MODULO Nº13 PROPULSORES DE CC UNIDAD: CONVERTIDORES CC - CC TEMAS: Propulsores de CC. Conceptos Básicos de los Motores CC. Técnica PWM. Propulsores Pulsantes. OBJETIVOS: Explicar las características principales de un motor CC. Comprender la finalidad de la modulación PWM. Entender el funcionamiento del los propulsores pulsantes. 1. Propulsores de CC: DESARROLLO DE TEMAS Propulsor de CC, es el término utilizado en la industria, para describir a un circuito capaz de proveer un voltaje variable de corriente continúa, que finalmente es utilizado para controlar la velocidad de motores CC. Para lograr este propósito se puede utilizar un Convertidor CA CC Controlado o un Convertidor CC CC. El primer tipo de propulsor CC, es simplemente un rectificador controlado ya sea monofásico o trifásico, como los que ya se han analizado, en los cuales el valor medio o valor de continua de la señal de salida, depende del ángulo de disparo de los SCR. El segundo tipo de propulsor CC, utiliza técnicas de conmutación de transistores mediante modulación PWM para variar el voltaje medio de la señal de salida. Es precisamente este tipo de propulsor, el que se analizará a lo largo de este módulo. A continuación se muestra un diagrama de bloques de este circuito (el símbolo de MOSFET puede ser reemplazado por otro elemento, se usa debido a su popularidad en estas aplicaciones): En principio, este circuito transforma la corriente continua entregada por el rectificador fijo, a otro valor de corriente continua según lo requiera el motor, es por esto que a este circuito se lo denomina Convertidor CC CC. En el ámbito industrial es más común usar el término Propulsor Pulsante, la razón de esto se debe a que funciona mediante el encendido y apagado de transistores a alta velocidad. Antes de proceder con el estudio del propulsor es importante recordar algunas de las características de los motores de continua.
2. Conceptos Básicos de los Motores CC: Existe una gran variedad de motores CC, cada uno con sus respectivas ventajas y desventajas, no obstante limitaremos nuestro estudio a los motores CC con excitación independiente, cuya representación eléctrica se puede apreciar en la siguiente figura: Donde: Rotor: Es la parte móvil del motor y corta las líneas de flujo magnético. Estator: Es la parte fija del motor que genera el flujo magnético. Va, Ra, Ia: Representa respectivamente, el voltaje, la resistencia y la intensidad del rotor. Vf, Rf, If: Representa respectivamente, el voltaje, la resistencia y la intensidad del estator. E: Fuerza contra electromotriz producida por el rotor. En forma aproximada, la velocidad de giro del rotor se puede deducir de las siguientes expresiones: ω K * Va_medio / Vf_medio La constante K resume todos aquellos factores que no pueden ser modificados, tales como resistencias, número de espiras, número de polos, longitud de los polos, permeabilidad del material magnético utilizado para el estator y rotor, etc. De lo anterior, se puede comprobar que la velocidad de un motor, básicamente, puede ser controlada al variar los voltajes del estator y/o del rotor. En el caso de variar el voltaje del rotor (Va) se obtiene una relación directamente proporcional, por otra parte al variar el voltaje del estator se obtiene una relación inversamente proporcional. Un detalle adicional del Motor CC, tiene que ver con el control de la dirección de giro del rotor. En este caso debido a que la rotación es el resultado de la interacción del campo magnético continuo producido por el rotor y el estator, se requiere invertir la dirección de uno de ellos para cambiar el sentido de giro. Si se cambia el sentido de ambos campos, el resultado será la misma dirección de giro. 3. Técnica PWM: La Modulación por Ancho de Pulso o PWM por sus siglas en inglés (Pulse Width Modulation), es una técnica ampliamente utilizada en circuitos electrónicos de potencias, y consiste en regular la relación entre el Tiempo de Encendido (t_on) y el Periodo (T), o también conocido como el Ciclo Útil (Duty Cycle) de una onda cuadrada sin alterar su frecuencia. Esto se aprecia mejor en la siguiente figura donde se muestran varias ondas cuadradas con diferente ciclo útil:
MOTOR ENCENDIDO (DUTY CYCLE = CICLO ÚTIL) DUTY CYCLE 20 % Vp Vm DUTY CYCLE 40 % DUTY CYCLE 60 % DUTY CYCLE 80 % PERIODO Observe que el voltaje medio sube a medida que el tiempo de encendido de la onda se acerca al valor del periodo de la misma. En forma matemática el voltaje medio se puede expresar como: Vm = Vp * t_on / T Duty Cycle = 100 * t_on / T La forma en como se ajuste el tiempo de encendido se puede lograr de varias maneras, no obstante es común el uso de algún tipo de señal rampa, como una onda triangular o diente de sierra, la cual es comparada con una señal de continua de referencia. A continuación se muestran ejemplos de estas señales cuando son comparadas con una referencia: En sistemas industriales es más común el uso de señales triangulares, debido a la simetría en la variación del pulso, lo cual es un factor crítico en sistemas como los convertidores CC CA (ver módulo 14).
4. Propulsores Pulsantes: Como ya se había mencionado, para variar la velocidad de giro de un motor CC se debe variar el voltaje del rotor y/o del estator. En la práctica la manera más sencilla de lograr esto es mediante del uso de elementos lineales (no conmutados) tales como potenciómetros o auto-transformadores, tal como se muestra en la siguiente figura: VCC MOT M Lamentablemente esta forma de regular la velocidad tiene una seria desventaja, desperdicia potencia en forma de calor sobre el elemento regulador. En el caso del anterior, el voltaje que no se aplica al motor se queda sobre el potenciómetro produciendo calor. Gracias a la electrónica de potencia y a la técnica PWM se puede reemplazar los reguladores lineales por los reguladores conmutados tal como el siguiente esquema: Este sistema recibe el nombre de Propulsor Pulsante Simple, el cual recibe una señal PWM en su ingreso, de esta manera el motor no opera con el voltaje pico VDD, sino con el voltaje medio producto del ciclo útil de la técnica PWM. Es necesario recalcar que la señal PWM debe ser de alta frecuencia (entre 1KHz a 100KHz), caso contrario el funcionamiento del motor sería intermitente, es decir, giraría a la máxima velocidad por un tiempo y luego se detendría por completo. La ventaja de este método es que el dispositivo de control, en este caso un transistor, solo trabaja en conmutación por lo que la potencia que disipa es muy cercana a cero, es decir, no existen pérdida de potencia como en el anterior método. Por otro lado la desventaja del circuito es obvia, mayor complejidad de diseño. Un esquema más útil de control, recibe el nombre de Propulsor Pulsante en Puente, el cual se muestra en la página siguiente. Con este esquema no solo se puede controlar la velocidad de giro sino también la dirección del mismo. Esto es posible gracias a la combinación en parejas diagonales de transistores. Normalmente, la señal PWM solo es enviada a los transistores inferiores, mientras que los superiores solo trabajan como interruptores cerrados durante el tiempo que se desee una cierta dirección de giro, tal como se aprecia en las señales de control mostradas:
EJERCICIOS 1. Se tiene un motor de CC de excitación independiente con constante K = 1250rad/seg, al cual se le ha aplicado un voltaje de Va = 20V y un voltaje Vf = 15V. Calcular la velocidad de rotación del eje en rad/seg. 2. Se tiene un motor de CC de excitación independiente con constante K = 2500rad/seg, al cual se le ha aplicado un voltaje de Vf = 120V y se encuentra girando a una velocidad ω = 1100rad/seg. Calcular el voltaje aplicado al rotor. 3. Se tiene un motor de CC de excitación independiente al cual se le conectado un tacómetro. Cuando se aplica un voltaje Va = 120V y un voltaje Vf = 60V, el motor gira a 1530rpm. Calcular la constante K del motor en rad/seg. 4. Para un propulsor pulsante simple que comanda a un motor CC de 12V/0.4A, se tienen los siguientes datos: f = 15KHz, Vp = 15V y DutyCycle = 40%. Calcular el voltaje medio sobre el motor y la corriente que circula sobre este. 5. Para un propulsor pulsante en puente que comanda a un motor CC de 220V/5A, se tienen los siguientes datos: f = 4KHz, Vp = 280V. Si la corriente que atraviesa el motor es de 3.8A. Calcule el ciclo útil del propulsor y el valor del intervalo de tiempo de encendido (ton).