INSTITUTO TECNOLÓGICO DE LA PIEDAD
MAQUINAS ELÉCTRICAS
INGENIERÍA ELECTRÓNICA
MOTOR DE CORRIENTE DIRECTA
ALUMNOS:
ENRIQUE BARAJAS ORTIZ IVÁN AGUILERA RODRÍGUEZ MARCO
La Piedad Michoacán Miercoles 27 de abril de 2010
INTRODUCCIÓN
En nuestra carrera hay posibilidad de terminar en alguna empresa resolviendo problemas con la maquinaria. Quizá ocupemos de manipular motores de corriente eléctrica, para que tenga un mejor rendimiento. En lo siguiente viene explicada una práctica que simula el proceso que se lleva acabo para manipular un motor de corriente directa usando el PWM. Haremos una práctica usando el 555 para hacer un PWM y así lograr manipular el funcionamiento de un motor de corriente directa. También lograremos entender lo que sucede con el circuito, dándonos experiencia para poder resolver tipos de problemas con maquinaria.
MARCO TEÓRICO PWM La modulación por anchura de pulsos (ó PWM, del ingles pulse-width modulation) es una técnica de modulación en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica para, entre otras cosas, variar la velocidad de un motor. El ciclo de trabajo de una señal periódica es el ancho relativo de su parte positiva en relación al período. Cuando más tiempo pase la señal en estado alto, mayor será la velocidad del motor. Este tren de pulsos, en realidad, hace que el motor marche alimentado por la tensión máxima de la señal durante el tiempo en que esta se encuentra en estado alto, y que pare en los tiempos en que la señal esta en estado bajo.
FRECUENCIA DE LA SEÑAL PORTADORA La frecuencia de la señal portadora no debe ser elegida alegremente, si no que se debe tener en cuenta que la relación de amplitudes entre la señal portadora y la moduladora sean tales, que la relación entre la frecuencia de la portadora y la de señal sea de 10 a 1 como mínimo.
APLICACIONES El abanico de aplicaciones en las que se puede utilizar esta técnica es muy amplio, incluyendo el control de fuentes conmutadas, controles de motores, controles de elementos termoeléctricos, choppers para sensores en ambientes ruidosos y algunas otras aplicaciones, tales como el manejo de servos de modalismo. En la actualidad existen muchos circuitos integrados que integran la función PWM, tales como los microcontroladores PIC que hemos utilizado en otros proyectos. Se distinguen por fabricar este tipo de integrados compañías como Texas Instruments, National Semiconductor, Maxim, y algunas otras más.
PWM utilizado para generar una onda cuasi sinusoidal. En relación a los motores, que es de lo que trata este documento, podemos decir que la modulación por ancho de pulsos es una técnica utilizada para regular la velocidad de giro de los motores eléctricos. Mantiene el par motor constante y no supone un desaprovechamiento de la energía eléctrica. Se utiliza, como su nombre lo indica, al controlar mediante algún circuito de potencia el momento alto (encendido o alimentado) y el momento bajo (apagado o desconectado) del motor. Otros sistemas para regular la velocidad modifican la tensión eléctrica, con lo que disminuye el par motor; o interponen una resistencia eléctrica, con lo que se pierde energía en forma de calor en esta resistencia.
CICLO DE TRABAJO Recibe este nombre la relación de tiempos entre el estado alto y bajo de la señal utilizada. Se expresa como un porcentaje entre el periodo y el ancho del pulso. Cuando el ciclo de trabajo es cercano al 100%, el motor girara a una velocidad cercana a la máxima, ya que la tensión promedio aplicada en sus bornes será casi igual a V. Si el ciclo de trabajo se aproxima a 0%, el motor girara muy despacio, ya que la tensión promedio será casi cero.
PWM utilizado para generar una onda cuasi sinusoidal.
MOTOR DE CORRIENTE DIRECTA Un motor CC está compuesto de un estator y un rotor. En muchos motores c.c., generalmente los más pequeños, el estator está compuesto de imanes para crear un campo magnético. En motores corriente continua más grandes este campo magnético se logra con devanados de excitación de campo. El rotor es el dispositivo que gira en el centro del motor cc y está compuesto de arrollados de cable conductores de corriente continua. Esta corriente continua es suministrada al rotor por medio de las "escobillas" generalmente fabricadas de carbón. Nota: un devanado es un arrollado compuesto de cables conductores que tiene un propósito específico dentro de un motor Principio básico de funcionamiento de un motor cc.
Cuando un conductor por el que fluye una corriente continua es colocado bajo la influencia de un campo magnético, se induce sobre él (el conductor) una fuerza que es perpendicular tanto a las líneas de campo magnético como al sentido del flujo de la corriente. Ver la figura. Ver la Primera ley de la mano derecha - Campo magnético en azul Corriente continúa en rojo
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Dirección de la fuerza en violeta - Imanes: N (norte) y S (sur) Para que se entienda mejor, ver como se tiene que colocar este conductor con respecto al eje de rotación del rotor para que exista movimiento. En este caso la corriente por el conductor fluye introduciéndose en el gráfico. - Par motor en azul - Fuerza en violeta - Conductor con corriente entrante en el gráfico azul y rojo - Imanes: N (norte) y S (sur) Pero en el rotor de un motor cc no hay solamente un conductor sino muchos. Si se incluye otro conductor exactamente al otro lado del rotor y con la corriente fluyendo en el mismo sentido, el motor no girará pues las dos fuerzas ejercidas para el giro del motor se cancelan.
- Par motor en azul - Fuerza en violeta - Conductor con corriente entrante en el gráfico azul y rojo - Imanes: N (norte) y S (sur)
Es por esta razón que las corrientes que circulan por conductores opuestos deben tener sentidos de circulación opuestos. Si se hace lo anterior el motor girará por la suma de la fuerza ejercida en los dos conductores. Para controlar el sentido del flujo de la corriente en los conductores se usa un conmutador que realiza la inversión del sentido de la corriente cuando el conductor pasa por la línea muerta del campo magnético. La fuerza con la que el motor gira (el par motor) es proporcional a la corriente que hay por los conductores. A mayor tensión, mayor corriente y mayor par motor.
CIRCUITO
DESARROLLO DE LA PRÁCTICA. MATERIALES.
1 Motor de corriente Directa. 1 Osciloscopio Digital Instek 1062 1Circuito Modulador por Ancho de Pulso Basado en el NE555 1Fuente de poder regulable
PROCEDIMIENTO.
Primero que nada a continuación presentamos las características técnicas del osciloscopio que utilizamos en esta practica.
VERTICAL Channels 2 Bandwidth DC ~ 60MHz (-3dB) Rise Time <5.8ns Approx. Sensitivity 2mV/div ~ 5V/div (1-2-5 increments) Accuracy ±(3% x |Readout|+0.1 div + 1mV) Input Coupling AC, DC & Ground Input Impedance 1M±2%, ~16pF Polarity Normal & Invert Maximum Input 300V (DC+AC peak), CATII Waveform Signal Process + , - , FFT Offset Range 2mV/div ~ 50mV/div : ±0.4V 100mV/div ~ 500mV/div : ±4V 1V/div ~ 5V/div : ±40V Bandwidth Limit 20MHz (-3dB)
HORIZONTAL Range 1ns/div ~ 10s/div (1-2-5 increments); ROLL : 250ms/div ~ 10s/div Modes Main, Window, Window Zoom, Roll, X-Y Accuracy ±0.01% Pre-Trigger 10 div maximum Post-Trigger 1000 div
X-Y MODE X-Axis Input Channel 1 Y-Axis Input Channel 2 Phase Shift ±3° at 100kHz DISPLAY TFT LCD Type 5.6 inch Display Resolution 234 (Vertically) x 320 (Horizontally)
Dots Display Graticule 8 x 10 divisions Display Brightness Adjustable.
Ahora presentamos el esquemático del circuito utilizado que corresponde a un Modulador por Ancho de Pulso o PWM.
El circuito es muy sencillo. Actuando sobre VR1 se modifica la tensión presente en el pin 2, cambiando el tiempo de disparo. El diodo D3 sirve para evitar que la corriente generada por el motor cuando esta girando pero no alimentado destruya el transistor. Este montaje sirve perfectamente para pequeños motores de corriente continua, de entre 6V y 12V, con un consumo no mayor a los 300mA o 350 mA. A continuación una imagen de la tarjeta de circuito ya terminada y que utilizamos para la practica.
Básicamente este circuito es un oscilador atable, esto quiere decir que por el pin 3 del NE555 nos genera una señal cuadrada de la misma amplitud que la alimentación. En este circuito nosotros modulamos el tiempo de duración de los semiciclos positivos y negativos, variando el valor de VR1 en este caso conectado al pin 2 del NE555. Al variar la duración del semiciclo positivo dentro del periodo T controlamos la velocidad del motor, mientras más tiempo dure el semiciclo positivo mas rápido ira el motor y mientras mas corto el semiciclo positivo mas lento ira el motor. A continuación una simulación del circuito en cuestión que también muestra las señal medida a la salida conforme variamos el valor de VR1:
La anterior es una foto del circuito esquemático hecha en el software para diseño y simulación Proteus, este circuito esta listo para simularse a continuación unas imágenes.
La imagen anterior nos muestra en color azul la señal de salida del PWM para un 59% del valor de VR1 que tiene un valor total de 500k igual que el circuito real. Abajo se muestra otra imagen de la simulación, pero esta vez hemos variado el valor de VR1 al 100% por lo tanto la duración del semiciclo positivo es lo mas corta posible y por ende el motor está prácticamente detenido.
Ahora variamos en la simulación el valor de VR1 al mínimo, como se puede observar en la grafica la salida por el pin 3 del NE555 el semiciclo negativo esta en la menor duración posible, en estas condiciones en que el semiciclo positivo tiene la mayor duración dentro del periodo T el moto consigue su máxima velocidad.
Posterior a la simulación de nuestro circuito procedimos a probar el circuito real para lo cual lo alimentamos con 5V procedentes de una fuente regulable, y procedemos a conectar el osciloscopio a la salida del circuito que en este caso seria el pin 3 del NE555.
Imagen del circuito impreso real.
Motor de corriente directa 6-12V
Señal producida en la salida de nuestro oscilador Astable
Ahora ajustamos el valor de VR1 a su máximo con lo que el ciclo de trabajo será el menor posible, y esta es la señal que obtuvimos y el % del ciclo de trabajo correspondiente con respecto al periodo.
Señal de salida para el valor máximo de VR1.
Ciclo de trabajo correspondiente para la señal anterior.
Por ultimo ajustamos el valor de VR1 al su minimo valor con lo que el ciclo de trabajo alcanza la duración máxima dentro del periodo T y el motor está a su máxima velocidad.
Señal generada por el oscilador astable para VR1=0
Valor máximo del ciclo de trabajo para VR1=100%
A continuación una tabla con algunas mediciones de los parámetros del motor: RESISTENCIA DEL MOTOR CORRIENTE A PLENA CARGA (5v-12v) CORRIENTE SIN CARGA
11.05Ω
250mA 90.6mA
Conclusión (por Iván Aguilera Rodríguez): Si hizo una práctica para ver el comportamiento y funcionamiento de un PWM que también nos sirve como experiencia al toparnos con alguna maquinaria que requiera ser manipulada. También aprendemos de los errores que cometamos para no hacerlos al aplicar el circuito en el trabajo. Siempre es mejor aplicar también la teoría para poder saber lo que ocurre con el circuito en funcionamiento. Al haber terminado la práctica adquirimos conocimientos que quizá con la teoría no era suficiente como para saber. Por tales razones pienso que esta práctica fue de gran importancia.
Conclusión: Enrique Barajas Ortiz En esta práctica se observa una de las muchas aplicaciones que tiene el 555. Que consiste en la modulación por ancho de pulsos (PWM) es una técnica de modulación en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica. Bueno esto es precisamente lo que se implemento en esta práctica ya que con un motor de corriente directa de 5v se hiso que trabajara a diferentes velocidades, la variación de velocidad se hacía con una potenciómetro de 500K. Bueno eso fue el objetivo de esta práctica la variación de la velocidad de un motor de corriente directa.
CONCLUSION. Concluimos que podemos controlar la velocidad de un motor de corriente directa manipulando el tiempo de duración del ciclo de trabajo de la señal de control dentro del periodo T correspondiente a esta señal. Por tanto a mayor duración del ciclo de trabajo mas velocidad ganará el mientras menos tiempo dure el ciclo de trabajo menor será la velocidad del motor.
