T802.pdf

CONTROL DE VELOGIDÁD-DE UN MOTOR SERIE
CON CIRCUITO" ÍROCEADOR
Tesis previa a la obtención
del Título de Ingeniero Eléc-'trico ""en"la especialización
__á_e. Elec.trónica y Telecomunica
"ciones en la Escuela Politécnica Nacional •
C.-A. MARCELO .CADENA AGUIRRE
QUITO, MARZO DE 1.979
Certifico que el presente
trabajo ha sido elaborado
en su totalidad por el s_e
ñor C. A^Jfea^xelg Cadena
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Banda
Director de Tesis
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1
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- •-
•
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para la otiimi^ñción .:cfel;:
CONTENIDO
Página
CAPITULO T ' GENERALIDADES
1.1
Introducción
1.2
Fundamentos de los Circuitos
Troceadores
1.2.1
1,2,5
1.3
..„
1
1
Control por Ancho de
Pulso
1.2.2
1
3
Control por Frecuencia
de Pulso ..
4
Control de Tos Puntos
?
Tipos-de Circuitos Trocesdores
6
1.3*1
Circuito Morgón
7
1,3.2
Circuito Jones
8
1.3.3
Circuito Trocador de
Oscilación
10
""~--
1.4' Aplicaciones
CAPITULO II
ANÁLISIS Y. DISIDO
16
2,1
36
••?.?.
Características del Motor
11
Especificaciones y Configuración del Sistema ¿e Control.
?1
2,2.1
Límites de Control
23
? L?.f2
Conf if;uracion
2.2,5
"Diagrama de Bloquea
??
??
2,3
Diseño del Circuito de Potencia
2^4
Diseño del Circuito de Control
y Disparo
2,4.1
•
26
32
Diseño del Circuito de
Sincronismo de Tiempo
(ST)
2.4*2
3?
Diseño del Circuito Ge?\
rador de Base de Tiempo
(3T)
2.4.3
35
Disero del Circuito ñe
Disparo (IG2)
2.4.4
38
Diseño del Circuito Des^
copiador (?)S)
2,4 r 5
,;
¿1
Diseño del Detector -le
Cruce (DC)
^-3
~""2,4.6 -Diseño del Circuito
e
rle
-
...Disparo IÍG!)
2.4*7
Diseño del Oonforn^cor1
de Pul ROS (a?)
2,4-,8
/i;!i
.
Diseño del Hultivibrador
Monoestable (:\\)
2.4.9
?-"'
5^
Diseño del Ci v -cuftc Tr.-;e
" " grador (I?:?)
E6
Pv^.10 Diseño del Amplificador
Diferencial ( AD)
?'9
2.4.11 Puente rie I?.' V Reculada
f>">
2.4.12 Protección de Sobrecnr^p
^4
2.5
Consideraciones para la Construcción y el Montaje-
65
CAPITULO III RESULTADOS EXPERIMENTALES Y CONCLTíSlONES
3.1
70
Mediciones Realizadas en el Si_s
tema
3.1.1
70
Formas de Onda del Circuito de Potencia
5.1.2
Respuesta T/inánioa del
Sistema
BIBLIOGRAFÍA
70
78
3.2
Análisis de los Resultados
Q8
3.3
Conclusiones y Recor.en^^cioner
^9
-
100
" "
CAPITULO I
GENERALIDADES
1* 1
In too d.uc c i o n
La utilización de motores de corriente conti-
nua es muy generalizada debido principalmente a ños r^?._o
nesr el rango de velocidad de trabajo es relativamente
grande y los sistemas de control son más -simples y econoraicos que para los motores" de corriente alterna,,
Con el uso..de elementos semiconductores, "la
técnica de control de motores se ha desarrollado rápidamente j obteniendo sistemas de tamaño reducido, consumo
de potencia bajo, eliminación de partes mecánicas móviles, alta cpnfiabMídad y una vida útil prolongada.
En el presente trabajo se lia implen-entado un
-tipo de sistema cíe control de velocidad para motores de
corriente continua, utilizando en su totalidad dj spositi_
vos .semiconductores discretos *
1*2
Fundamentóos de los Circuitos Troc_eadorest
Un circuito troceador es un convertídor con el
cual se puede obtener, un voltaje continúe variable en la
salida, a--partir de un voltaje continuo fijo*..
El diagrama de la figura 1*1 nos indica el prin_
cipa.o de funcionamiento -del circuito troc-eactor.
- -•*»•
\
i
7f
S
^L
-E
p*Z
1
i^ "
•^C í?
'1.]
K
J
Figura 1,1
La fuente de voltaje continuo de valor Vp, está
conectada a una carga L-R, pox medio del conmutador S.
Durante el tiempo t-^ en que el conmutador S e_s
tá cerrado/ se aplica el-voltaje de la fuente a la carga
y durante el tiempo t Q se abre el circuito.
Consecuente
mente se tendrá en la carga un tren de pulsos cié voltaje,
cuyo valor promedio está dado por,
Vio -.
V mea
'1
, -,
en donde, la relación de trábalo ¿ se define por f
tn
u"l
'T
°9
Como se ve, el voltaje medio de salida del cir
cuito (Vmíaj) puede ser controlado ya sea cambiando el
' 11 tí tJ
;
tiempo de activado (t-^) y manteniendo el período (t-j-v tp
constante; variando el. período í^]^^) y manteniendo
constante el tiempo t-¡ ,- o -variando, los dos parámetros.
— 5 1.2.1
Control por Ancho de Pulso
En este tipo de control, se varía el tiempo de
activado (t-*) y se mantiene constante el período (,ti+t2
= T), o -lo que es lo mismo se "mantiene constante la frecuencia de conmutación (f).
"El control del voltaje medio utilizando frecuen
cia de conmutación constante, presenta.una ventaja partí
cular en la regulación de velocidad de motores, conjunta
mente con un circuito subordinado para control de corrí en
te-
En este caso, la constante .de. tiempo de la carga re
ferida al período es constante, permitifndo que ^1 rizado de la corriente .de carga pueda ser mantenido dentro
f ~i ~\e límites predeterminados * * "
-
El gráfico 1,2 indica la forma de onda de vol-
taje y de corriente._para una .carga inductiva con esto U_
po de control*
\?¿i
Vfi
$
. _..
"Tíi
^ *-
Vu
"
-
"
:• — Vmea
.
t T
1
J-u
-f•
Figura-1 «"2
1,2.2
El Control, por Frecuencia de Pulso
En este tipo de control f 'sé varía el período
(T), manteniéndose constante el tiempo de activarlo (t] ) .
Esta modalidad de control .tiene la ventaja de ser realizada por circuitos, troceadores simples» que usan un sólo
tiristor.
Guando se utiliz-a un circuito de conmutación
en paralelo, la relación de trabajo mínima puede ser man
tenida en valores muy bajos, aún en el caso de - q u e la ce»
rriente .de carga, sea débil.
Otra ventaja es que la pér-
dida. .por .conmutación (proporcional a la. frecuencia)t ocu
rre solamente al valor máximo de la relación de trabajo;
las pérdidas que presenta cuando' está sin :cargs. ¡?on com4 . 4 .
~
U)
parativamente
pequeñas.-
1
El gráfico 1*3 muestra la forma de'onria cíe. voj/
taje y de corriente para una carga 'inductiva, utilizando
esta modalidad de controle
V
VE^
3-
IL.A
—•*
1,2.>
Control de Dos Puntos
'Para este caso, ni el' período (T), -ni el tiem-
po de activado (t-,) permanecen, constantes.
La unidad de
control sensa la corriente de carga y ajusta los instantes de activado y desactivado de tal forma que la corrien
te no se desvíe del valor prefijado en más de una cierta
diferencia predeterminada.
La figura 1.4 muestra el principio de funciona
miento de este tipo de control,
- - -
• ic
. im
LL
1
f
,
í
A
S
Figura 1.4
La unidad de control abre el circuito cuando
la corriente i
excede el valor medio 1
en más de un
-valor -Ai, y conecta el circuito cuando el sensor detecta que la corriente ha "bajado, a un valor IT - ^i* - Mien
tras mayor sea la frecuencia de conmutación, menor será
el límite prescrito de fluctuación de la corriente y menor podrá ser la constante de tiempo de la carga»
Deben
darse como datos el -límite de fluctuación el e la corriente
y la constante de tiempo de la carga.
La frecuencia es
máxima a relaciones de trabajo medias "' según se ilus- .
tra en la figura 1 * 5 »
H'igura 1,5
En la práctica, el -trabajo realizado por el
conmutador'mecánico S,~ empleado en la explicación de la
figura- 1*1, "es realizado por conmutadores detestado, sol:
do.
1.3 ' Tipo_g__ de Circuit os T'Toce_ad_o_res
Existe una gran variedad de circuitos trocea-
dores con mayor o menor complejidad en su funcionamiento:
dependiendo esto, de la aplicación en la que van a traba
jar.
Por razones obvias, en el presente trabajo se des-
criben algu7ios circuitos fundamentales.
1.3*1
Circuito Morgan
Sn la figura 1,6 se presenta un clrcuáto tro-
cead or Morgan,
Se caracteriza porque el apagado del ti-
ristor se realiza automáticamente por acción del circuito resonante formado por el condensador C y el auto transformador de mieleo saturable.
JL
- -.-
."
-T—
í1 i gura 1.6
Una yentaja del circuito,..es el uso de un solo
tiristor.
El tiempo de activado t-j está determinado por
las características .del núcleo saturable y el valor del
condensador C, el período T es controlado por el oscilador; en otras palabras este circuito efectúa el control
del voltaje en la carga por frecuencia de pulso,
su ciclo an-terior de trabajo, el condensador queda carga
do como se indica en la figura 1.6 y el núcleo del reactor saturado positivamente.
Cuando TH1 es activado, el
voltaje del condensador se aplica a .la sección L2 del r_e
actor, la polaridad del voltaje aplicado inmediatamente
saca de saturación al núcleo; el voltaje del condensador
se conecta a los bornes del tiristor polarizándolo en
forma inversa, si la corriente de descarga del condensador G es mayor o al menos igual a la corriente Ijjt el t_i
ristor se apagará, permitiendo al condensador C cargarse
nuevamente con la polaridad original (indicada en la figura 1.6).
Durante este último intervalo se seguirá su-
pliendo corriente a la carga.
El diodo volante D-j pertrá
tira la disipación de la energía remanente almacenada en
(2) (3)
Circuito Jones
Figura 1.7
cuya configuración se indica en la figura 1.7.
La conmutación del t'iristor principal TH1 es
realizada por la habilitación del tiristor auxiliar TH2
y el autotransformador Tr.
El tiempo de activado t-j y el de desactivado
del circuito pueden coi^trclarse mediante los circuitos
osciladores.
Guando el tiristor TH1 es activado, el condensador G que inicial™ente tiene carga, positiva en su placa superior, se descarga a través de TH1, Lp y B r formando un circuito resonante LO, cuya oscilación es impedida
por la característica amidireccional de conducción del
diodo D, de^esta forma se ha"brá invertido la polaridad
de la carga de C,
_ Cuando el tiristor-auxiliar TH2 es disparado,
el voltaje del condensador G polariza inversamente a TH1f
apagándolo; el condensador C se carga con la placa, superior., positiva hasta que TH2 se apaga debido _a la._ disminu
c-ion de la corriente a través de sus terminales por deba,
jo de la corriente de sustentación.
El ciclo vuelve a
repetirse con un nuevo" activado de TH1.
Si el tiristor
principal TH1 es activado antes de que 0 se haya cargado
lo suficiente, el volts-je desarrollado en.L^ por la in~ :
"ducción de Ln deoido a la corriente de carga, suplirá la
energía, de conmutación necesaria al condensador G y el
ttroceso se efectuará- con gran conflabilidad.
Por esta
por lo tanto sus características deben ser más exientes
1.3.3
Circuito Troeeador de Oscilación
Por último, se estudiará el circuito trocead or
de oscilación, el cual ha sido utilizado en el presente
trabajo,
El diagrama se muestra en la figura l.St
I
J-1
-#~
TH1
THz
V'u
1.7.
- - -
-
Jí'igura 1-8 - •
La, operación se inicia activando el tiristor
TH2.
El condensador, C se carga hasta alcanzar un valor
igual al voltaje de la fuente, luego de lo cual TH? se _a
naga.
A continuación se activa el tiristor TH1 aplicán-
dose voltaje a la carga.
Al mismo tiempo el condensador
O se descarga a: través del circiiito formado por TH1« £2^
L2? Y debido al efecto resonante entre C y Lg f invierte
su vcrltaje.
El diodo D^ evita un posterior intercambio
de energía entre C" y L2«
En este estado permanece O ha_s
ta que se desee desactivar TH1-.
Cuando se activa TH2 , el voltaje del condensador C polariza inversamente a TH1 y le apaga- conmutando
la corriente de la carga al tiristor TH2, éste 'si ¿rué con
duciendo hasta que el condensador G se carga con la pol_a
ridad positiva en la placa superior luego de lo cual se
apaga (la corriente" disminuye por debajo de la de mantenimiento) =
Si teóricamente , asumimos que el vs.lor d e la
inductancia de carga L en relativamente grande, esto- es
'L-*- oo ? la corriente. _. en la carga será aproximadamente
constante y las formas de. onda de voltaje y corriente s_e
rán como se indica en la figura 1.9*
De entre la. variedad de aplicaciones de estos
circuitos , caben mencionarse las siguientes : con un cir
cuito ..ti'oceador acoplado a una resistencia R, ya sea en
--f-orm-a- serie o paralelo se -obtiene- un- valor variable de
la resistencia total (R*) *
dican e n l a figura 1*10
Estas configuraciones se in
._•. . . . . . . .
-vi
V I
VL
J
/4
!._/
tr
.
• $ mA
»1
<fl
n
Traceaaor
<r
1
I
I
Fisura 1.10
Para la conexión "serie, la resistencia del con
junto (R*) , está dada por, (5)
, R
(f 1
\
t1
dada por*
En cam"bio para la conexión paralelOj R* está.
(5)
ti
- .R
( 1,4)
donde:
t-, í tiempo de activado del circuito troceador
±2' tiempo de desactivado del circuito troceador
iPor lo -tanto, s.e .obtiene :un valor de resisten"cla dependiente de la relación entre t^. o t2 y t-^ -t- t 2 >
-Esta"característica hace que los circuitos t-ro
ceadores sean utilisados tanto en el--control de motores
de corriente continua como 'de corriente alterna»
Para los motores de corriente continua, utilizados para trabajos de tracción, por ejemplo en «iontacar
gas, carros y trenes eléctricos, se utiliza la configura
ción indicarla en la. figura 1*11, que constituye un sist_e
.fa\l circuito troceados ^ J J
rrm
Figura 1.11
Por otro lado, .si se disponen los circuitos
troceadores de tal manera que controlen la corriente,
tanto en el campo corno-en la--armadura de un motor, de corriente continua, es po-slble -obtener un motor cuyas caracterís.ticas sean, particulares, de acuerdo a._la_s .necesi_ _
dadas especificas.
Para los motores de corriente alterna, en cambio" es posible variar las características
de la máquina
.con el control de la resistencia en el circuito del rotor,
lo que se puede implementar con la rectificación'del
taje en este circuito, y el acoplamiento de un circuito
troceador a la resistencia R f como se muestra en "la fl
ra 1.12. '9'
.
-
Jr&ceadQr
Figura 1.12
CAPITULO' II
ANÁLISIS Y DISEÑO
2.I
Características del motor
El motor universal que se utilizó para el pre-
sente trabajo tiene las siguientes características de
placa:
Voltaje
:
220 V
:
60 Hz
Corriente nominal:
3,2 A
Frecuencia de
la alimentación
.
.
'
Velocidad máxima. : 3.600 rpm
Potencia
:
0,25 CV "
Para establecer
los valores totales de incuc*
tancia y resistencia del motor en configuración, serie.
se utilizaron métodos voltamperimétricos,
Primero se ob
tuvieron lecturas de voltaje y corriente a través del rco
tor excitándole con corriente continua, según se índjcp.
en la figura 2,1 a)
Campo sene
JYÍYX
mm.
2.1
En raaón de que las lecturas se tornaron con..el
rotor frenado, podernos establecer qúef". ~
-
c c"= ~
I
v 2 * 1/
Siendo Racc la resistencia total del motor con
corriente continua (Hacc =.Ra); si queremos obtener la
resistencia en corriente alterna (Raca) se puede multiplicar Ra por un -factor de 1,1 que es apropiado para tomar en cuenta el efecto pelicular,
Se efectuaron cuatro lecturas, obteniendo los
siguientes resultados:
T
vcc-<v)
Racc(
( f^
4,0
0,675
.5., 9 3
5,0
0,825
6,06
11,0
1.900
5,79
20,5
3 , 500
5,86
Tabla 2.1
Racc promedio-^ 5,91
(2.2)
Raca = Racc promedio ,1,1
Raca - 6 f 5
_^
.
(2.3)
Luego._se efectuaron mediciones en corriente a_l
terna, corno indica la figura 2.1 b) .
Los valores obtenj.
dos c orr e spond. en al módul o d é l a imp ed anc i a e qui val ent e
(|Z¡), y con el dato de Raca anteriormente obtenido se
puede calcular XT según el diagrama que se indica a continuación r. . .
"
- -
Piaura 2,2
Raca
(2,4)
L
2
L
=
(2.5)
f»a
V * •- d,^n ;1 2
ca-
(2.6)
2 tr f
Haciendo las lecturas y los cálculos indicados
se obtuvieron los siguientes resultados:
L
140
100
"
H'
1,75
80,00
"0,219
• 1,15
87,00
- 0,230
-
'
Tabla 2.2
- L promedio = 224- mK
(2,1)
Por lo tanto el ""motor puede representarse por
un circuito L~R cuyos valores son;
L = 224 rnH
• R = 5,91
Se obtuvieron en el Laboratorio curvas de la
variación de la velocidad del motor (S), en función de
la corriente de armadura (la), para -un voltaje terminal
(V) constante.
Los resultados obtenidos se consignan en
la tabla 2.3 y la figura 2.5 nos muestra la forma de las
curvas.
TABLA 2.3
v (v) .
la (A)
1,10
25
2 £V
-^
25
-1,20
1,35
25
' 1,57
25
25
25 '
25
25
42
42
42
1,85
"2,08
2,15
2,35
- 2,37
1,35
1,55 "
1,70
1,83 .
2,10
2,25
2,40
-2 , 60
2,75
3,00
'
42
42
42
42
42
42
42
42
42
48
48
48
¿,15 .
3,35
1,80 2,00
2,10
2,25
2,40
2,55
2,65
2,80
2,90
3,05
-
48
48
48 '
48
48
48
48
48
48
65
65
65
65
.65
- 65
65
65
81
81
81
81
81
'97
97
97
97
97
3 r 20
3_r30
.
'
2,10
2,25
2,45
2(67
2,80
2,95
3,10
3,40
2,25
2,55 2,78
• 2,80
3.20
2/25
2,65
2,95
3 t 20
3*45
-
S ( rprn ) Toroue(pulfí;. onzO
-
840
810
710
600
510
430
410
10
12
17
360
3¿G
60
62
20
1,380
1,280
„ . ." 1.210
1.100
1.020
980
920
840
800
730
660
600
1.360
1,260
1.220
1.160
1,100
1.070
1.040
1.000
970
920
930
880
1,840
1,760
1.670
1.600
1.530
1,460
1.400
1.340
2.260
2.130
2.050
1.970
1 , 880
2.800
2 . 500
2.500
2.400
2.300
25
37
50
55
O-~7
c. ¡
32
42
52
60
67
75
82
102
105
110
42
48
52
60
67
7?
77
9091
93
102
108
52
60
70
77
87
95
100 "
115
60
72
82
90
102
60
77
92
102
115
'
200
400
600
800
1000
¡ 200
¡400
i 500
[ 800
2 000
2200
2400
2600
2800
Desdad
VARIACIÓN DE VELOCIDAD..:,' •'. . . POR VARIACIÓN DE CARGA : ' : ;
CON VOLTAJE TERMINAL-CONSTANTE
trol "
2.2tl
•
Límites de control
Un análisis de- la figura 2. 3. nos permite con-
cluir que el rango de control va a ser dependiente cíe la
corriente de carga, —
Para el presente trabajo, y de acuerdo a la fi
gura 2,3 se han elegido los límites de control así:
Á plena carga (3,2 A):
Velocidad máxima (S~ máx) = 900 rpm
r
?
.Velocidad mínima (§•$ mín) = 660 rpm
Voltaje para S^ máx - 48 V
P
/
'
(2,8}
(2,9)
Voltaje para S^ mín = 42 V
Á carga mínima (1,5 A):
Velocidad máxima ( S,r máx) - 1.300 rpm
;;v
f ^
^
'
Velocidad mínima ( Sv mín) . - 600 rpm
t>
• ~ Voltaje -cara Sv niáx = 42 V
- •
• " • • - ,
(2.10)
(2,11)
Voltaje para ST mín = 22 V
De donde se determina que el circuito troceador de"be ser capaz de suministrar un voltaje varialole en
tre 22 V y 48 V.
Los valores mínimo y máximo de la relación de
trabajo (¿) que . se. pueden obtener con un circuito trocea.
dor práctico están entre 0,2 y 0,8.
. <Tmáx - 0 , 8
Si asumimos que,
'
el voltaje necesario de la fuente es,
0,8
- - - - - -
- (2.vi2)
¿ mín - ^-^ = 0,36
60 V
(2,13)
De acuerdo a estos re-altados se empleó una
fuente de 60 V d.c. para la alimentación del circuito
troceador.
2.2.2
Configuración
El circuito troceador utilizado es de control
por ancho de pulso.
El sistema de control de velocidad
es de laso cerrado, la realimentación es realizada por
el tacómetro que da la información de la velocidad actual, la que es comparada con la entrada exterior, me-.
diante la cual se elige la velocidad requerida del motor,
2.2.3
Diagrama de Bloques
.
El diagrama de "bloques del sistema diseñado se
indica en la figura 2,4.
La figura 2.5 nos indica algunas formas de onda del sistema que explican el funcionamiento global.
El circuito de sincronismo de tiempo (ST) controla la formación de la onda dienta de-sierra que constituye la "base de tiempo (~BT) . La utilidad del circuito
de sincronismo radica en que ést-e tiene mayor estábil i-,
dad respecto a las variaciones de voltajes de alimentación y voltajes de unión.
La frecuencia del diente.de
sierra' determinará la frecuencia de los pulsos de voltaje en_la carga.
La pendiente negativa de esta onda sirve
t-
Circuito de
.sincronismo
de tiempo
(ST)
r;ircuito
inversor
Generador
de "base d e
tiempo
(3T)
OS)
Circuito
detector
^ e cruce
Circuito
de el i s ir aro
Circuito
de disparo
UC-?)
(101)
Entrada DO
Fílente ~>C
regulada
de 12 V
A
troceador
Salida DO
controlada
Protección
i i
de
sobrecarga
Vel-ocidaá
reuerida
Conformador
de imlsos
(0?')
Xultivibrador ir.onoesta-ble
Circuito
integrador
(INTJ
Amplificador diferencia.1
Voltaje de
tacómetro
Figura 2.4
i
•ífi^-1
U
'A*
nA
.
.
.
."
a
,
191?
(P
sa-
Ody
iO
303
i
i
para producir los pulsos de disparo del tiristor TH2 del
circuito .troceador, es decir los pulsos de apagado del
mismo.
Luego de pasar por un circuito desacoplador
(DS), la señal diente de sierra se compara en el circuito detector de cruce (DC) con un voltaje d,c. contjnub
(variable) que se obtiene a la salida del amplificador
diferencial (ÁD),
En el punto de intersección entre la
pendiente del diente de sierra y el voltaje continuo, se
produce el pulso.-, de disparo del tiristor TK1,
Dependien.
do del valor del : voltaje.de comparación suministrado por el amplificador diferencial, se .tendrán'en la carga, pul
'sos "de voltaje de ancho variable-, • (Figura 2+5 d, g)
El.amplificador -diferencial tiene que responder a la diferencia de- sus dos entradas, la señal seleccionada exteriorirrente (Velocidad requerida) y la señal
que se obtiene del tacómetro (Velocidad actual).
El tacómetro electrónico funciona de la siguien
te manera: mediante un disco perforado acoplado al eje del
motor se obtienen pulsos de luz que son detectados por
un foto-darlington. conformándose luego en pulsos de di_s
paro de un multivib-rador rnonoestabl.e, la salida del cual
se integra obteniéndose un voltaje cuyo valor dependerá
de la frecuencia, de los disparos del raonoestable, es decir que será dependiente de la velocidad de.,<gix
rp'idel mo/'•. •'.
tor •
/'."'"
"
. • :•
Por-úl-timo, el circuito de protección de sotare.
U: 001846;"/
carga (3?S) , sensa la corriente de carga (1^) y en el caso de llegar al valor máximo pred eterminado, suspende
los pulsos de activado del circuito troceador (TH1)T man
teniéndose a. la espera de la reposición manual.
2.. 3
IDj^8eño_del Circuito de Potencia
Las frecuencias que normalmente se utilizan pa
ra estos circuitos están en el rango entre 500 HE y 2,000
Hz. (2)'" Para el presente trabajo se escogió una frecuencia de 500 Hz.
De acuerdo a las especificaciones para el factor de trabajo (¿) dadas en 2.2."i- y con relación a los
gráficos 1.8 y 1.9, podemos obtener los valores extremos
de tx y t 2í
tI máx = 0,8 T . ..
t^ máx = 1,6 mseg.
(2/14)
tp mín = T - t-j_ máx
•t2 mín = 0,4 mseg.
(2,15)
tx mín = 0,72 mseg,
..(2.16)
ta mín = 0,26 T
tp máx = T - t-L mín
tg- máx = 1,28 mseg.
(2.17)
Para obtener los criterios de diseño se analizó el traba.jo del circuito para dos intervalos:
a) Cuando se ha activado el tiristor principal,
además de conectar la fuente de entrada a la carga, se
forma el circuito resonante compuesto por Dp? 1^2»
c
y
'
1.9).
"
íít)
'c
C1
D2
Figura 2,6.
La condición inicial" es:
TJc^=Vc
(2.18)
R^ representa las pérdidas óhmnicas totales, p_e
ro si éstas son despreciables* se tiene un circuito res£
nante.L- C, cuya frecuencia de oscilación está dada por:
Debido a la acción de Dp 5 se produce la oscila
ción sólo .durante un semiperíodo 'y el condensador C invierte la polaridad de su carga en este intervalo.
Esta
inversión de polaridad debe realizarse completa.inente an~
tes de que se active TH2 .(2)..-KL .tiempo de inversión de
polaridad (tic) debe cumplir,
ic
t-j min
uJ . tic =
t,.
1C =VL
De (2,20) y (2.16) ,
(2.20)
SI val-or pico de la corriente
í-1-^) en este in
tervalov(2) está.dado por,
C
"b) Cuando TH2 es activado, la figura 2,7 indica el circuito equivalente.
j
AVG? ^"":~c
l
-i
OEft
TH2
1.^.^1 i ! 1 u——T^
«rt
Figura 2.7
La condición inicial es,
I3jo)~- -V-c
(2.23)
El condensador C varía su carga, desde ~VQ hasta V-gí el tiempo durante el cual su carga es negativa
(tcn) , de"be ser mayor que el tiempo de apagado del tirijs
tor
(toff),(2) En vista de que el circuito tiene una inductan
cia relativamente grande, se puede asumir oue la corrien
te se mantiene aproximadamente constante,
cLt-*-'lTc^
...(2.24)
pero iTi ~ Ijj y
1ír(0}está dado por (2.23), luego
como al -tiempo t = ^cn» Uc"= O» se tiene
1Jc(tcri) - JLJ
£H _ Yc =-0
O
ñor lo
tanto,
--
_ C . YC
tcn
-
=r—
y
._^™_
c . . vr>. 4J
(
X- b of f
"" "
V
De ( 2 , 2 5 ) , -considerando que al tiempo t - t.¡.c
-g, tenernos,
I
E
de donde
. 0
t
=
.
•
^ L _ _-
(2.30)
Cabe anotar que t^- c detie ser menor t ? mín . por
io tanto de ( 2 . 3 0 ) y (2.15) .
(VE 4- V C ) . C
-____ ¿ r o , 4 mseg.
(2.51)
"El reactor L-¡ , es utilizado para. 1 imitar el
transitorio de corriente (di/dt) a través de TH?,
t)
- L x , — - ™ VQdt
•
/o
^-
El valor de VQ , depende de las pérdidas del cir
cuito, como éstas son pequeñas se puede asumir que,
Vc = 0,9 . VE
•
(2.33)
Los valores de los elementos se pueden deternú
nar para una corriente (Ij,) mayor que la nominal para
disponer d e cierto margen de tolerancia, por 1 o tanto se
lia asumido que IT = 4
A.
Los tiristores deben tener una capacidad de
conducción de corriente mayor que IT y voltajes de bloqueo inverso de por lo menos 2 V^0
En este trabajo se TJ
tilizaron los tiristores tipo 2 N 3898t cuyos principales parámetros son:
.
Irp
(AV) - 11
VRRM =
A
400 V .
'..... .
VGT =? 1,6 V
IQ.^ = 4 0 mA
. . .
di
— = 200 A/useg.
dt
Utilizando los datos establecidos por las espis
cificaciones anotadas y aquellos asumidos con criterio
práctico de diseño se procede al cálculo de los componen
tes del circuito de control de potencia.
De (2,27),
54 V
C > 1,85 uf
El voltaje máximo de carga del condensador es
60 V, por lo que podría escogerse'un elemento de 150 V
de trabajo»
Se ha utilizado C = 4 uí/600-V. Para este valor de C debe cumplirse (2,31),
HA.. Y ;———:—
. 4 uf ^, 0,4
„ Á m s e ^ »• - - - ——...'
4 A
0,114 raseg. < 0 , 4 mseg.
Para calcular L^ T de (2.21) se tiene,
('0,72 m s e g , ) ^
4 uf . rr2
L2 -^ 13 mH,
I>2 utilizada: 0,4 mH. , para una corriente 4 A
De (2.32) se obtiene el valor de L]_,
Ll
~
200
uíí'
•
Se utilizó simplemente la -Inductancia distribuida de las conexiones debido ai valor muy pequeño de L^.
Le (2.22), la corriente
.
tar Dp es,
T
I
pico que debe sopor-
:
=
4
tomando en cuenta que este valor de corriente es aproximado debido a que se despreciaron las pérdidas óhmnicas,
se puede escoger un elemento que soporte con^ietites tra:n
sitorias de valores mayores - que la"obtenida. ' El volta je
máximo..que soporta es 60 V,
Se ha utilizado un diodo de
6 A de corriente media, que soporta las corrientes, transitorias presentes en el circuito y de voltaje de pico
inverso igual a 600 Y,
Be acuerdo a la figura (-1*9). la. corriente que
pasa por D^ es igual a la corriente de carga, pero en un
período de 80^ de conducción (en el caso extremo), por
lo tanto, dando un margen d e seguridad ptted e escogorse
un elemento cuya capacidad de conducción de corriente
promedio sea igual a la máxima de la carga y un voltaje
de pico inverso igual- .a 2 V-g,
El diodo D-L escogido es de'6 A, 600 V,
2,4
D i s e ño .del Circuito de Control y
igpnro.
El circuito de control se ha estocarlo a rivo-l
de diagrama de "bloques anteriormente, en adelante ?e hará la exposición del diseño de cada unidad, determinarlo
sus caract erí s ti c a 3, de acuerdo a las especificaciorP<*
generales del sistema menciona.da.s arriha( •
?,4.1
Diseño del Circuito de Sincronismo de Tiempo
Como se había anotad oT la frecuencia de los
pulsos de voltaje será de 500 Hz y está determinada por
la frecuencia de los pulsos- de sincronismo.
utilizado es el de la figura ?.8.
El circuito
.Figura 2.8
Si asumimos que:
cn = Cp = c
hfe (sat) = 2 0
VCE (sat.) = 0,3 V
(sat) = 0,8 V
= 14 mA,
Para el estado de conducción d e Q-, ó
cumplirá
se
ue;
RnJL // R
12 V - ¥„_,"( sat)
Rc =
consiguiente -se puede escoger R^ = 1,5 K
El período de oscilación viene dado por la expre-
G i on,(4)
;
T = .1,38 R . C
•
como T. ~ - - 2 rnseg. .
500 Hz .
--
-R . c = 1,44 . 10"5
"
.
(2.34.)
La resistencia R debe permitir la inyección de
corriente .de base al transistor que conduce, cumpliendo
que :
- Ic "' " ^ '
*B>:-~hfe (sat)
11,2--V •
pero: 1^ = B "
R ......._ _ _ . _ ; _
...
.
:
'-
-
12.35J
.. ,._.._
.....
- -
De (2. 35). y (2*36) se obtiene:
14
.
...A
R -£16 -K,-l
.
.
.
.
en este caso se ha escogido R = 15 K .n. , 5%.
De ( 2 .34-)- -podemos obtener1 el valor de C
15 K-a
se ha utilizado un condensador: C = 0,3. uf/25 V,
Para ob-tener la- señal de sincronismo para el
generador de base de tiempo, se ha utilizado un circuito
derivador a la -s-al-i-d-a- del mult-ivibrador aestable.
El
diodo D, recorta el pulso positivo, que no tiene interés
alguno.
Para obtener un pulso pronunciado, debe cumplir
tt í
V., ,,
->
¿C<
7^
¿- I t-
I?
£-, -¿:<1 jriseg.
rp
-
-
-
(2.38)
Además, la impedancia que presente C^ al muí ti
vibrador en los instantes de transición debe ser mayor
eme
la resistencia R[^n ?• para evitar sobrecargar a l a salí
-.
__
d a d e l multivibrador,
X,
'3
. . . .
>
2. rr.
si asumirnos f^-l/T, por ejemplo f = S KHz-,
G^ ^: 0,04 uf
(?."39)
Con los valores de E? = A, 3 K/i, 5*¡ y G. = 0,03
uf/25 "V se cumplen las -relaciones (2*38) y (2.39).
El acoplamiento de estos pulsos al circuito g_e
nerador de "base de tiempo se ha realisado con el condensador C,.
q. eme por su finalidad puede tener el -mismo va-
lor oue C^.
?
2,4.2
Diseño del Circuito Generador de Base de Tiempo
El generador de la "base de tiempo es un oscil_a
dor de relajación, con transistor unijuntura.
El perío-
do de'oscilación libre debe ser ligeramente mayor que el
del circuito de sincronismo t. en este caso se "ha determinado que sea 2,3
roseg.
.s
La figura 2,9 indica la configuración del circuito,
........
.
- --
Para el transistor uni juntura 2N492 se .tienen
las siguientes características:
Resistencia interbase
^RITi? ~ ('» ^ ^"n"
Relación intrínseca
Y[ = O, 68
Voltaje de valle:
-
Vv = 3,6 V
Figura 2.9
Las resistencias -R- y R 2 se escogieron de acuerdo a las recomendaciones cíe los fabricantes, y sus
objetivos son eliminar ..la. .inestabilidad del voltaje de
disparo debido a influencia térmica y limitar la corrien
te de descarga de O, respectivamente,, _ ;
R] = 620 -A, . 5?6
R2- = 27 -O- 596
.._,.."
-
. .---
El voltaje de disparo (Vp) -, está dado por,
V =
° 6 v"
•
donde,
V E1B2
'B1B2
* AB1BÍ?
12V, 9.100 _a - n 1 1 - 2 V
(620 4-9.100 -i- 27)-a
luego,
.V
=-0,68-. 11,2 V -t-0 5 6 V = 8,25 V
El condensador'tendrá una carga lineal, en razón de que es alimentado por C^ en configuración de fuen
te de corriente constante, " La corriente de carga del
condensador viene.expresada por:
T
G '. A Y
•—
'
Ay = y
At
-'•
- Vv = 4 , 6 5 V
¿t = T = 2, 3 mseg.
si C ^ 0 , 2 2 uf
Esta corriente debe ser
.suministrada por Q_ , en
el que se elige IU - 1,5 K-n.
• • - - -Y-R
.
= 1-,-5 K./1. 0 , 4 4 mA
YR
•
.....
.= - 0 , 6 6 Y
Por lo t a n t o , si Q-, tiene ur fe ~ ?'"-, la corriente por el divisor de t e n n i ó n 'puede ser 1 mA con el
fin de mantener una fuen-te de corriente constante.
De lo anterior podemos calcular R¿ y R ^ :
T? - °iJL6 V H - 0 , 6 - Y _ 1,26 Y _ , 9¿ , r ~ n
KA " "
"
"~
- i, -o Í\JL
I mA
1 mA
R
-
12 Y - 1,26
Y
!
_
1 xnA
-
]O,74 Y „
_ -1n0 , 7«¿ L
/ KJl
• 1 rnr\r = 10 K - T L ,
lO/'O
-Dura-nte el intervalo de carga de C e"1 yo.] ta^e
a través de R-, será:
" y\o
—- " ? :
1
VR
12 V
R 4- R
P
a-n
-V-R
---• •
= -0,76 Y
Bste valer nos asegura el correcto funcionamiento del circuito-de disparo 1G? al que nos referiré-
2.4,3 -Diseño del Circuito..de . Disparo (IG-2)
Tomando los pulsos negativos d esd e la Dase 2
(,B2) del transistor un i juntura del circuito anterior, se
excita a un transistor, el que por medio de un transformador de pulsos en su colector, proporciona los disparos
para el tiristor TH2t
La figura 2.10 indica el circuito
empleadoVeo-
désele
Figura ÍP.10
Según las especificaciones de los tiristores u
tilizados, en la compuerta " sner deben tener 1,6" V P ¿O mA
para el activado en condiciones extremas,
I-ín el secu^d^
rio del transformador T^ se debe tener 2 V a ¿1-0 m A r
Debido a la no: linealiclad de las características de coirnyuerta de los tiristores, sólo podemos asumir
un valor equivalente de resistencia, en este caso se asu
mió,
R.
2 V
40 mA
Si la relación de transformación (n) de T-, es
n = VO/YP = 1/2, se tiene que,
YC = 4 Y
IC
..._.„.... ..;
^ "^E = 20 mA
T.
-n
asumiendo,
4 - 20
IB = 1 mA
El .diodo D-,. en ..el emisor de Q~ , hace oue ente
JL
" 1
entré a conducir sólo en los momentos en que e.l voltaje
de la "base sea .menor o igual a 10,8 Y.
Los p^lpoñ pro ve
nientes de la "base 2 del transistor unijuntura tienen una amplitud negativa aproximada de 8 V, .siendo e"1, nivel
de reposo de 0,76 V.
Por ].o tanto.
ix2
IB
Yv. = 12 Y - 8,76 Y = -3 , 2¿ V
PfV
- 1 - Q r B Y - 3,2/1
Y• _._ 7^?^ Y __
•
—
1, mA.
.
se ha utilizado R9 = 1 K.a} 5?4.
[.
r
;-, — ¿_
1 n?Á - - .
,.
-
El circuito equivalente del transfornsdor T1
con su resistencia de carga RT t y "la fuente de impulsos
(CX)
•^1 con su resistencia de"
- • salida
• - - . ' R-,
[ . se indica en lñ fi—
«;ura 2.11
Ri
VWV-1
!L
Figura-?-. 1.1
Si la inductancia del p r i m a r i o L, c u m p l e oon
la relación:
L *£? R .
tp
en donde R - R-, // Rp y tp es" el r tiempo de duración del
•pulso " - s e consigue--una buena respuesta del transformador.
RL -Para el diseño R c? R„ = —— > ya oue R-, es grande compara
¿
~
J'
""
n2
,
da con R0 y--tp-= 2 useg. (tiempo de duracior del pnls.p
dado por el fabricante para condiciones extrema^K •
R,
L
~ . tp
n
IÍL1/4
. 2 US8A.
t" » 400 uH
por lo ta.nto L = 10 mH.
El núcleo de ferrita crue se ha. utilizarlo parn
estos transformadores, tiene una constante de ¿00 nH por
vuelta al cuadrado.
"*" " ;
Por lo tanto el número de vueltas del primario
Nt>, será:
~
: •10 mHi- = 158 vueltas
Y el número de vueltas del secundario Ns, se
determina por la relación de transformación n = I/?.
Ns = n . Np
=
79 vueltas.
2
El diodo D2 "baja el voltaje de los pulsos ce
disparo en 0_ % 4 V y manteniendo todavía el nivel adecuado,
pero en cambio elimina, la posibilidad que pequeños pulsos originados en el transformador
en un momento no deseado.
enciendan al tirjstor
SI diodo D-* es un elemento de
descarga de. la inductancia del transformador.
El co'pder_
sador C es de O, "01 uf, y su función es la de proporcio- •
nar el pulso de encendido de TH2 en el momento ce activar la fuente de 12 V de todo el circuito, condición necesaria para el funcionamiento del circuito trocead or.
2.4*4
Diseño del Oircxiáto Desacoplador
(PS)
Este circuito tiene por objeto prevenir la per
dida de la linealidad del diente de sierra, presentando
una alta impedancia en paralelo con el condensador C del
oscilador de relajación (Figura 2.10).
SI diagrama se
presenta en la figura 2.12 a.
T
cíesele
Ri
(B-ryT^
acía
'Vin
i_
1
—I
Q)
Figura 2.12
b)
La forma de onda a la entrada tiene los niveles que se indican en la figura 2,12 D,
Para la forma
de. onda a la salida se asumieron los niveles -que se mue_s
tran en la misma figura.
Para estas condiciones, asu-
miendo un /3 - 50, una corriente de 2 rnA:en el colector
al momento en que el voltaje de entrada es 3,6 V y V^=SV
tendremos
L\.-t
M
8 V - 3:, 6 Y
—
, 50
2 rnA
- 110 K-n
Se utilizó R- = 120 K-a , . 10?í
R
=
.
2
=
3 K
mA
Se uso R7 =. 3t3 K-a;í
12 V ¿
2 mA
Se escogió Rp = 2 KJX, 10^
En el momento en que el voltaje de entrada es
7Y, se tendrá que:
12 Y - 7 Y - /?, IB . 2 KXL^- 0,6 Y + 120 K -n.
TB
de donde,
, ,
= o,02 mA
220
. IB
I
Ip\j = 1 mA
YQ = 31 3 'K jo- . 1 mA - 3 , 3 V
El valor de YO está cercano al requerid o.
En
la práctica, se obtuvieron los valores de 6 Y y 3,2 Y.
Xa figura 2,13, indica el circuito utilizado,
Se compone de un circuito disparador Schmitt, que en su
entrada tiene la onda diente de sierra invertida y además el nivel de disparo es variable debido a la inyección de corriente desde Q - ,
— Í2 V
CK
¿t R E 3
\2N3249, _j,
desde
rr-\T
CCI)
vW
t
Rbi
Q»
^J
,
2 M 708
._"'"
'
\M<
.Vn~
(AoT
Q.?s
(IG.1)
2M70SÍ- ^
P i gura 2,1;>
Como la acción de Q^ será de dar el nivel variable de disparo, el diseño se realiza primero sin tora ar en cuenta a Q^ y por lo mismo' para el nivel de dispa
ro mínimo.
En. la figura 2.14 se aprecian las formas de cm
da, los 7iiveles de disparo y su influencia en el ancho .
del pulso de voltaje en la carga,
La salida de Q2 -origina el activado de TH1, El
momento que nos interesa es el de conmutación al Íntersectarse la referencia con la rampa.
i !
I I
Figura.2.14
. .Los. voltajes de referencia para la conmutación
son determinados por los requerimientos del máximo y el
mínimo ancho de' pulso en la carga*
Según las especifica
ciones dadas en 2,2 a l y .con los valores del diente de
sierra, tenemos,
V1D
. ...
:
mín,-(voltaje de conmutación
mínimo a la "bajada del
voltaje de entrada);
¿
4,1 V
V-rVj máx. ( voltaje de conmutación
•
máximo a la bajada del
voltaje de entrada):
5,4 V
VSD (voltaje de conmutación a la
subida del voltaje de entra
..
.da);
. .
5,9 V
\= VE1 + VBE1 *" VRbl
Y .~ = Y
1* Y : 4- V
VSD
V E2
V BK1
^ v Pbl
"
.
Yp-, : .voltaje en el emisor cuando Q-
donde:
- •
-
deja de conducir.
•Yp^
' voltaje en el emisor cuando Q0
todavía conduce..
c3.e a traves de R,, n
V-PI?-I :
Jjrj-L
voltaje v "bp^seemisor cié|
Q- ,
--
Si asumimos que :
v
= o fi v
'BE1
U l b V^ -
'
"
V,,,
n mín, = 0,2 Y.
rí. O J_
entonces de (2.40) y (2.41)
VE1
= 3'5'YV
En la' subida diel voltaje de entrada y un instante antes dé la conmutaciónr se tiene:
yi?2
"
JL—°g. '.' "
RE
(2.42)
GE2
RC2
donde, YnT?0 : voltaje colector emisor de Q9.
-
(j Ji d.
• .
—
•
Guando la entrada decrece y va a producir-se la
nueva conmutación, se tiene:
- . -E '
v
E1
C.CL-.
R
£!!_
R
donde, Y^™ : voltaje colector-emisor de Q-, .
LJ -j i
(2.43)
Asumimos que:
R G2 = 43°'a
YCE2-5V
.
-
- 5>5Y
VCE1
Voc = 12 V
-
De (2,.4-2) y (2.43) se tiene:
12-5-4,1
R
=
607 (12 - 5,5 - 2,5) =
Se utilizaron Rv = 680.a, 109o y Rr,-n = 750 -^. F 5%.
-i-J
V _i_
Cuando conduce Qp, se puede plantear:
R^o
De - T~^^IRb2
(2.44)
• .
donde Y-^p :. voltaje en la "base de Qp*
La corriente IC2 c^ IE2, podemos calcular de
(2.42),
T
=
0¿
_±—^_2__ A = 6,3 mA
680-V 430
si hacemos IR^2 = 6 IB2 y VB2 = V32 ^ 0,6 Y, se tiene de
(2.42),
.R
_ ii7_-JO K ^ =
b6 . 6,3
3í? K^
Ahora, para
calcular R., , se tiene que:
-
p
RK =
_
— : -- Rci
1RK
IRK = IR"b2
-p
^IB2
_ 7 T
^RK "
( X B2
por lo tanto, se tiene que :
7.
i
30
Se utilizaron valores de R,2 = 3,9 K_a ', 5°¿ y con fines
de ajustes •*•Dará Riv un potenciómetro de 5 K_n,
De (2*43), se tmede calcular I™—
A.L
S S
J-* -~s - - r
'
•
- —-l--¿-'— - A- - =r~ -i5,14
mA
680 1.000
I
'
19 „
1^,u i
1
"
si /£= 30
T
- T
i
3 ,i8 6 mA
= —Cl
~- = —
— =n On r„17 A mA
Jg>
.DJ.
-^Q
Para esta condición y con Vp h1 máx. asumido,
se tiene que:
V
- -R
=
-- " — '= ¿~ K-a
IB1 .
0,17
= 7 , 0 ?:
RvDI
, utilizado: 7, '5 K _n_- , 59á.
El condensador Crr puede eliminarse para operación en baja frecuencia, pero • experimentalmente se obtuvo una mejora en el pulso de disparo de TH1 con
Ctr
= 0,1 uf/25 V.
IV
'
.....
•
-
Cuando el transistor (X conduce, fija el volt a
->
je de referencia para obtener 'el máxinio ancho de pulso.
.De los requerimientos de ancho de pulso y de
(2.4-0) , se tiene,
máx
_
por
lo
=V
x
tanto,
"•*
j_
=
"
máx
-.
-
r\
_
V-P-,
máx
Jl/J.
V
RB
r\t
" ~
-
__
=
R-q,
, r
*-;- , Q
•
u
V
=
c/-", 7 r-j
b /" r
0,b8 '
• La corriente que
nasa
T^or - RKT, wv R-,u?
0 es
Tíeouefí
-1- .
- *
en comparación a 1^-, , por .lo .que podemos asumir,
I
= 0,8 mA, con lo que,
V-r-9 =. 3 s 9 K-cl.'0.8mA =-3,12 V
.(2.
Como Y.p,n máx = 5 V, Y^0 de"bé serr
VB2 = 4,5 V + 0,6 Y.= 5,2 V
(?.
. La.diferencia entre"estos valoreé de V p p
(2.43-y 2.44) es"dada por la corriente de colector de
Cu,
5
Imponiéndose R^^ = 2*Q K^i . tenemos que:
~
-T-
-•
-
Ji9
. . ^j
S .p
n p ir' „ p_?.._
o8^_ Y _ r\rr /i n- \P
¿- ^r.
i „• J-. i~-~-
-p
¿o. -
-
K-n-7
¿- • O
-^^
JV-Q.
el v o l t a j e a través de R-^^ es:
VRE, - 2,8 K -n. . 0 , 7 4 mA = 2,08 Y
de este valor se deduce eme:
VB3
- 12 -_ 0/6 - 2,08 V .
VB3 .
9)32
V
Este valor de voltaje en la oase de Q^ es proporcionado por la salida del amplificador diferencial, 'al
que se hará referencia más adelante.
El voltaje de salida Yr es:
V0
" YCC ~ IC2 * RC2
vo
= .9.5 v
;
-
Esta salida excitará al circuito de disparo
2,4.6
Diseño del"
Circuito de Disparo
(I^n)
- . . , . . . •
"
-T i
l
La figura 2.15 indica el circuito utilizado,
. . .
Figura 2.15
.
Del diseño d'el detector de "cruce se a?.be oye
el voltaje en la,"base de Q-,- varía entre 0,3 V y 1? V,
Por otro lado como.los tiristores empleados son iguales,
los criterios de diseño descritos en 'la sección ?;¿o
también, pueden aplicarse-- en este caso,
En consecuencia,
.I
& I™ = 20 raA
como t
Vfi -, 0,6 V
luego,
12- V
R,
^^L = 105-*
20 mA
RE - 100-A, 55¿; . .; ;
-
Este valor de.R^'no carga mayormente la salida
del circuito de detección de cruce.
El transformador de
pulsos es' 'idéntico .al di señad o', en 2,4.3.
2.4.7
Diseño del Conformador de Pulsos (CP) (Tacómetro)
El voltaje de tacómetro se obtiene por la in-
tegración de la salida de un circuito monocstable, el
que es disparado con un tren, de pulsos cuya frecuencia'
es variable, y proporcional a la velocidad de giro del rno
tor.
La figura 2,16 indica el circuito utilizado*
,
_
Vcc = 12-V
»°——1
L
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1
- *r^ , ,
i^G
>
(MV )
3*
. - - - . . - - •
r.
«.
Figura 2,16
.
El disco acoplado al eje del motor tiene 15 perforaciones.
Los límites de respuesta del tacómetro
son:
550 rpm- y 1.4-00 rpnu
Por Ib tanto la frecuencia rní
nima y máxima de los pulsos "de lúa e'rf D-, serán:
f min--=-^¿ . 15 Hz-- 137,5 HK
.60 '
-
••••••
f máx --l^iOO .15 HZ = 350 Kz
• .
60
De acuerdo s. los datos del foto-darlington
(Ql)j se asumió,""""
;
IC1 - 2 mA
-;VEI = 2 Y
'
YC1
.
= 8 V
.
'
"" "
.
-
La corriente que pasa por H^ (1^ ) se asumió.
0,5 m A ,
P o r l o tanto:
- - " . • . . . .
R 2 = ^-^
• =' 1,^5 K -a
1j 5 mA
-
Gomo el voltaje zener de- D-f = 1,2 V, el valor
6
de R-a es :
0,5 mA
12 V - 8 V
2 mA
-i
.
Se han utilizado valores de:
1
= 2,2 K_a , 5!^
R2 =
Ra5 —— ¿9i c pf^ y _n.
i n^n
» .L\.//J
'
El transistor QP da una respuesta diferenciada
y amplificada, respecto a la salida del 'fototransistor/
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U
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mseg
-
2 ÍT
' . GIL ¿ 0,35 uf
Se utilizó C n - 0,1 uf/15 V
2,4.8
Diseño-del Multivibrador Mono estable (MV)
. •
La salida del multivibrador monoestable, de"be
ser una onda cuadrada, de período constante y de frecuencia variable con mínima, .distorsión.
Se ha utilizado la
configuración indicada en la figura "2*17.
•
i-iqcig
-4
-
"(I NT)
D,
K..Í
(CP)
V1
Rs
D
~-&-
Figura' 2,17
Para el"intervalo -en que Q2 conduce, y asumien
do ciue ;
o = 5
YQ = 3,5 V
= 20
vCS2:= i v
entonces:
R
=
= 500^-
5
T
/
. 1 C2 /
•
Se utilizó R
( R 4 + R 5 ) ^ 3 5 , 6 K-/I- 1,8 K^z
t
(2.4-5)
5?S "y R6 = 560^, 10;/o
Cuando--conduce Q^, tenemos..que el voltaje cíe
entrada (V.. ) es de 4' V, por lo tanto:
YB = Vin - 0,6 V = 3,4 V.
.- - .- ¿2 ^ 02
0^56
Si se asume Vpi = 4 V,
T? " -_J^-3-
o v -— _ i1. AD TCA. JTL
^A5 mA
?
-' •
Se utilizo R-* = 1,5-KjT.t ^>%
Se sa"be que la frecuencia máxima de los pulsos de disparo es:
f rnáx - 350 Hs
•por lo tanto el tiempo de recuperación del monoestaole
(tr) es:
(
f raáx
t
¿L 2 . 8 rn s e p~ ,
Se na elegido t
= 1 , 3 mseg.
Ahora,'
tr - 0,69 (R4 + R5) . C 1
de donde, si C^ -= 0,1 uf/15 V
-
-
- --
R4 4. R 5 = 18-, 8 K-o.
Se ha -usado R¿ • = 10 K J T _ , 55^ y Rr un p o t e n c i ó m e
^
tro de 10 K_o. , 596 para tener un rango de ajuste.
La polarización de base de O-, debe ser de un
valor adecuado para que Q-j_ no pueda conducir mientras Qp
lo hace, por lo tanto:
VB1
^V E2 ^- 0,6 V
• vB1 ^3,1 v:
. . .,
Asumiendo la corriente pox* el- divisor de tensión din) ¿e 1 m-j y ^ ~ 2,S._V, .se tiene:
• -n
2l.
8 V"
—
-
o v
1,4. mA.
12
-2
6(
5
1,4 raA
Se han utilizado R 2 = 2,2 K-/L, 10?^. R1 un po
tenciómetro de 5 K - f i , 10?6 más una, resistencia de 4 , 7
La red formada por Cp, Rg y D2 tiene por objeto fijar la onda cuadrada de salida a cero,
Asumiendo que la resistencia de la siguiente _e
tapa sea mucho mayor que Rg, entonces debe cumplirse que:
C2
'RS »tr
.0,1 seg y R8 = 10
si C2
C2 - lO'uf/25 V
2.4.9 -Diseño del Circuito Integrador (INT)
La figura 2.18 muestra el circuito utilizado
=r
12 V
de sel
(MV)
- .
Figura 2,18
La onda cuadrada en la salida del monoestanle
tiene una '"amplitud de 6 v"'entre les niveles, luego de.l
fijador a cero esta amplitud, se ma.ntiene y se aplica a
la entrada del circuito integrad or.
Los transistores Q^ y C>2 trabajan en la reglón
de saturación., por lo que se puede asumir,
' VBE1(sat) = 0,70 Y
VCE]
hpE1 (sat) - 10
YBE2(sat) - 0,80 V
YGE2(sat) - 0, 10 -V
Además, si se asume ICl = 2,5 mA, IE1
se tiene:
2 , 5 mA
La corriente . oue
t>asa por R nu. ( IüR.*] ) •- es :
^ -. . _ ^
si
Se utilisai'on valores de R^ : potenciómetro, de
2
= 2,2
Si se escoge TQ^ - 8 V,
IC2 = IE2
IC2
" IB2,
"9 IB2'
IC2 = I t 8 mÁ • HA = ^-^- - 4,4
V
= 195
Se utilizo R5 = 2
'- - -
El condensador Gn. se carga -a través de la
re-
sistencia equivalente de salida .del colector en paralelo
con R, y la impedancia de entrada al amplificador diferencial.
El condensador C-^ debe cumplir,
"." "•
pero,
AV
'
R eq
y
At es T máx =
f mín
_
n
Reo
V mín
__-_
. f mín , A V
Si se asume que, R e o = 3 KJT.,
P
__.
1
-&V = 3 mV y V rnín ~ 3 V,
./._i y..._.._•*
3 K J Z . 137,5 Hz
:,
t
„ p 4. P <i vi "f7
3 mV
Se utilizó C-L - 3.000 uf/30 V
Debido a la no linealidad de la integración *pa
ra todo el rango de trabajo, se determinaron experimental
mente los valores de voltaje en la entrada del amplifica
dor diferencial (entrada de tacórnetro) para los límites
extremos de control, obteniéndose:
'
•
V mín = 3 f 4 V
'
(2.46)
V máx =" 5.8 V
2.4.10
Diseño del Amplificador Diferencial (AD)
SI. circuito se indica en la figura 2,19* .
Las entradas para el amplificador diferencial
son: la ser.al -pxoveniente del tacórnetro y el voltaje de
referencia que se puede variar mediante el control de ve_
locidad (P,g).
La salida es desbalanceada y está conecta,
da a la base de Cu del detector de cruce.
Di
aesde
sd<
1 •'
í
Jl
ví^
e¡ taco metro
ifro í^t
'2N70&4-
c
Figura 2,19
Si el voltaje de referencia es mayor que la
del taoómetro, el voltaje de salida (VQ) baja, el nivel
de referencia sube y e] ancho del pulso en la carga aumenta, obligando a que el voltaje del tacónietro aumente
hasta llegar al punto de equilibrio.
El voltaje, en la base de Q^ (Y-g^) es:
VB3 - 1,2 V
si
y-n«
= 0
^^- fSí'T
-w ,
-j 6
— V
J
v-n-r
H *« = o i 6 v
si I-io _p = I-m-r
¿ j - 4- mA, tenemos que:
JV -, -,
—
^—~
~
A. P U -Ti.
4 mA
•
Cuando conduce sólo Q2, la salida VQ debe ser
de 9,32- V, como se concluyó en 2.4'-4, por lo tanto:
Re =
VCC
L C3
Vo
5,8 V.
Este voltaje está determinado por la relación en
tre Rg y la resistencia del amplificador diferencial vi_s
ta desde la base de CU,
Esta resistencia será aproximadamente:
si
A = 30 y Rn = 6
R
~n
= í4'7 K'a -v 2 . 0,94 KA)
\0
y
30 [KA]
B.in =-'10 K-a
El' voltaje del condensador máximo (Vn máx.} es
-r
de
donde:
•
" ''
12
V
. R-í-n
""
. R z. 12 V > 10 K - a - 5,8 V . 1CL
6"~
. 5,8 V
R6
^'10»6 KJi
Se utilizó Rg = 5,1 K-^L, 1%
•
La constante -de tiempo
">•
T> in //
/ / TR
? 61 ;
)
c —- f(R
si escogemos
"^ = 1 -seg.
1
__
10 K
// 5,1
294 uf
Se utilizo C 1 = ;;30 uf/25 V
. on x
es:
/n
<n \n
ma
2.4"* 11" Puente de 12 V Regulada
La figura 2.20 muestra el circuito utilizado.
••<t\ft •••—-t.
...
-
Figura 2.20'
El transformador T-, es de una relación 115/16,
con lo que, el'voltaje continuo"luego de la rectificación e s ,
•
.......
vüc „ TS VT - 2 vd
donde., Y-,
: voltaje de los., diodos, V^O : voltaje del seQ,
cundario, y V
es,
Asumiendo un rizado A Y de' 4 Y y una corriente
d-e carga máxima de 0,5 A, el condensador C^ debe cumplir,
IT
•'i
._. ____!_„ _ __JL_
2 f: » A-Y
—
[}_ t 000
Uf
120 . 4
Se utilizo C-, - 1.000 uf/25 Y; C 2 = 2 uf/25 V según indj.
can las hojas de aplicación del circuito integrado regulador.
"
Los diodos de .rectificación son de 1 A y 40 Y
de pico inverso,
Para'una variación de 110?é del voltaje de lí_
nea, la señal rectificada está todavía en • el rango que
requiere el- circuito integrado regulador de voltaje.
2.4.12 .Protección de Sobrecarga
El circuito utilizado se indica en la figura
2.21.
Figura 2.21 •
Cuando • se-llega a. la corriente máxima permisible, la caída en R-, polariza directamente al transistor
Qj activándose .el relé M, que. se queda enclavado con uno
de sus contactos; otro de los contactos del relé cortocircuita la base del transistor Q-j del circuito IG1, con
lo que no se produc.en los pulsos de disparo para TH1, d_e
sactivando.al motor." Adicionalmente se prende, la luz in
dicadora L*
Con. el conmutador pulsante Sp de reposición
se abre .el transistor Qn , desactivándose .el relé M, con
lo que se. habilita de nuevo el'circuito 1G-1.
-Para el diseño, se determina la corriente raáx_i
.ma permisible y asumiendo VR . .= 1 V, . se tiene,
'R.
' VFR.
T
* --:
.
.
I máx
l a potencia d e R-, es,
PP
= Vp
—
w , ¿ / —' •*»
. 3,4 A- •
.
.
.
-
, 1 máx; = 1 Y . 3,4 A = 3,4
Se utilizó R./ = 0,3.a , 5%r 5 W
I~n = -10 mA
Si,
2
^
Se. utilizo R
0,5.mA
= 1,2 Kix, 5^
• Para evj.tar el activado de O-, , en el- arranque
del motor se utiliza Rp y 0.
seg. ,
:,
/_;
Si se escobe que
~C = 2 3 5
-' '
R p . C - 2,5 seg.
C - -2'5 seg'-= p.090 uf
1,2 KJX ' •
Se utilizó C - 2-000 uf/25 V
'
__
.
El diodo D sirve para descarga de la bobina
del
2, 5
relé.
... -
- .
......
Consideraciones para la Construcción y el Montaje
-
El montaje -de los circuitos de control- y de p_o
tencia se ha realizado con fines deinostra-tivo-s . por lo
que son accesibles anteriormente los puntos -de interés
en el circuito, disponiéndose además de" un diagrama gen_e
ral del circuito en el tablero frontal del chasis,
SI
aspecto exterior puede observarse en la foto 2,1
Foto 2.1
Vista exterior del circuito de .control
El montaje del circuito ne control es independiente, con el fin de poder acoplar al circuito de poten
cia.otros tipos de control, materia de trabajos futuros.
En cuanto se refiere al circuito de control en
sí, el montaje se ha realisado en placas de circuito impreso.
Por el hecho de procesar seríales pulsatcrias se
han dispuesto circuitos L-C de de'sacóplamiento de. la fuen_
te de 12 voltios.
Las señales accesibles exteriorn¡ente
-cuentan con circuitos de desacoplamiento»
En 3 a foto 2,2
y 2,3 se ven aspectos del montaje del circuito de-control
Foto 2.2
Circuito de control y disparo. Vista superior
El foto-darlington y la fuente luminosa, lógicamente están -en una -anidad, adicional acoplada a la base
del motor,
SI circuito de potenc.ia, se ha montado tomando
en cuenta las necesidades de. disipación en los componentes y especialmente en los dispositivos semiconductores;
los cuales tienen placas de disipación.
Un aspecto del
montaje del circuito .de potencia se ooserva en la foto
Foto 2.3
-Circuito de control y disparo. Vista lateral
Foto 2.4
Circuito de potencia.
Vista superior
Se dispone de dos conmutadores, el uno para ac_
tivar la fuente para el motor y el otro para el activado
del circuito de control.
• .
CAPITULO III
RESULTADOS E-XPE-RI-MEN TALES Y CONCLUSIONES
3.1
3.1.1
Mediei-ones realizadas en el Sistema
Formas, da Onda del Circ-uito de Potencia
Con el fin de comprobar la teoría de los circujL
tos trocead ores, se obtuvieron las formas de onda que -se
consideran de interés.
En la foto 3.1 se observa el voltaje en los
.terminales del motor para una velocidad escogida y una
corriente de"carga específica.
.
. Según se puede observar- durante el -tiempo t, ,
el voltaje en el -motor es el de la fuente; en el momento
de la conmutación, se produce un voltaje d e - p i c o igual a
(V-p 4- Vp) , y luego va decreciendo a medida que el conden_
sador C va. cargándose.
Obsérvese que la carga del con-
densador O es de forma lineal,' es decir que la corriente
aproximadamente-es constante, hecho que se supuso en. el..
diseño del circuito.
Luego de que el condensador C se
carga, se apaga TH2 y durante el tiempo tp el voltaje en
el motor es O voltios, hasta volverse a repetir el ciclo.
Si se integra en un período el voltaje sobre la carga,
se obtiene el voltaje medio aplicado al motor, en este
caso se ha obtenido V mea -^ 23 V.
Para esta condición
Foto 3.1
Voltaje en el motor
V med = 2 3 V ; I L = 1 J 4 A ; S = 620 rpm
Escala.vertical: 20 V/div.
Escala horizontal: 0,5 mseg/div,
se obtuvieron por 'lectura directa, los valores, S = 620
rpm, V med = 23 V, IV "= 1,4 A.
En la foto 3*2, se indica también la forma de
onda de'voltaje en el motor, pero -para otra condición de
velocidad y corriente de carga'.
Como se puede observar,
el tiempo tn se ha incrementado respecto a la foto ;>.!,
por consiguiente el voltaje medio en el motor es mayor;
haciendo la integración aproximada, se tiene que V med =
41 V.
Se puede observar, también que el tiempo de conmu-
tación, es decir durante la carga de C para esta condición disminuye resp.ecto. a la condición anterior.
Esto
Foto 3.2
Voltaje en el motor
V med = 41,5 V; I L "= 2,3 A; S' = 990 rprn
Escala vertical: 20 V/div.
Escala horizontal: 0,5 mseg/div.
se debe a que el valor de la corriente de carga se ha au
mentado.
Las lecturas obtenidas son:
Y med ~ 4-1,5 V, Ij = 2,3 A.
S - 990 rpm,
Pare, las mismas condiciones
de velocidad y corriente de carga de la foto 3.2, se obtuvo el voltaje en los bornes del condensador de conmuta
ción C, lo que se i-ndica en la foto 3.3.
Se observa claramente en esta forma de onda
que en el momento de conmutación,, la carga del condensador es de forma lineal-,.- debido a que la corriente es
constante, en cambio el momento en que se invierte la p_o
laridad de .0 debido al activado de TH1, tiene una forma-
_^+_H_:__
M i l
l i l i
-W-+
•t-M-
-+
- Foto
3.3
Yoltaje en el condensador C
Y raed - 41,5 V; IL = 2,3 A; S = 990 rpm
Escala vertical: 20 V/div.
Escala horizontal: 0,1 mseg/divt
sinusoidal (durante un semiperíodo)", luego de lo cual y
debido a Dp, se queda cargado has.ta que se produzca la
nueva conmutación. . Lavparga del condensador va desde
60 V a - 56 V, aproximadamente," lo que confirma que en
el circuito resonante formado por L2, D 2 »
c»
las pérdi-
das óhmnicas no.tienen mayor influencia en el valor del
voltaje a que se carga C.
En la foto 3.4 se indica la forma de la corriente por la rama formada por L 2 i- D 2 J G -
Tja
í"0™3- C2.
rresponde al semiperíodo de una forma sinusoidal, que se
produce al momento -de activado de THl.,
Como el. voltaje
Tn
L
.
Fot o,. 3-.4
Corriente por el diodo de inversión 1)2
Vmed=41,5 V; 1^=2,3 A; ñ-990-rprn; R=0,l.a
Escala vert. sup. :-50 V/div, ; inf.rl V/div.
Escala horizontal: 0,5 mseg/div.
visto so"bre una resistencia de 0,1 A » la"corriente pico
o
por la rama, es de aproximadamente 20' A; en el capítulo
de diseño se calculó una corriente de 6 A, pero según la
información obtenida, se puede deducir que el valor d e
las pérdidas óhmnicas influyen apreciablemente en el valor de la corriente pico, por lo que se justifica que se
asuman corrientes transitorias 5 veces mayor que la calculada sin tomar en cuenta las pérdidas para la selec-'
ción del diodo DpEn la foto 3.5 se indica la forma de la corrien
te por el tiristor TH1.
La forma que se observa nos in-
dica que el momento del activado de TH1, se presenta el
- -- = - •
Foto 3.5
Corriente por el tiristor rsrin
V med=41,5~V: lL=2,3 A; S=qgo rprn; R^O^jx
Esctvert..sup. : 50 V/div. : irif. : 200 mV/div.
Escala horizontal: 0,5 mseg/div,
transitorio de corriente por la rama C, I^j Ü2J' es
¿ecir
la corriente que se muestra_en: la foto anterior y luego .
de lo cual la..corriente es la de- carga. - Para esta fotografía se ha obtenido el voltaje a través de una resistencia de 0,1^1, por-lo aue se deduce que la corriente
de carga es de alrededor de 2 t 5 A. (Amplitud)
En la foto 3.6 se muestra la forma de la corriente por el tiristor auxiliar TH2." 'Como se observa,
la corriente por TH2 se mantiene durante el tiempo de
conmutación, siendo el flanco anterior "brusco y el poste
rior tiene una variación más lenta, -en vista de que la corriente del motor comienza a circular por el diodo vo-
Poto 3*6
Corriente ñor el tiristor auxjliar TH2
- .y-med=41,5" V; 11=2,3 A; 3=990 rpm; R=0,1 £L
Escala vert.sup.:50 V/div; inf.:?OQmY/áiv.
Escala horizontal: -0,5 mseg/-div.
lante
D n_L * " El voltaje que se observa, cae sobre una resis
•
—*
tencia de -0,1 _á , por lo tanto la corriente es de aproximadamente 2,3;.?,. (Amplitud)
.
En la foto 3.7 se muestra la corriente que suministra la fuente de alimentación, ésta es igual a la
•suma de la corriente que pasa por TH1 y por TH2; como se
anotó en la teoría, la corriente de la fuente es piil-sante.
El .voltaje que se observa .es a través de una resis-
tencia de 0,1 XL , por lo que aproximadamente los picos a e
corriente de la fuente son de ' 2,3 A . _
En la foto 3.8, se indica la corriente por el
.diodo D-^, Como se puede observar la corriente por el dio_
Poto 3*7
-
- ' '
Corriente de la fuente
V rned-41,5 V; 1^2,3-Á: -5=990 rpm; 3=0;]AEscala vert,sup.:50 Y/div,; iní.:"0t? V/áiv.
Escala horizontal= O , 5 . mseg/div.
do D-, , está presente durante el tiempo t^ y dependiendo
del valor de-és.te.-la corriente-es-aproximadamente cons.-.. tante-..
El valor de la resistencia utilizada para obte-
ner esta forma de onda fue de 0,1-O-, por lo que los picos de corriente son de aproximadamente 2,3 A.
En la foto 3,9 se presenta la forma de onda de
la corriente por el motor,
Corrió"s'e enunció en la teoría, la corriente" por
el motor es aproximadamente constante, y es la suma déla corriente suministrada por la fuente más la corriente
por el' diodo I).,,
El voltaje que se 'o o serva es a través
de una resistencia de 0,3-0-, por lo que la corriente por
_i.
::
1111
\r
-----
~~ ~
Poto 3.8
'
.
- • -•
Corriente por el diodo volante Dn .
V med=41,-5 V; 1^=2,3 -A; S-990 . rpffi;S=0, 1JX
.Escala vert/sup. :50 V/Aiv. ; inf.:0,2 V/div,
Escala horizontal: O, 5 mseg-/div.
el motor es de aproximadamente 2,3 A.
Las formas de on-
da" de corriente obtenidas son -para -la-• misma condición de
velocidad, y_cargá : que para la--foto 3.2,
3.1.2
Respuesta Dinámica del Sistema
Con el fin de evaluar las características y ca
lidad del sistema diseñado se realizaron las siguientes
mediciones:
a)
Utilizando el circuito indicado en -la figu
ra 5.1 >y manteniendo el voltaje de referencia, V i ex
- (velo'
cidad requerida) constante, se obtuvieron lecturas del
voltaje medio en el motor (V mecí), velocidad actual
(S-)t
" •
Foto
3.9
Corriente -por el motor
Y rned = 41,5~ Y; lL=2-r3 A; 8=990 rpn; R^O
Escala vert, sup* : 50 V/div...;. ±r\í\ V / d i v ,
Escala h o r i z o n t a l : O , 5 rnseg/div.
corriente del motor ( I TJu )
cíaqd
Vr*f
Circuiro
de contro
actual
La carga utilizada par'a el motor fue un genera
dor con resistencia de salida variable.
• Las lecturas de velocidad se hicieron con un
tacómetro de corriente alterna (T) y las lecturas de corriente y voltaje con instrumentos de corriente continua
' "Los datos obtenidos se anotan en la tabla 3.1,
y la figura 3.2 muestra la familia de curvas a velocidad
constante.
En estas curvas se pueden ubicar los puntos de
trabajo para los cuales se han obtenido las fotos 3.1 y
3,2.
El punto A corresponde a la foto 3-1 y el 3 p. 1.a
foto 3.2.
Como se aprecia, los valores de velocidad y.
voltaje son aproximadamente 1 os mismos que se anotaron •
en el análisis de las fotos mencionadas.
Como se pued e observar en la figura 3. ?, !l ? rei
gulación de velocidad del circuito'no es uniforme( ya
»
que el porcentaje de regulación es"mayor para velocidades requeridas altas.
El porcentaje de regulación (!?) -está definido
•Q - S máx - S mín
S mín
-,00
Para cada curva con voltaje de referencia
(V
f)
constante, se han obtenido los siguientes valores
de porcentaje de regulación:
•- •
t<
DA 3..1
rp
AP"
J- /T.
-' .
Voltaje de
referencia '
Vref (Y)
Tel'o'cidad
S (rpm> =
Voltaje rned io
en el motor
- V mea (V)
Corriente
de ca^^a
j..* j.-^
-Ia=T
T •. rt.
^
1,20
1,30
1 , ¿0
1 , °'0
2,10
2,50
2,90
3,4
: 21,0
.
640
22,0....
630
• - - 3,4
23,0
620
3,4
-'
27,-0
•
3,4
617- •
' 610
- 29,5
32,5
600
3U . . . .
35,0
600
3,4
39,0
"
--••
:/:
-~•
600
3,4 - .
2¿,Q
750
4,0
.
:
"r
28,0
. :
750 : :
4,0
30,0
4,0 ' : " 7 5 0
33,0
74-0
4,0
730
35,3
4,0
"
37,"?""
' ' 740
A,0
"
42,0
:.
. 720.
4,0
!
: ^7,0
. . 710
4,0
: 25,0
800
4,4
: 26,5
-" ' 810 - '
' A, 4
---r:
8
0
0
: 28,5
4,4•
31,0
795 .
,
3¿,0
4 ', A
780 =
•
36,0
780
A, 4 - - -39 5 0
.4,4
765
A,AAl,?'760
4 ¿7?- - 7/10 '
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1 .015 •
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1.200
5,6 -- ¿?,0
1.160
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¿4,5
1.140
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..
.
.¿7.0
:
1.080.
5,6
48,0
.
1.060
. 5,6
. '..
.
.
¿.9,0
970
5,6 •
¿5,0
1.3-^0
5,8
1.260
¿7,5
. 5,8
.
¿8,0
1.200
5,8
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1.150
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50,0
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3. ¿5
1 , 20
1,50
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1 , 60
1,30
2 t 05
2,50
?,65
"3,10
] ,70
1,90
2,15
2,50
2,70
-
'*
;ro
Uí
800
1300
200
300
4oo
500
; 600
| 700
.
i
-1400
/P-iocidqd.
S (rpm)
.
Vref CONSTANTE
;
:
VARIACIÓN DÉLA VELOCIDAD . ; . '
POR LA VARIACIÓN DE LA CARGA
Curva No,
V_~ (V).
R (%*}
x ,4 •
4 ,0
4 ,4
5 ,2
5 ,6 .
5 ,8
.1
2
3
4
5
6
.
6, 6
5, 6
8, 1
14, 4
23, 7
22, 01
En la figura 3.? se observa también que a medi_
da que la velocidad aumenta, el rango permisible d.e variación de la-corriente se hace menor, esta car^cterístj.
ca es debida a las propiedades del motor serie,
b)
Respuesta del tacómetro óptico.
En la fi-
gura 3.3 se muestra la respuesta del tacómetro, de acu'er;
do a la tabla 3.2.
El voltaje se midió en la entrada
del amplificador diferencial'.
TABLA 5.2
Vel ocidad
S (rpm)
Voltaje de
tacómetro V (V)
550
600
700
300
900
1 .000
1 .100
1 .200
1.300
1.400
3 ,QO
4 ilO
4,50
5 ,00
5 ,45
5 ,75
o ,05
6 ,15
6 ,40
6 , ^0
_, w
•
Gomo se observa en esta figura, 1a respuesta
del tacómetro es lineal sólo para el sector do velocidades bajas, para luego volverse cuadrática,
HJstn. forma
Poto 3.11
Variación de la velocidad por varia
ciérrele "la carga en escalón
S rnín =' 750 rpm;' S rnáx ~ 850 rpm
-Escala vert. :~2' V/div. ;. Vref_.==".4 V .
Escala horizontal: 5 seg/div,
Según la foto,...3-10, la corriente varía desde
un valor aproximado a 1 A hasta 3 A.
Para esa variación
de corriente- y como...Vref .== 4 Y, la velocidad inferior c_o
rresponde a 730 -r-pm-aproximadamente (foto 3.11)* y por
lo tanto,... de acuerdo a la escala, la. velocidad superior
es de 850 rpm aproximadamente.
Estos datos son cércenos
a los anotados en la 'tá"bla'3*1*
-
Se observa en la foto 3.11 $ que cuando aumenta
la carga la:velocidad"disminuye pero con un pequeño-so"bretiro, en cambio, cuando la carga disminuye la velocidad sube"a su nuevo valor con un intervalo de-oscilación
amortigxiada de aproximadamente 5 seg.
d) .Con el" mismo circuito, indicado en la figu-.
ra 3.1, manteniendo constan-te.-1-a corriente del motor
(IT), se tomaron, lecturas de velocidad. (:S) para diferentes valores del voltaje.."de referencia (V^
j_ c j.~) . Los resul—
tados obtenidos se presentan en la tabla 3.3 y las 7cur-~ ...
vas" a corriente de carga constante se observan en la figura 3*4.
-
—- - - , . - . . .
-
Corno se puede" apreciar, a medida que la corrien
te del motor sube, el rango de control. disminuye, característica del .sistema prevista al momento del diseño de?_i
do a las propiedades del mo'tor serie.
Cabe serialar cúe"
se na mantenido constante--la. .corriente ce carg^ ¡----ro por control externo " en .la resistencia''^ e" "carga del generador,
e) También se obtuvo .la respuesta dinsmicp del
sistema para variaciones del voltaje "de refer^nci^ (Vre^);
el esouenia del circuito .utilizado, se muestra en IP figu-
al oscí\oscopio
"(AS)
Figura 3-5
. '
v -TABLA' 3. 3
Corriente de
Velocidad
carga • . . q / _ m }
la = IL (A)
°(rpm >
1,2
ij. )Pí—
"1,2
1,2
1,2.
1,2
- 1,5
1,5
• 1.5
1¡5
1,5
1,5
1,5
2,0
•=
2,0
2,0
2,0
2,0
2,0
2,0
2,5
2,5
2,5
2,5 '
2,5 2,5
2,5
3,o~
"
3,0
5,0
3,0
3,0 .
3,0
-
-
660
750
•
-Voltaje de
"referencia
Vref. (V)
3,6
^4,0
4,4
Voltaje medio
en el motor
V med (V)
22,0 2¿,0
26,0
23,0
31,0
830
-920
- ¿,s
5,2
1,040- - 7>7,0
5,6
"1.330
26,0
660 . .
. 3,6
28,0
4,0
750
"50.0
820
4,4
32,0
4,8
920
35,0
5,2 •
1 . 04.0
40^0
5,6
1.220
46.0
1.4405,8
31 ,.0
660
3, -^
740
4,0
33 3 0
830 • ... - - 4,435,5
- ---920
38. 6
4:8
41 ',0
1.030
5,2
1.190
- - - - - - - 5.6
' 45',5
50 r 5
l.AQO
5,3
3,6
35,0
660
740 A.O
37.5
' •- 40,0
810
4,4
4,8
42,5 : ' ' PÍO
45.5
S' ? " " "
1.010
.
•
4°;ó .
1.130
5'; 6
• ^ B
50 , 5
—1.170
-•
:5-70
6íQ
720
810
880
950
?!¿
'
%6
•--4,.0
4,4 = 4,8
5,?
37,5
3Q , 5
.. A2,0
44,=;
^6,5
4Q,Ó
Corriente
DE CONTROL
-,_GOISI CARGA CONSTANTE
l.Sr
12:'1.0-
500
600
700
800
900,
1000 ^ -100 1200 Í300
S (rpm)
Figura 3 * 4
Para estas mediciones el voltaje de referencia
(Vref) se compuso de una parte fija (Vref 1) más una par
te variable (TX^.) -
•
- • Con el voltaje V
" "
^ - = A V y el voltaje vari_a
"ble (1)"re^).de forma sinusoidal (1 V de pico a pico) se
han obtenido las formas de variación de la velocidad para aleunos
valores de frecuencia
de• --IX
-„T
*-*
'
" fs
3n la foto
3.12- (trazo superior) se observa la variación par?, una
frecuencia de 0,05 Hz y en el trazo inferior p^rn una
frecuencia de 0,1 Hz.
Poto 3*12 .
Variación ñe la velocidad por va.
riación del vo]taje de referencia
Vref 1=4 V; yref=l Vpp ; f , f:up .=0 ,OS ?> :
:f". inl". :.OVI" "Hs";S m£n=8ÍO rpm; S máx=-114G r-pm
fí.sc.vert, : 0,1 V/div. ; Esc.hori?,.: ? se^c/div.
Corno se puede observar , 1 a velocidad c.e 1 motor
ma y máxima ootenidas .fueron..en los dos casos 810 yl!40 • "
rpm. respectivamente.
En la foto 3*13, se muestra la
respuesta del "sistema para"frecuencias de O,? Hz y 0,5. Hz
en el trazo superior e...inferior respectivamente.
Variación "de la velocidad ".por variad ór.
del voltaje^ ~cTe referencia
yref= 4 V; lTrp— 1 Vpp; f«si;7K=G,2 Hz;
- 1.30"0 rpm ( trazo sup.) . S rnín :ñ«0 ' rpm;
S máx: í.3¿0 rpm (trazo inf.}*
Esc. vert .sup, -.0,5 V/div* ; inf * :0,2. V/div.
Esc. horizontal : 2 seg/div,
" "• "-Como se: puede apreciar, lá's'áli'da no sigue a.
las variaciones d e - l a entrada como en la foto anterior, ..
Se observa que el sistema responde mas rápidamente a" los
aumentos de-velocidad que a las disminuciones,
Esta pajr
ticularidad se presenta también en.la foto 3.11- Con es
tas frecuencias, las velocidades máximas y mínimas fueron 1.300 rprn y 800 rpm para el traao superior; 1..340 rpm
y 880 rpm para e.l trazo inferior.
Con la información de las fotos 3.12 y 3.13 se
puede deducir que de una forma estimativa, el circuito
responde aceptablemente hasta frecuencias de 0,15 Hz".
,f) Con el voltaje V"r e ~i n j. = 4 V y el' ~ voltaje
varia~*~
" ""
ble 1)"^ ^ en forma de onda cuadrada, de 2 V ae anplituá
total, y período de 16 mseg, se han obtenido las respue_c
tas de la velocidad- del motor, las mismas que se indican
en las fotos 3.14 y 3.15
Foto 3.14
Variación de la velocidad por variación
del voltaje de referencia (onda cuadrada)
^rrefl~ 4 V; "l/ref^ VPP- T=16,6 mseg
S mín=810 rpm; S "máx=l.140 rpm
Esc . vert. :. _2_ Y/div. Esc.horiz, : 2 seg/div
En la foto 3.14 se observa que. la respuesta c_o
de, segundo .orden," el rebase en la transición positiva es
relativamente grande, _y el tiempo de respuesta es pequeño,
' en cambio en la transición negativa el rebase es
menor pero, el tiempo, de respuesta es mayor. La corriente
varió entre 1 A y 1,1 A d.urante está medición.'
Foto
Variación de la velocidad por variación
del voltaje de referencia (ondp cuanrr^n
Vye> l=A Y; iTref- \Vpp. T=l 6 , 6 Tr-r:
S mín = BQO rpn; S rr.áx "= 1 ,0^0 rpm
Ksc.vert. :2 V7dív. ^sc/r.oriz, :2 serj/djv.
En la foto ?.Í3, se observa el mismo tipo de
respuesta, el rebase en la transición positiva e? "mod'pr
do, así como el tiempo de respuesta; en la transición n_
gativa el rebase es mayor así como también el tiempo de
respuesta.
La corriente durante esta medición varió en
tre 1>*1 A y 2,1 A.
La magnitud del rebase depende del
coeficiente d.e amortiguamiento ( S ) ,
el q'ue en este si_s
tema tiene valores diferentes, dependiendo esto del punto
de-trabajo del control... .En efecto,... cuando se 'aumenta la
corriente de carga, 'el punto de trabajo sube a los límites superiores del.rango, debido a las dimensiones de -la
fuente y a las características del motor serie, obtenién
dose un valor de rebase pequeño en las subidas de veloci
dad, y un rebase pronunciado en las disminuciones.- Con
una corriente de carga menor, el punto de trabajo baja,
con lo que las transiciones positivas tienen un a.mplio re
base y en las negativas valores relativamente pequeños. g)
Con el circuito indicado en la figura 3.1,
se obtuvieron las respuestas del sistema para los tr-ans_i
torios de prendido y apagado.
Foto 3,16
Transitorio de la corriente en el prendido
IL = 1 A; Vréf = 4 V ; R = 052.nEsc.vert.: 0,2 V/div. Esc.horiz.:5 seg/div.
En la foto 3.16 se presenta la .corriente por.
estado estable. . La resistencia sobre la que se midió el
voltaje observado es de 0,2_n.'j por lo tanto se deduce
que la corriente de arranque es de aproximadamente 5 A,
siendo la corriente de carga estable de 1 A.
;
Foto 5.;17 -
Velocidad del motor en el prendido
v alagado
IL = 1 A; V?ef = 4 V
:.
Escala vertical : 5 V/div*
Escala horizontal : 5 seg/div.
En la foto 3,17 se observa la respuesta de la
velocidad del--motor para la carga .anterior (1 A), con. un
voltaje de referencia
(^re-f) ¿e 4 V, en el intervalo .del
.prendido, estado .estable y apagando.
En el momento del a
rranque, se aplica una fxinción e:scalón
en la entrada
(V" «) teniendo la señal de salida (Velocidad) un valor
x ref'
•
inicial nulop se puede calcular aproximadamente el coefi_
tema.
—
El porcen-ta5-e.de rebase (R) es función de la
velocidad pico (Sp) y el valor estable de velocidad (Sf)r
/ /- y
. .
y "está definido por, °'
" - - - - ----
:
-
sf
- Para-"la respuesta presentada en la foto 3*17-,
s e tiene,
.............
Sp - 3,8
Sf - 2
: - . . ; . . ...r
. .. .
y por lo t an t o
— p L.
.... p . ._ "^-^. 1ñ °
•2 '
t
100
— 90^
El porcent3,¿e. .d_e rebase, es.-función del coeficiente de amortiguamiento ( £ ),
R = 100 6
de donde,
R
R
Para este caso, con R - PO ,
6r = .,In 100
• R
qo
¿T = 0,033 .
La frecuencia ce oscilación propia del sistema
- -
•
está definida por,
f rí ^ '
'
.
•
'(3.4)
TT
donde, t máx es el tiempo : en-el cual se produce el rebase máximo, para este, caso, t máx ^1,6 seg, por lo tanto
= 1.Q6 ££
1,6 ^ 1 - (0,033)?
Foto 3.18
Transitorio de ; la corriente en el
pr en 3 id. o
IL - 1,65 A;. V^ef - A - V ; R - 0,2-0.
Escala vertical: O,? V/div.
Escala horizontal": 5 se^/n iv/
Sn la foto 3.18 -se presenta la corriente de
carga desde el momento del arranque, la corriente en estado estable para este caso es de 1,65 .4, la corriente
de .arranque es como en el caso anterior de 5 A.
En la foto 3-19 se observa la respuesta de velocidad para el arranque.,- e/st-ado estable y apagado del
Foto 3.19
Velocidad del motor- en el prendido
y a regaño
TL - 1,65 A; Vref - 4 V '
escala vertical:- 5 ._Y/div.
Escala horizontal: 5 seg/div.
circuito "con -Vre^ ---4 V, 1
1,65 A.
Como se observa, el rebase ef? menor" y utilizan
do (3-1) 3 (3.3) y (3*4),-adoptando Sp ^o,3; Sf = 2;
t máx = 1 , 2 seg, se obtienen los simientes valores.
R = 655í
¿ - 0,13
'
_
U Í n = 2,64 |
|
|
• -•
.
-
.
& C-o
De los resultados obtenidos se deduce nue el
coeficiente aniortiguamiento es' dependiente del punto de
'trabajo del circuito de control, hecho que ya se anotó
en 3.1 f*
Se aprecia también que en el apagado",' el tiempo de decaimiento de la velocidad es dependiente de las
constantes mecánicas del motor y .de su carga -dinámica
(generador).
3.2
'
Análisis de los Resultados
La estabilidad del .sistema es una caraoterísti
ca muy importante en los sistemas de control.
Con el ob
jeto de obtener un circuito estable dentro del rango» se
ha logrado implementar un sistema con características
predominantes de segundo grado, como indican los resulta
dos. experimentales obtenidos»
-
Para obtener un control con una me^or regulación de velocidad, es necesario tener una conversión velocidad-voltaje (tacóraetró) ' linea.l dentro cel rar:f~o.
Para obtener un sistema con un rango de control mis arnpl i o, es n e c e sari o c ornan d ar al c: i rcu i t o t r o ceador por el método de variación de ancho de pulso y de
frecuencia, eo decir con el tipo ce control descrito en
1,2.3.
'
. - - - ' "
Las supo si clone s que se hi c i eron en el monten t o
del d i s en o- en cuan to a la corriente de ca rga constante
durante" todo el intervalo y por lo tantn la -f-nerr-.n contra electromotriz inducida dependiente só.lo de la velocji
dad,
son suposiciones aceptables para la ircpl ementad ón
de un sistema sin . exigencias mayores.
De otra •*'or::u*, el
análisis al momento d el' diseño j rr.pl i caria la resolución
-•de ecuaciones diferenciales no lineales por métodos nurné
ricos, hecho _que solo se justifica cuando la exactitud
( o \l sistema lo demande, '
El sistema no re-sponde a variaciones muy rápidas de la señal de comando, por lo que se reafirma el he
'cho de que este tipo de motor y de, control se lo utiliza
en aplicaciones de tracción en-las que no se necesitan
anchos de "banda, amplios.
3.5
C on c1us i on es y R e c om end ac i one $
El sistema-de control diseñado según las medi-
ciones y el análisis correspondiente ha trabajado satisfactoriamente , con las limitaciones y caraoteríóticas
previstas.
-....
Siner.oargo, se puede construir este rr.ie^o cir-
cuito de tal .forma que de más exactitud y vers^i"1 i'lpo
en el control.! utilizando elementos de cor.raitacior. r^pitía en el circuito de potencia e implemortando los cire-ú
tos de control-con técnicas digitales que proporcionar,
"mayor conflabilidad y exactitud a este tipo de? circuitos.
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