Informe 2 Lab

PRACTICA II CONTROL DE VELOCIDAD DE MOTORES DC Elkin Esteban Hernandez Fajardo, Eyiber Steven Hernandez Torres, Juan David Carrillo Suarez Universidad de Cundinamarca

INTRODUCCIÓN Entre la gran variedad de motores que pueden encontrarse se tienen los motores DC, uno de los más usados por su facilidad de control y construcción. Este control se enfoca principalmente en el control de la velocidad o par según las variaciones de la carga del motor y se consigue mediante la variación del voltaje de Armadura (Ea). Existen distintos métodos y dispositivos para realizar este control, uno de los más usados es haciendo uso de rectificadores controlados. Alimentando el circuito con una fuente de tensión AC y haciendo uso de tiristores resulta un voltaje con un valor promedio (Vdc) en la salida (Vo). Estos tiristores se controlan mediante un pulso de activación en la compuerta que corresponde al ángulo de disparo(α). Dependiendo del ángulo de disparo(α) se produce una variación en el voltaje de salida promedio (Vdc). De esta manera, conectando el voltaje de salida del rectificador al motor DC se produce variación en el voltaje de armadura y se modifica la velocidad del motor. Estos rectificadores controlados son bastante utilizados en aplicaciones industriales donde se requieren bajos, medios y altos niveles de potencia, son sencillos, económicos y además presentan una eficiencia superior al 95%. I.

PROCEDIMIENTO

Para la ejecución de la práctica se hizo uso del software de simulación LTspice, un programa de alto rendimiento, con captura esquemática, medición de variables en el circuito y visor de onda. Posee una amplia gama de modelos de dispositivos electrónicos analógicos y permite la creación de nuevos modelos dependiendo de sus características de funcionamiento y símbolos esquemáticos. [1] Inicialmente se procede con el montaje del circuito de activación de los tiristores. Este circuito consta de una fuente de tensión senoidal de 12 Voltios a 60Hz, fuentes DC, puente de diodos, resistencias, transistores, capacitores, amplificadores operacionales y opto-TRIACS. La salida de este circuito llamada “PWM” son pulsos de voltaje a una frecuencia de 120Hz. La resistencia variable es la que permite la variación del ángulo de disparo (α). Los valores de cada uno de estos componentes fueron tomados de [2]. En la ilustración 1 se observa el circuito implementado.

Ilustración 1 Circuito generador de pulsos para controlar Tiristores (SCR)

Después de esto se procede a realizar la implementación del modelo del motor DC en LTspice. Este circuito que representa el funcionamiento de un Motor DC es extraído de [3] . Seguido de esto se procede a caracterizar este modelo haciendo uso del modelo del motor proporcionado en la guía de laboratorio de referencia MOOG serie C42-L90-W30 [4]. En la tabla 1 se observan los datos que fueron extraídos para realizar esta caracterización. Tabla 1 Datos necesarios suministrados por el fabricante del motor DC MOOG serie C42-L90-W30 para la representación de un motor DC en LTspice

Descripción Resistencia del motor Inductancia del motor Inercia del rotor Back EMF (K_EMF) Sensibilidad al par (Torque) Fricción de torque Velocidad nominal u= Friccion_Torque/ Vel. Nominal

Valor 1,45 0,0054 0.00218907 0,573 0,5791 0,017335 159

Unidades m2·kg·s-3·A-2 m2·kg·s-2·A-2 m2·kg volts/rad/seg Nm/Amp Kg·f·m rad/seg

0,00010903

Kg·f·m·/rad/seg

Después de haber realizado este proceso, se procede a introducir los datos en el modelo spice del motor DC. En la ilustración 2 se observa el circuito final del modelo del motor DC.

Ilustración 2 Modelo spice equivalente al funcionamiento de un motor DC

Se procede a implementar el Rectificador monofásico semicontrolado con diodo de libre paso propuesto en la guía de laboratorio. En la tabla 2 se observan los parámetros iniciales del circuito en el que estará dispuesto el rectificador semicontrolado. Tabla 2 Parámetros iniciales para el análisis del funcionamiento del rectificador semicontrolado

Parámetro 𝒗(𝒕) Resistencia del motor Inductancia del motor

Valor 120√2 ∗ 𝑠𝑒𝑛(2𝜋60𝑡) 1.45Ω 5.4mH

Con base en los datos anteriores se realizan los respectivos cálculos para determinar las tensiones y corrientes máximas en el circuito. En base a estos valores se determinan las referencias y valores de los tiristores, diodos y resistencias. Se hace uso de diodos en el circuito de activación de la corriente en compuerta para bloquear la activación del tiristor en la parte negativa o positiva de la señal dependiendo del caso. En la ilustración 3 se observa el circuito implementado para este proceso.

Ilustración 3 Circuito Rectificador Monofásico semicontrolado con diodo de libre paso

Finalmente se tiene el circuito completo que representa el control de velocidad de un motor DC. Ya que el motor está funcionando sin torque se adiciona un Voltaje en la carga que representa un torque en el motor y una inductancia adicional para suavizar la corriente a través del motor y de esa forma modelar el circuito de manera correcta. En la ilustración 4 se observa el circuito final a simular.

Ilustración 4 Modelo de control de velocidad de un motor DC haciendo uso de un rectificador semicontrolado

II.

RESULTADOS

En las ilustraciones 6,7,8 y 9 se visualiza el voltaje de salida del rectificador semicontrolado a diferentes ángulos de activación y la velocidad del motor en RPM. Se determina que existe una relación directamente proporcional entre el voltaje de alimentación promedio y la velocidad del motor. Además, se observa que a medida que disminuye el voltaje de alimentación del motor se produce una oscilación mayor en la velocidad del motor. α =30

Ilustración 5 la salida Vo es la señal verde, la señal roja corresponde a la velocidad del motor en RPM

α =60

Ilustración 6 la salida Vo es la señal verde, la señal roja es la velocidad del motor en RPM

α =120

Ilustración 7 la salida Vo es la señal verde, la señal roja es la velocidad del motor en RPM

α =150

Ilustración 8 la salida Vo es la señal verde, la señal roja es la velocidad del motor en RPM

En la ilustración 10 se observa la gráfica velocidad del motor (RPM) y de torque en el motor. Se observa claramente que cuando se requiere de un cambio en la velocidad del motor, se requiere mayor o menor torque dependiendo del caso, reflejándose una relación inversamente proporcional: A mayor velocidad, menor torque, y a mayor torque menor velocidad.

Ilustración 9 Graficas de Velocidad en RPM y torque en el motor DC

En la ilustración 10 se observa la gráfica de Torque Vs Velocidad en RPM corroborando lo dicho anteriormente. Cuando se alcanza la velocidad máxima el torque disminuye considerablemente y así mismo ocurre en el otro extremo de la gráfica.

Ilustración 10 Torque Vs Velocidad en RPM

En la ilustración 11 se observa la influencia del torque con respecto al voltaje de salida. Cuando la carga presenta un torque elevado se requiere mayor voltaje. Esto demuestra que se tiene una relación directamente proporcional entre estos el voltaje Vo y el Torque del motor.

Ilustración 11 Grafica de voltaje de salida (Vo) Vs Torque

III.

CONCLUSIONES

•

El control de velocidad de motores DC con rectificadores semicontrolado permite la variación del Voltaje DC de alimentación del motor proporcionándole características de torque, velocidad y corrientes máximas que varían de acuerdo con el valor de voltaje promedio dado anteriormente.

•

Es importante el uso de un circuito de arranque que le suministre corriente adicional al circuito, debido a que se requiere una gran cantidad de corriente en el régimen transitorio del motor DC.

•

El uso de una carga en el motor que le proporcione Torque adicional al circuito es un factor determinante en las pruebas de funcionamiento de motores DC ya que si no se agrega pueden suceder algunas inconsistencias que dificulten su análisis. REFERENCIAS

[1] A. Devices, «LTspice,» [En línea]. Available: https://www.analog.com/en/designcenter/design-tools-and-calculators/ltspice-simulator.html. [Último acceso: 27 octubre 2020]. [2] A. F. G. Guerrero, «Introduccion a aplicaciones de electronica de potencia,» Fusagasuga, 2020.

[3] P. Microdrives, «AB-025: Using SPICE To Model DC Motors,» [En línea]. Available: https://www.precisionmicrodrives.com/content/ab-025-using-spice-to-model-dc-motors/. [Último acceso: 27 octubre 2020]. [4] P. M. D. B. M. T. D. Sheet. [En línea]. Available: https://www.moog.com/content/dam/moog/literature/MCG/moc23series.pdf. [Último acceso: 28 octubre 2020].