CRCUO CHOPPER EN PUENE ACCONANDO UN MOOR DE CORRENE CONNUA LAZO ABERO Referencia: práctica nº5 del manual de prácticas de Alecop Aplicaciones de los transistores de potencia. P200. 1 OBJEO. Estudiado en cursos anteriores el funcionamiento del circuito chopper en puente, en este momento se aplicará el circuito al accionamiento de un motor de corriente continua. En esta práctica se accionará el motor en lazo abierto, variando velocidad, cambiando el sentido de giro y frenado. NO será un accionamiento regulado, que será objeto de prácticas posteriores. 2 NRODUCCÓN. 2.1 El motor de corriente continua. Es una máquina que, con gran diferencia sobre las demás (máquina síncrona y asíncrona), permite variar la velocidad en un amplio margen mediante procedimientos relativamente sencillos. Por este motivo, pese a sus inconvenientes (coste, mantenimiento, necesidad de fuente de continua) sigue utilizándose en accionamientos eléctricos de velocidad variable. Los motores de corriente continua industriales son de excitación independiente. El circuito equivalente de la máquina de cc se muestra en la figura, siendo las ecuaciones básicas de funcionamiento: M Φ E Φ E = k m Φ = k m Φ = E Φ k m es el flujo por polo (Wb) es la corriente de inducido (A) es la tensión en bornes del motor () es la resistencia del inducido (W) es la velocidad de giro (rad/s) es el par desarrollado por el motor (Nm) es una constante que depende de la máquina Motor de Corriente Continua Página 1 de 12
De las ecuaciones anteriores se deduce: = k Φ 2 m ( km Φ) En el caso de una máquina con excitación independiente, el Φ no depende del régimen de funcionamiento, por lo que podemos suponer constante k m Φ = k. = k k 2 eniendo esto en cuenta, podemos concluir que la característica velocidadpar de una máquina de corriente continua con excitación independiente será una recta como la que se muestra en la figura. La velocidad 0 en vacío vendrá determinada por la tensión en vacío y el Φ, descendiendo la velocidad cuando la carga aumenta. (rad/s) 0 (Nm) 2.1.1 Operación en cuatro cuadrantes del motor de cc de excitación independiente. En muchas ocasiones es necesario un accionamiento variable con posibilidad de dos sentidos de giro y con posibilidad de frenar, devolviendo energía mecánica a la fuente de energía eléctrica. La siguiente figura muestra las posibilidades de una fuente de tensión, fuerzas electromotrices E y las corrientes en el inducido que existen en la máquina de cc para obtener las diferentes operaciones en cuatro cuadrantes. Motor de Corriente Continua Página 2 de 12
E Rr E FRENADO RACCÓN E E Rr RACCÓN FRENADO Las variables, E e son tomadas positivas para la máquina traccionando en sentido directo (cuadrante 1). El par y la velocidad serán positivos en este cuadrante. E > 0 E < 0 > 0 < 0 La máquina gira en sentido directo. La máquina gira en sentido inverso. La máquina realiza par en sentido directo. La máquina realiza par en sentido inverso. Cuando se opera en el cuadrante 2, la máquina estará frenando con giro en sentido directo. La fuerza electromotriz E es positiva porque el motor sigue girando en sentido directo, pero la tensión en bornes es inferior a E. E = < 0 La corriente será entregada por la máquina a la fuente. Se invierte el sentido del par respecto al cuadrante 1, siendo par y velocidad contrarios, la máquina frena. Cuando la máquina gira en sentido inverso y la tensión es negativa, siendo // > /E/, la corriente será negativa y, por tanto, la máquina estará traccionando, girando en sentido inverso. Cuadrante 3. Cuando se opera en el cuadrante 4, la máquina estará frenando con giro en sentido inverso. La fuerza electromotriz E es negativa, y // < /E/ Motor de Corriente Continua Página 3 de 12
Cuadrantes de operación racción en sentido directo Cuadrante 1 Frenado en sentido directo Cuadrante 2 racción en sentido inverso Cuadrante 3 Frenado en sentido inverso Cuadrante 4 Polarización de la fuente de tensión Directa Positiva Directa Negativa nversa Negativa nversa Positiva Dirección de la corriente 2.2 Chopper en puente accionando un motor cc en cuatro cuadrantes. En cursos anteriores se ha descrito el funcionamiento de esta configuración de chopper con una carga pasiva. Se estudió como es posible obtener tensiones y corrientes bidireccionales, variando la relación α ( on /). Se alimenta en cada periodo las bases de 1 y 4 durante un tiempo α, y las bases de 2 y 3 durante el resto del periodo (1α). La tensión viene determinada por el control de transistores α, de tal manera que: ( 2 1) = α La corriente vendrá determinada por la demanda de carga. El motor absorberá la corriente necesaria para vencer el par resistente. Así pues, el valor medio de corriente del motor dependerá de la necesidad de par: E() = El rizado de la corriente vendrá determinado por la inductancia del motor. Motor de Corriente Continua Página 4 de 12
2.2.1 racción en sentido directo. Cuadrante 1. La tensión y la corriente correspondiente a este modo de funcionamiento se muestra en la siguiente figura. Para trabajar en este cuadrante se emplea α > 0.5, de manera que es > 0. Se excita 1 y 4 durante un tiempo α, que conducirán una corriente exponencial creciente que busca el valor ( E) / con una constante de tiempo L/. Se excita 2 y 3 durante un tiempo (1α), y bloquean 1 y 4. La carga inductiva determina la conducción por los diodos volantes D 2 y D 3 de los transistores excitados. Una corriente exponencial decreciente que busca el valor E / con una constante de tiempo L/. ( ) ransistores excitados 1 2 1 2 1 2 4 3 4 3 4 3 med s 1 med 4 1 4 2 3 s D3 D2 D3 D1 D4 D2 S Motor de Corriente Continua Página 5 de 12
2.2.2 racción en sentido inverso. Cuadrante 3. La tensión y la corriente correspondiente a este modo de funcionamiento se muestra en la siguiente figura. Para trabajar en este cuadrante se emplea α < 0.5, de manera que es < 0. La situación es similar a la anterior pero en sentido inverso. ransistores excitados 1 2 1 2 1 2 4 3 4 3 4 3 E med s E 3 med 2 1 4 2 3 s D1 D1 D4 D2 D3 D4 i Motor de Corriente Continua Página 6 de 12
2.2.3 Frenado en sentido directo. Cuadrante 2. La tensión y la corriente correspondiente a este modo de funcionamiento se muestra en la siguiente figura. Para trabajar en este cuadrante se emplea α > 0.5, de manera que es > 0. Pero se reduce ligeramente α, de forma que E sea mayor que. Al cambiar el sentido de la corriente respecto del cuadrante 1, la corriente circulara por los transistores 2 y 3 durante un tiempo, y por los diodos volantes D 1 y D 4 el resto del tiempo. ransistores excitados 1 2 1 2 1 2 4 3 4 3 4 3 med s 3 med 2 1 4 2 3 s D1 D1 D4 D2 D3 D S Motor de Corriente Continua Página 7 de 12
2.2.4 Frenado en sentido inverso. Cuadrante 4. La tensión y la corriente correspondiente a este modo de funcionamiento se muestra en la siguiente figura. Para trabajar en este cuadrante se emplea α < 0.5, de manera que es < 0. La situación es similar a la anterior pero en sentido inverso. ransistores excitados 1 2 1 2 1 2 4 3 4 3 4 3 med s 1 med 4 1 4 2 3 s D3 D2 D3 D1 D4 D2 S Motor de Corriente Continua Página 8 de 12
3 REALZACÓN. 3.1 Material. Módulo SNG 200 Generador de señales de consigna. Nos proporcionará una señal de consigna que determinará el valor de α. 2 módulos RAMA 200 Cada uno de ellos tiene dos transistores de potencia con sus correspondientes circuitos de excitación y sus diodos flotantes. Estos dos módulos nos permitirán configurar el chopper en puente. Módulo AL 200 Módulo AL 700 ransformador RF 200 Módulo PWM 200 Una módulo rectificador que nos proporcionará la tensión continua. Una fuente de ±15 que alimenta los bastidores de Alecop. Alimentará a los módulos que conforman el circuito de control. Módulo transformador de aislamiento. Alimenta a la fuente de potencia AL200 consiguiendo un aislamiento galvánico entre la tensión de red y la del circuito de potencia. Este módulo es un generador de señales. Nos proporcionará una señal de control cuadrada para la excitación de los transistores. Podremos modificar el periodo de la señal, y podremos modificar la relación α en función de la consigna dada por el módulo SNG 200. Módulo SEGURDAD 200 Este módulo se encarga de adaptar y proteger las señales que entrarán en los módulos de potencia. Módulo MEDDAS Dinamo tacométrica Cargas P 200 Este módulo nos permitirá adaptar las señales para realizar registros de corriente con el osciloscopio. Nos permitirá realizar una medida de la velocidad de giro del motor. Este módulo nos permitirá añadir una carga en serie con el motor para limitar los valores de corriente. 2 motores AL 1006 Uno de los motores será el que utilicemos para el estudio, el otro lo utilizaremos como carga mecánica, frenando o arrastrando al motor que estudiamos. Motor de Corriente Continua Página 9 de 12
10 10 10 Control de Máquinas Eléctricas 3.1.1 Circuito de control. AL 700 SNG 200 PWM 200 SEGURDAD 200 15 15 0 CE CR 40 30 20 10 2 1 3 50 Sen( α) Sen( α120) Sen( α240) 60 0 F 100 4 0 5 6 10 70 7 80 90 8 9 OSCLADOR GENERAOR CONROL RFASCO RPHASC CONROL 10 16xF Sen( α) Sen( α120) Sen( α240) 12 34 F1 F2 F3 M max. 335 327 343 318 352 310 360 max. DESBLOQUEO RESE F1 F2 56 M ref. /S RESE CONROL MONOFASCO MONOPHASC CONROL RAMA 200 F3 OFF 0 CM Sen( α) 12 >1 xxx 50/60Hz 1A ON 10 10 ref. 1 34 0 0 0 0 RAMA200 ALARMA AL200 M Realizar el montaje indicado en la figura para obtener las señales necesarias de control del chopper. Conectar la fuente de alimentación de control ±15. Situar una tensión de referencia del módulo de consignas SNG 200 en un valor de 5. Registrar con el osciloscopio las señales del módulo PWM 200 (la señal triangular, la señal de consigna, y las salidas 12 y 34). Calcular el valor del coeficiente α = on /. Motor de Corriente Continua Página 10 de 12
Ø12.5 Ø12.5 Ø12.5 Ø12.5 Ø2.7 Ø2.7 Ø2.7 Ø2.7 Ø2.7 Ø2.7 Ø2.7 Control de Máquinas Eléctricas 3.1.2 Circuito de Potencia. AL MÓDULO SEG200 RAMA 200 RAMA 200 AL 200 RF 200 310 M L1 F 12 3 AL ARM A F 12 3 ALARM A 230 230 ALARM UW ALARM UW N PE ON OFF 230 230 23 0 230 50/60 Hz 600 max max MEDDA 0.1/ 0. 01/ 10/ A 1/A 0. 5/ A M A CARGA P200 72 200W 72 200W 72 200W 72 200W 0 100 /1000W Realizar el montaje indicado en la figura mediante los módulos RAMA 200, AL 200 y RF 200. Utilizar los puentes de seguridad para unir los puntos positivo y negativo, y para los bornes de la red de alterna. Conectar como carga del chopper un motor de corriente continua AL1006, una inductancia de 30mH y el reostato de 100W a la máxima resistencia (del módulo P 200). El reostato protegerá al motor de una variación brusca de la tensión en bornes en el mismo, que provocaría una sobrecorriente. En esta práctica, al variar la consigna se debe mantener el reostato con resistencia. Conectar las señales del circuito de control al circuito de potencia (salidas del módulo de SEGURDAD 200 CR y CS a los módulos RAMA 200 12 y 34). 3.1.3 Puesta en marcha. Generar señal de control con una frecuencia de 1kHz y un α=0,5. Conectar a la red el módulo AL 200 y observar que los indicadores 220 están encendidos. Conectar la fuente de 310, y variar α hasta obtener 0,75. Eliminar progresivamente la resistencia del reostato hasta anularla. Motor de Corriente Continua Página 11 de 12
Medir la tensión y la corriente media del motor mediante el polímetro. Medir la velocidad. Observar con el osciloscopio, mediante uno de los captadores del módulo RECF 200, la tensión y la corriente de carga, y medir el rizado de la corriente (desconectar previamente la fuente 310). Observar con el osciloscopio, mediante uno de los captadores del módulo RECF 200, la corriente que circula por los puentes de seguridad (desconectar previamente la fuente 310). Comprobar que se obtiene la corriente entregada por la fuente, la corriente por los transistores y la corriente por los diodos. Colocar el reostato a su máxima resistencia y variar el valor de α a 0,25. Eliminar progresivamente la resistencia del reostato. Repetir los registros y medidas de tensión y corriente de carga, y las corrientes de la fuente, de los transistores y los diodos. 3.1.4 Carga mecánica del motor. En las condiciones del último apartado (α=0,25) cargamos mecánicamente el motor acoplando sobre el mismo eje otro motor de corriente continua que hará de generador, alimentando una carga de 72. A G C D Resistencias de 72W del módulo de cargas P 200 B Medir los nuevos valores de tensión, corriente y velocidad. Comparar los resultados con los del apartado anterior y justifica la diferencia. Modificar la relación α ligeramente hasta conseguir recuperar la velocidad del apartado anterior (se debe modificar α muy suavemente ya que el reostato está a cero, por lo que hay riesgo de sobrecorrientes). 3.1.5 nfluencia de la frecuencia y la carga mecánica sobre la tensión y corriente de carga. Realizaremos las siguientes medidas para tres casos: Gráfica de tensión en la carga. ensión media en la carga. Gráfica de corriente en la carga. Corriente media en la carga. zado de la corriente en la carga. Caso A: frecuencia 1kHz, α=0.8, resistencia generador 72W. Caso B: frecuencia 1kHz, α =0.8, resistencia generador 172W. Caso C: frecuencia 500Hz, α =0.8, resistencia generador 172W. Motor de Corriente Continua Página 12 de 12