimentación que aumentar el flujo, téngase en cuenta que en condiciones nominales se trabaja en la zona del codo de saturación y que para aumentar apreciablemente el flujo es preciso aumentar la corriente de excitación en mucha mayor proporción, lo cual conduce a una sobrecarga en el circuito de excitación.
Tanto la tensión aplicada al motor, como la resistencia del circuito del inducido, se pondrán variar independientemente del tipo de motor considerado. Sin embargo, en un motor serie, no se podrá actuar de forma directa sobre el flujo útil de la máquina, ya que éste depende de la corriente de funcionamiento, la cual a su vez viene determinada por la carga accionada
Por lo tanto, para cada tipo de motor se disponen de procedimientos diferentes para regular la velocidad. En lo que sigue se estudian estos métodos.
1.2.1.1.Variación de la tensión de alimentación al inducido de la máquina.
Si un motor de excitación independiente
Se varía la tensión de alimentación a la máquina (U b ) sin variar la tensión aplicada al circuito de excitación (U e ), suponiendo que la caída óhmica en la resistencia del inducido de la máquina es despreciable con respecto a la tensión de alimentación, se tendrá según la ecuación:
La variación de la velocidad en la máquina será aproximadamente proporcional a la variación de tensión en bornes del motor.
En la figura se representa la característica de velocidad para dos valores de tensión de alimentación U b (curva1) y U b ’ (curva 2) suponiendo el motor compensado. Para un valor de intensidad I 1 , si se reduce la tensión de alimentación a la mitad, la velocidad del motor disminuirá aproximadamente en esa proporción.
El efecto de la variación de la tensión aplicada es el de modificar la velocidad de vacío pasando de n 0 a n 0 ’ mientras que se mantiene la pendiente ya que ésta depende de la resistencia de inducido.
La variación de tensión no influye directamente en la característica del par (I i -M) de la máquina, ya que M=K 2 .I i .ф o y el flujo de excitación no varía. Por lo tanto, la característica mecánica (n-M) sufrirá una variación de su posición como la indicada en la figura siguiente.
Se podría conseguir por tanto, aplicando este método variaciones de velocidad desde cero hasta el valor de funcionamiento nominal, con variaciones de tensión entre cero y U n .
La velocidad de funcionamiento queda determinada por la igualdad de pares, en la figura se muestran dos características resistentes, una de par constante y otra de par lineal con la velocidad, los estados de funcionamiento vendrían dados por la intersección de tales características con las señaladas con 1 y 2. La corriente tomada en cada caso será la que se precise para producir el par requerido y por lo tanto en general no permanece constante, se insisten una vez más en que la corriente no la decide la máquina sino la carga accionada por ella
Como ya se ha dicho, este procedimiento no se debe emplear para aumentar la velocidad de funcionamiento de la máquina, ya que requiere alimentar a la misma con valores de tensión superiores al nominal pudiéndose dañar el motor.
1.2.1.2.Variación del flujo inductor
Si manteniendo la tensión en bornes del inducido del motor, se disminuye la tensión de alimentación del circuito inductor, varía la intensidad de excitación de la máquina y por tanto el flujo inductor de la misma.
Suponiendo el motor compensado, al ser E o =k 1 .n.ф o , para una misma velocidad de referencia, se tendrá que la f.e.m. interna de la máquina varía en la misma proporción que le flujo de vacío. Para distintas velocidades de funcionamiento, el valor de ésta f.e.m. será un punto de la recta correspondiente a I e2 según la siguiente figura:
Si se determina la característica de velocidad de este motor, se obtiene la gráfica siguiente, en la que se observa que la reducción de intensidad de excitación provoca un incremento de la velocidad de la máquina.
Analíticamente, para el mismo valor de la intensidad de inducido, se tendrá:
Es decir, la variación de la velocidad es inversamente proporcional a la variación de flujo inductor.
Teniendo en cuenta que M= K 2 .I i .ф o , para cada valor de intensidad de inducido, el nuevo par motor de la máquina vendrá dado por la expresión
Por lo tanto, la característica mecánica sufrirá una modificación como la mostrada en la figura (aumenta la velocidad de vacío y disminuye el par de arranque directo):
Hay que tener en cuenta que normalmente el valor de excitación nominal se sitúa en la zona del codo de saturación de la máquina. En esas condiciones, si se reduce la tensión de excitación y se pasa a trabajar en la zona no saturada de la característica magnética, pequeñas variaciones de la corriente de excitación dan origen a grandes variaciones de flujo, por lo que se puede conseguir una amplia variación de velocidad. Sin embargo en la zona saturada de la característica, el aumento de flujo es pequeño aunque el aumento de la corriente de excitación sea grande, con lo cual, no se podrá conseguir una gran variación de la velocidad del motor por éste método.
1.2.1.3.Variación de la resistencia total del circuito de inducido
A la vista de la ecuación:
Si se modifica el valor de la resistencia del circuito del inducido, colocando un reóstato de regulación R r , sin modificar la tensión de alimentación ni la intensidad de excitación, para cada valor de la intensidad de inducido se tendrá:
Donde R t1 = R i +R r1 y R t2 =R i +R r2 corresponden al valor total de la resistencia del inducido para dos valores del reóstato de regulación R r .
Representando la característica de velocidad del motor, para el valor del reóstato de regulación R r =0 (curva 1) y para otro valor cualquiera (R t ’=R i +R r ) (curva 2), se obtienen las gráficas siguientes:
Se observa que al aumentar la resistencia del inducido, la variación de la velocidad con la intensidad de inducido de la máquina se hace mayor (la modificación de la resistencia de inducido modifica la pendiente de la característica N-I i ).
Si no se modifica el valor del flujo de excitación, el par interno de la máquina presentará la misma variación con la intensidad independientemente del valor de la resistencia total del circuito del inducido, por lo que la característica mecánica del motor variará según la figura donde la recta 2 corresponde al valor de resistencia R t ’=R i +R r.
En los ejemplos anteriores, se ha considerado que se pueden variar independientemente de la tensión, el flujo inductor y la resistencia de inducido de la máquina sin que las demás variables resulten modificadas. Esto sólo será posible en motores de excitación independiente compensados. En general, la alteración de uno de los parámetros influirá en el resto de las variables del motor, por lo que los efectos anteriores se verán entremezclados. Si por ejemplo, si el motor no estuviese compensado, y se modificase la tensión de alimentación, se podría ver modificado el flujo útil ya que éste depende también de la intensidad de inducido, que en general no va a permanecer constante.
En un motor derivación, si se varía la tensión de alimentación, se varía también la intensidad de excitación de la máquina, y por lo tanto el flujo inductor de la misma.
Por ejemplo, una disminución de la tensión de alimentación, (que provocaría una disminución de la velocidad), iría acompañada de una reducción de flujo de excitación (que provocaría un aumento de velocidad). La velocidad resultante de esta variación vendrá definida por el efecto que predomine en cada caso.
Supóngase que para un valor determinado de resistencia de excitación, el punto de corte entre la característica de vacío del motor E o (para la velocidad de vacío correspondiente a la tensión nominal n o ) y la recta R e .I e sea el representado en la figura. Si se reduce la tensión a un valor U b ’, se producirá una disminución de la intensidad de excitación al valor I e ’ y por lo tanto la tensión de vacío (a esa misma velocidad) tendría un valor E o ’.
En la figura se representa la determinación de las característica de velocidad para los nuevos valores U b ’ y E o ’, con relación a los valores anteriores
alimentación U b , y la curva 2, para la tensión U b ’.
En este caso, para el mismo valor de intensidad de inducido, la velocidad se reduce al reducirse la tensión de alimentación.
Para determinar la característica del par, teniendo en cuenta que M=k 2 .I i .ф u , como el flujo útil de la máquina disminuye al disminuir la tensión de alimentación, el par disminuirá para el mismo valor de intensidad de inducido, con lo cual la característica será la representada en la figura.
Por lo tanto, la característica mecánica, con esta variación de tensión de alimentación será la representada en la figura siguiente por la recta 2 en la que se observa que para el mismo valor del par motor la velocidad será menor que si la alimentación fuera U b , y la variación de la velocidad será mayor cuanto mayor sea el par resistente que ofrezca la carga.
Sin embargo, si la variación de la tensión provocase una variación grande del flujo inductor, y por lo tanto la f.e.m. interna resultase ser (a la velocidad de referencia) como la indicada por E o ’ en la figura, al determinar la característica de velocidad de la máquina se observaría que el nuevo valor de la velocidad para el cual la f.e.m. interna iguala a la tensión en bornes menos la caída de tensión óhmica, es superior al correspondiente a la tensión U b para el mismo valor de intensidad de inducido.
Si se representa la variación del par motor de la máquina en función de la intensidad, para la nueva tensión de alimentación, al reducirse el flujo la característica toma la forma indicada por la línea 2 (figura).
Determinando la característica mecánica de la máquina a partir de las anteriores se obtiene la gráfica de la figura (2), en la que se observa que para determinados valores de par, la velocidad es superior a la obtenida a la tensión U b , es decir, que se puede aumentar la velocidad disminuyendo la tensión de alimentación.
1.2.3. MOTOR SERIE
En un motor serie, la intensidad de excitación es la propia intensidad de inducido de la máquina.
1.2.3.1.Variación de la tensión de alimentación
Si se reduce la tensión de alimentación al circuito de forma que pase de un valor U b a U b ’, la característica de velocidad (n-I i ) de la máquina resulta modificada según muestra la figura siguiente.
En la que se representan las características de velocidad para dos valores de la tensión de alimentación U b y U b ’. Se observa que para el mismo valor de intensidad de inducido, la velocidad que alcanzará la máquina será menor si la tensión de alimentación disminuye.
Para cada valor de la intensidad de inducido, el par motor es independiente de la tensión de alimentación, al depender sólo de la intensidad y del valor del flujo que a su vez es una función de la intensidad de inducido. Por lo tanto, la característica mecánica (n-M) de la máquina presenta una variación similar a la obtenida para la característica de velocidad (n-I i ).
1.2.3.2.Variación del flujo inductor
Para reducir el valor del flujo de excitación es preciso colocar en paralelo con el devanado de excitación de la máquina un reóstato de campo de forma que:
A título de ejemplo, considerando I e =I i /2 la característica de velocidad (n-I i ) de la máquina toma la forma indicada como curva 2 en la figura.
A partir de la observación de esta gráfica se deduce que la velocidad aumenta para cualquier valor de la intensidad de excitación de la máquina, siendo esta variación más acusada si esa intensidad es menor que la correspondiente al codo de saturación.
La característica del par se verá modificada respecto a la anterior de la forma indicada en la figura.
Respecto a la característica mecánica, suponiendo la característica de vacío linealizada, resulta la indicada en la figura observándose que al disminuir el flujo inductor de la máquina, para el mismo valor de par motor la velocidad de funcionamiento es mayor.
1.2.3.3.Variación de la resistencia de inducido
Al variar el valor total de la resistencia de inducido, la característica experimenta una variación similar a la vista en el caso del motor independiente, rotando sobre el punto de intensidad igual a cero. El valor de la velocidad para el mismo valor de intensidad de excitación será menor.
La característica del par de la máquina (M-I i ) no presenta variación en este caso, y por lo tanto la característica mecánica (n-M) presenta el mismo aspecto que la característica de velocidad (n-I i ).
1.2.3.4.ADAPTACIÓN DEL PAR MOTOR AL PAR RESISTENTE
Según se ha visto, una modificación de los valores de resistencia, tensión de alimentación o flujo inductor de la máquina, provoca modificaciones en las curvas características del motor.
Se puede determinar cómo deben ser modificadas las variables anteriores para obtener el funcionamiento deseado de la máquina. Como ya se ha visto, el estado de funcionamiento del motor vendrá definido por la intersección de la característica mecánica del motor y la característica mecánica del par resistente en cada caso.
Por ejemplo, se pretende conseguir que un motor de excitación independiente mantenga constante su velocidad ante cambios de par resistente como los indicados en la figura siguiente (M 1 , M 2 , M 3 ).
En esta figura se observa que ante una variación de par resistente (p.ej. de M 1 a M 2 ), el motor pasaría del punto de funcionamiento A al punto B’, y por tanto, la velocidad del motor será n 2 mayor que n 1 . Para mantener la misma velocidad, el nuevo punto de funcionamiento debería ser el B, lo que implica utilizar un procedimiento que permita obtener una velocidad de funcionamiento menor que la anterior.
Si se reduce la tensión de alimentación del motor, la característica mecánica se desplaza paralelamente a sí misma, por lo que se tendría que buscar qué nuevo valor de la tensión de alimentación hace que la característica mecánica M m2 pase por el punto B con lo que se conseguiría mantener la velocidad constante.
Por lo tanto, dependiendo de la variación sufrida por el par resistente, y el tipo de motor, se tendrá que utilizar en cada momento el procedimiento que dé lugar a la variación de velocidad deseada.
1.3.EJEMPLO DE PROCEDIMIENTOS DESCRITOS:
1.3.1. Regulación de velocidad variando el flujo inductor
1.3.2. Regulación mediante la tensión de alimentación
Un caso particular en tracción eléctrica es el de varios motores conectados sobre el mismo eje, se pueden conseguir varias velocidades sin más que cambiar la conexión entre las máquinas. En la figura se observan tres formas posibles de conectar cuatro motores serie que actúan sobre el mismo eje. Según la conexión realizada, la tensión de
alimentación a cada motor será diferente, y por lo tanto también lo será su velocidad de funcionamiento.
Regulación de velocidad de 4 motores serie acoplados a un mismo sistema mecánico o modificación del conexionado. Izquierda: Conexión serie: velocidad mínima Centro: Conexión serie-paralelo: velocidad media. Derecha: Conexión paralelo: velocidad máxima
1.3.3. Grupo Ward-Leonard
El grupo Ward-Leonard
es un convertidor formado
generador de c.c. de la misma potencia que le motor cuya velocidad se pretende regular.
El objetivo de este grupo es variar de forma continua la velocidad de un motor para lo cual se utilizan dos de los procedimientos anteriores, por una parte se alimenta con una tensión continua y regulable su inducido desde la dínamo, por otra parte también se puede actuar sobre el circuito de excitación del motor cuya velocidad se pretende regular.
Siguiendo el esquema de la figura, si se varía el reóstato del circuito de excitación del generador, se consigue variar la tensión de salida del mismo, es decir, la tensión de alimentación del motor, permitiendo variar la velocidad de éste. Para conseguir velocidades superiores a la nominal del motor, se aumentaría el valor del reóstato de campo del motor, reduciendo en su intensidad de excitación.
Transitoriamente, el papel jugado por las máquinas de c.c. se puede invertir. Si la f.e.m. interna del motor se hace superior a la tensión aplicada esta máquina pasa a funcionar como generador mientras que la dínamo funciona como motor.
Actualmente, los equipos reguladores de velocidad para los motores eléctricos se basan en convertidores estáticos que permiten alimentar al motor con una tensión continua regulable de forma más económica, controlada y exacta.
Frecuentemente, se intenta controlar un motor DC mediante una resistencia variable conectada a un transistor. Si bien este sistema funciona, genera gran cantidad de calor y pérdidas de potencia. Para ello se puede eliminar ese problema controlando la velocidad de un motor DC mediante la modulación por ancho de pulso (PWM) o mediante la modulación de frecuencia de pulso (PFM). Cuando más ancho es el pulso, mayor es la velocidad del motor y viceversa
El PWM, o modulación por ancho de pulso, la cual consiste en modificar el ancho del pulso dejando la frecuencia intacta, el programa aceptara dos entradas, que son los Push Buttons conectados al microcontrolador, y tendrá una salida, que es el LED, el cual indicara el nivel de modulación, a más ancho el pulso mas ciclo de trabajo y el LED se iluminara con mayor intensidad.
2 Resistencias de 10Kohms1 Microcontrolador ATmega8
La modulación por ancho de pulso o PWM (Pulse-Width Modulation), de una señal, es cuando se modifica el ciclo de trabajo o el ancho del pulso de una señal periódica, en este caso representado por una señal cuadrada, uno de los usos del PWM entre muchos otros, es controlar la cantidad de energía, en este caso el voltaje promedio es mayor conforme aumenta el ciclo de trabajo.
Un circuito PWM arroja como resultado una onda cuadrada con ciclo variable de ON y Off, variando en el tiempo del 0 al 100 %. De esta manera, una cantidad variable de potencia es transferida a la carga.
En la imagen anterior se puede observar, que el periodo de la señal permanece fijo, por lo tanto, la frecuencia también, solamente cambia el ciclo de trabajo, en la primera se observa que el ciclo de trabajo es de aproximadamente 50% lo cual nos indica que es el porcentaje de voltaje promedio entregado a la carga.
La principal ventaja de un circuito de PWM sobre un controlador que se base en la variación lineal de la potencia suministrada a una carga mediante cambio resistivo es la
eficiencia. A una señal de control del 50%, el PWM usará cerca del 50% de la potencia total, de la cual casi tosa será transferida a la carga. En un controlador tipo resistivo, de un 50% de potencia que se quiera transferir a la carga se estima que le puede llegar cerca de un 71%. El otro 21% se pierde en forma de calor.
La principal desventaja de los circuitos de PWM es la posibilidad de que exista interferencia por radiofrecuencia (RFI). El RFI puede minimizarse ubicando el controlador cerca de la carga y utilizando un filtrado de la fuente de alimentación. Este circuito posee una pequeña protección contra RFI y produce una mínima interferencia.
Un diagrama de ejemplo de la utilización de la modulación de ancho de pulsos en un variador de frecuencia empleando un CI NE555 sería el siguiente:
Actuando sobre el potenciometro R2 se modifica la tensión presente en el pin 2 del CI NE555, lo cual produce un cambio en el tiempo de disparo. Para este circuito, T es de tamaño fijo, lo único que se hace al rotar R2 es cambiar el tiempo en estado alto (Tm) y el tiempo en estado bajo (Ts). El diodo D1 evita que la corriente generada por el motor cuando está girando sin alimentación, destruya el transistor Q1. Este circuito se aplica perfectamente a pequeños motores de corriente continua, de entre 6V y 12V, con su consumo de corriente no mayor a 300mA. Para motores más grandes, se debe sustituir el transistor Q1 por uno de Tecnología MOSFET, capaz de manejar picos de hasta 50A. Lo hemos probado con motores de 12V/3A y funciona sin Calentarse, aún sin el uso de disipador de calor. El circuito para este tipo de motores sería el siguiente:
El sistema PFM utiliza el planteamiento contrario, es decir, mantener constante el ancho de pulso y variar la frecuencia entre ellos. De este modo se obtienen resultados parecidos pero el hardware se complica.
REGULACIÓN DE VELOCIDAD EN LOS MOTORES BRUSHLESS DC.
El bobinado del motor de corriente continua brushless, se basa en la agrupación de tres bobinas, colocadas eléctricamente a 120º para generar el campo magnético giratorio del motor. La etapa de control y potencia difiere totalmente de un servomotor de escobillas. El servomotor necesita, obligatoriamente, esta electrónica de control para su funcionamiento. La conmutación secuencial de estas bobinas se basa en las señales de la posición del rotor, generadas por los sensores Hall. Si la conmutación de estas bobinas se realiza por una electrónica de conmutación en bloque, se pueden alcanzar pares más elevados en el arranque, y si la conmutación es senoidal, el funcionamiento del servomotor es más suave y el par en funcionamiento en continuo es mayor.
1.3.6.1.Tipos de control
El objeto es conseguir un actuador mecánico que integre los suficientes elementos de control para poder modificar los parámetros de su actuación mecánica, velocidad, par, posición, etc… Estudiando las necesidades de precisión, se debe seleccionar qué tipo de control se necesita: bucle abierto o bucle cerrado y qué modo de funcionamiento debe tener, uno o cuatro cuadrantes (1 Q o 4 Q).
Bucle o lazo abierto Si no se tiene un sensor asociado al servomotor, no se puede tener un control ajustado sobre la carga, aunque exista una señal de consigna que marque un punto de trabajo fijo de velocidad. Por el contrario, son sistemas más económicos que los sistemas de bucle cerrado, con menos componentes y menos cableado. Así, si se tiene por ejemplo una cinta transportadora donde la carga oscila, el motor reducirá / aumentará su velocidad sin mantener una velocidad constante estable. Se pueden alcanzar caídas de velocidad, importantes.
Bucle o lazo cerrado Dada una señal de consigna, el sistema reacciona con rapidez, precisión y fiabilidad en el control de las siguientes variables. El sistema requiere más cableado, y es más costoso, pero entrega unas prestaciones muy superiores en cuanto a la calidad de la regulación.
Mantiene una velocidad estable independiente de la carga, proporcional a una señal de control (señal de consigna). Ejemplo de una cinta transportadora con diferentes cargas:
al aumentar la carga, el sistema detecta una bajada de velocidad y la compensa inmediatamente manteniendo el valor de consigna o deseado.
Entrega en el servomotor un par proporcional a la señal de control. Por ejemplo, con un atornillador eléctrico, el control de corriente nos permite controlar la fuerza (par de apriete) con la que se atornilla.
Para controlar exactamente una posición dada. Típico uso en robótica y muchos tipos de máquinas y equipos de laboratorio. El sistema se autocorrige si la posición medida difiere de la posición requerida. Incluso cuando se alcanza la posición y el servomotor está parado, si lo se trata de desplazar manualmente, el sistema reacciona y vuelve a la posición requerida. En aplicaciones dinámicas se aconseja la utilización de servomotores de bobinados sin hierro (servomotores ironless), de muy baja constante de tiempo mecánica. Al tener el rotor una inercia muy baja, el servomotor reacciona muy bien a las señales del amplificador. Esto se traduce en un gran dinamismo tanto en aceleraciones como frenadas.
1.3.6.2.SENSORES
ENCODER El encoder va acoplado al eje trasero del motor. En algunas ocasiones se usa un encoder adicional en la carga para posicionamiento muy preciso evitando las holguras en la
transmisión entre el servomotor y la carga. Normalmente, la señal de salida del encoder es una onda cuadrada digital tipo TTL (0 V = 0 y 5 V = 1) la cual se procesa para la cuenta de pulsos (velocidad o posicionamiento de precisión). El desfase de 90º entre las señales del canal A y B permite determinar el sentido de giro del servomotor. El canal Index se utiliza para tareas de búsqueda de cero (home, homing) en posicionamiento, al iniciar la máquina. El encoder con line driver genera señales complementarias en cada canal para eliminar posibles interferencias eléctricas que reciban los cables. Dependiendo del entorno de las interferencias eléctricas, se pueden transmitir las señales a más de 30 metros sin cable apantallado. Hoy día, es el tipo más utilizado en la industria. El encoder más usado habitualmente es el encoder tipo óptico incremental de 500 pulsos / vuelta, existiendo otras tecnologías como los encoders magnéticos. Se recomiendan los encoders magnéticos en lugares donde exista mucha polución ambiental.
Encoder incremental y encoder absoluto Con el encoder incremental, al inicializarse la máquina, el sistema hace una búsqueda del cero o Home. A partir de ahí, se suman o restan los pulsos del encoder para determinar la posición del accionamiento. En caso necesario, se puede utilizar un encoder absoluto que memoriza la posición, incluso en ausencia de corriente. En este caso no es necesario hacer una búsqueda de cero. Resolución de encoder Un punto importante es elegir la resolución del encoder. En encoders incrementales ópticos para motores pequeños es difícil conseguir resoluciones por encima de los 1.000 pulsos por vuelta (ppv). Hay que tener en cuenta la trasmisión. Por ejemplo, un servomotor con reductora , con una reducción de 236 a uno, la resolución del encoder de 500 pulsos se ve multiplicada por la reducción. En este caso, tendríamos una resolución de 118.000 pulsos por vuelta en el eje de la reductora. Esto se traduce en una precisión de poco más de 5’ (minutos de arco).
Holguras en la trasmisión Aunque se consiga una resolución o precisión muy alta, ésta puede ser anulada por la holgura de la reductora y otros elementos de la transmisión. Por ejemplo, la holgura del sistema puede ser de 2º. Las holguras son necesarias para el rendimiento y el funcionamiento suave de los engranajes. Este problema sólo es evidente en tareas de
posicionamiento muy preciso, cuando se invierte el sentido de giro. Es decir, si se está posicionado en el mismo sentido de giro, no hay mucho problema de repetibilidad. La holgura se hace evidente solo cuando se invierte el sentido de giro. Como solución a estos casos se puede poner un encoder adicional en la carga, una reductora de holgura reducida (la holgura cero no existe), minimizar por software el efecto de la holgura en la inversión de giro o utilizar un servomotor directo acoplado a la carga.
SENSOR DE EFECTO HALL (o sonda Hall ) Solo para motores brushless DC. Efecto Hall: Cuando fluye una corriente a través de un sensor Hall y este se aproxima a un campo magnético perpendicular, entonces se crea un voltaje saliente proporcional al producto de la fuerza del campo magnético y de la corriente. Gracias a este principio, mediante un disco magnético acoplado al eje del servomotor podemos sensar la posición del rotor. Principalmente, estos sensores se usan para que la electrónica pueda conmutar las tres bobinas del motor de acuerdo a la posición de los polos del imán del rotor. Así por ejemplo un motor brushless de dos polos con 3 sensores hall (a 120º), tiene una resolución en posición de 6 pulsos por vuelta ( 60 º de conmutación). En caso de los servomotores multipolares esta resolución aumenta. Ocasionalmente, se pueden accionar los motores brushless sin sensores Hall para determinadas aplicaciones muy sencillas, como por ejemplo ventiladores y bombas. Sin sensores Hall, el problema es que el arranque del servomotor es un poco brusco. Algunas veces se utilizan los sensores Hall para aplicaciones de posicionamiento de baja resolución. Si se tiene una reductora acoplada al servomotor esta resolución se multiplica.
RESOLVERS El resolver tiene una bobina primaria giratoria (rotor) y dos bobinados secundarios desfasados 90º (estator). Una tensión variable del bobinado primario es transmitida a los
bobinados secundarios generando ondas sen α y cos α. Se utiliza para el control de
velocidad y posicionamiento, pudiendo transmitir sus señales a largas distancias, pero requieren de un equipo especial del tratamiento de su señal.
La tacodinamo proporciona una señal analógica de tensión proporcional a la velocidad de rotación del motor CC. Por ejemplo 0,5 V por cada 1.000 rpm. El sentido de giro se identifica por la polaridad de la tensión que suministra. Es importante en estos equipos la linealidad de su diagrama. La desventaja es que al tener escobillas están sujetas a desgaste. Por este motivo y por la falta de información de posición, han sido prácticamente sustituidas por el encoder. Se utiliza para el control de velocidad, pero no para posicionamiento.
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