File - Laboratorio de Electrónica

Motores, generadores, y controles
Unidad 1 – Familiarización con el tablero de circuitos
UNIDAD 1 – FAMILIARIZACIÓN CON ELTABLERO DE CIRCUITOS
OBJETIVO DE LA UNIDAD
Al completar la unidad, usted será capaz de localizar, describir y operar varios bloques de
circuitos y componentes en su tablero de circuitos. Será capaz de demostrar las funciones básicas
del tablero de circuitos.
FUNDAMENTOS DE LA UNIDAD
Cinco bloques de circuitos conforman el tablero de MOTORES, GENERADORES Y
CONTROLES
El bloque de Circuitos de motores CC (DC MOTOR CIRCUITS) contiene los circuitos de
posicionamiento y de control de velocidad del motor de CD.
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Motores, generadores, y controles
Unidad 1 – Familiarización con el tablero de circuitos
El bloque de circuitos DESFASADOR (PHASE SHIFTER) genera las señales de dos fases y
los circuitos controladores necesarios para el motor paso a paso (stepper motor) y el motor
sincrónico de CA (ac synchronous motor).
El bloque de circuitos Motor CA (AC MOTOR) contiene un oscilador de frecuencia variable para
el control de velocidad del motor sincrónico de CA.
El bloque de circuitos Tacómetro (TACH) ofrece un nivel de CD proporcional a la velocidad del
motor en los ejercicios de control de velocidad.
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Motores, generadores, y controles
Unidad 1 – Familiarización con el tablero de circuitos
El bloque de circuitos Motor pasoa paso (STEPPER MOTOR) contiene un contador para
introducir el número de pasos, para ser tomado por el motor paso a paso y un oscilador de
frecuencia variable para el control de velocidad.
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Motores, generadores, y controles
Unidad 1 – Familiarización con el tablero de circuitos
Todos los motores funcionan en base a los principios magnéticos de atracción de polos opuestos
y de repulsión de polos iguales. En los motores estos principios son utilizados para generar
movimiento giratorio.
Sobre el soporte de motores hay tres diferentes tipos de motores:
MOTOR DE CD
MOTOR A PASOS (PASO A PASO)
MOTOR SINCRONICO DE CA
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Motores, generadores, y controles
Unidad 1 – Familiarización con el tablero de circuitos
Hay varios tipos de motores de CD. El tipo de motor de CD se reconoce por el tipo de campo
magnético empleado. El motor de CD en este tablero de circuitos es un tipo de imán permanente,
puesto que el campo es un imán permanente. La armadura en todos los motores de CD es un
electroimán. Otros motores de CD usan un electroimán para el campo.
Hay 3 configuraciones primarias de motores de CD, que emplean electroimanes para el campo:
en serie, en derivación (shunt), y compuesta. Cada tipo tiene diferentes características de
velocidad y de torsión (torque).
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Motores, generadores, y controles
Unidad 1 – Familiarización con el tablero de circuitos
El motor en serie tiene el devanado de campo conectado en serie con la armadura. Tiene una
buena torsión (torque) de arranque, pero pobre regulación de velocidad contra la carga.
El motor en derivación (shunt) tiene el devanado de campo conectado en derivación o paralelo
con la armadura. Tiene una pobre torsión de arranque pero buena regulación de velocidad con
una carga cambiante.
El motor compuesto tiene un devanado de campo en serie con la armadura y un devanado de
campo en derivación o paralelo con ella. Estas características son una composición de las otras
dos configuraciones. Así que, posee una mejor torsión de arranque que el motor en derivación y
una mejor regulación de velocidad que el motor en serie.
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Motores, generadores, y controles
Unidad 1 – Familiarización con el tablero de circuitos
El tablero de circuitos también tiene un motor sincrónico de CA. El motor sincrónico de CA es
similar al motor de CD de imán permanente, volteado de adentro hacia fuera. El rotor es un
imán permanente y los campos son electroimanes.
El motor sincrónico de CA es un motor de dos fases. Tiene dos devanados de campo que
requieren dos señales 90° fuera de fase una con otra. El rotor está constituido de un imán
permanente. La velocidad del motor está determinada por el número de polos magnéticos en el
rotor y la frecuencia de la señal de entrada.
El motor paso a paso es muy similar al motor sincrónico de CA. Este también tiene dos
devanados de campo y un rotor de imán permanente. Sin embargo, está diseñado para operar por
inversión secuencial de la polaridad del voltaje, a través de cada devanado, una a la vez. El motor
toma un paso cada vez que el voltaje es invertido a través de uno de sus devanados. La cantidad
de movimiento angular para cada paso es muy precisa. Esto hace que el motor paso a paso sea
muy utilizado para aplicaciones de posicionamiento.
NUEVOS TÉRMINOS Y PALABRAS
motor paso a paso - un dispositivo que convierte un pulso eléctrico en un paso angular.
motor sincrónico de CA - un motor de CA cuya velocidad es exactamente proporcional a la
frecuencia del voltaje de CA.
armadura - la parte giratoria de un motor, que consta de una bobina o bobinas devanadas en un
núcleo de hierro laminado. En un motor de CD la armadura y el rotor son lo mismo.
rotor - es la parte giratoria de un motor, incluyendo el eje.
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Motores, generadores, y controles
Unidad 1 – Familiarización con el tablero de circuitos
Ejercicio 1 – Familiarización circuitos de Motor de CD
OBJETIVO DEL EJERCICIO
Después de completar este ejercicio, usted será capaz de localizar y operar los diversos circuitos
en el bloque Circuitos de motores CC (DC MOTOR CIRCUITS). Será capaz de demostrar las
diferentes funciones del Motor de CD.
DISCUSIÓN DEL EJERCICIO
• el soporte de tablero de circuitos tiene motores sincrónicos de CA, de CD y de paso a paso.
• hay un potenciómetro sensible a la posición conectado a la polea grande sobre el soporte.
• el motor de CD es empleado para accionar este potenciómetro, conectando la correa de
transmisión entre la polea grande y la polea del motor de CD.
• si el motor de CA es accionado a través de correa de transmisión por el motor de CD,
entonces el motor de CA se puede utilizar como generador.
• cuando la salida de Motor de CA (AC MOTOR) está conectada a la entrada del Tacómetro
(TACH INPUT), el circuito Tacómetro emite un voltaje de CD que es proporcional a la
velocidad.
• la señal Salida del Tacómetro (TACH OUT) resulta ser la señal de retroalimentación para los
circuitos de control de velocidad del motor de CD de lazo cerrado.
• el bloque Circuitos de motores CC (DC MOTORS CIRCUITS) contiene los circuitos
empleados para controlar la posición o la velocidad del motor de CD usando control
modulado de ancho de pulso (PWM) o analógico.
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Motores, generadores, y controles
Unidad 1 – Familiarización con el tablero de circuitos
Ejercicio 2 – Circuitos Motor paso a paso y Motor de CA
OBJETIVO DEL EJERCICIO
Después de completar este ejercicio, usted será capaz de localizar y operar los diversos circuitos
en los bloques de circuito Desfasador (PHASE SHIFTER), Motor paso a paso (STEPPER
MOTOR) y Motor CA (AC MOTOR). Será capaz de demostrar las diferentes funciones del
circuito del motor.
DISCUSIÓN DEL EJERCICIO
• el bloque de circuitos Desfasador (PHASE SHIFTER) genera 2 señales de onda cuadrada 90˚
fuera de fase.
• el interruptor de dirección controla la dirección de la rotación, mediante el ajuste de la
relación adelanto/retraso entre la fase 1 y la fase 2.
• la entrada al Desfasador (Phase Shifter) puede ser, ya sea, el circuito de control de velocidad
Motor CA (AC MOTOR) o el circuito Motor paso a paso (STEPPER MOTOR).
• el Motor de CA (CA Motor) y el Motor paso a paso (Stepper Motor) son motores de dos
fases.
• el interruptor MANUAL/COMPUTADORA (MANUAL/CMPTR) selecciona entre el control
manual o el control de la computadora del circuito Motor paso a paso.
• el modo de computadora se emplea con un ejercicio opcional y requiere el tablero de
circuitos MICROPROCESADOR de 32 BIT.
• el modo manual emplea los interruptores de datos y el botón Arranque (START) en el tablero
de circuitos para controlar el Motor paso a paso.
• el circuito de control Motor paso a paso puede solamente aceptar 7 bits desde el interruptor.
• el número de pasos es introducido en binario en los 7 interruptores más bajos.
• cuando el botón de Arranque es presionado, el contenido del interruptor es cargado en el
contador y visualizado en los LEDs.
• cuando el botón de Arranque es liberado, el Motor paso a paso mueve un paso para cada
conteo.
• el motor se mueve 7.5 grados para cada paso o 48 pasos para una revolución.
• el circuito de control de velocidad del MOTOR DE CA es un oscilador de frecuencia
variable.
• la velocidad de un motor sincrónico de CA está determinada por la frecuencia de las señales
que lo accionan.
• La salida del circuito de control de velocidad del Motor de CA está conectada al Desfasador
(Phase Shifter) para generar las dos fases requeridas para accionar el Motor de CA.
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Motores, generadores, y controles
Unidad 2 – Posicionamiento del Motor de CD
UNIDAD 2 – POSICIONAMIENTO DEL MOTOR DE CD
OBJETIVO DE LA UNIDAD
Cuando complete esta unidad, será capaz de describir los sistemas de posicionamiento de ancho
de pulso modulado y analógico. Utilizará el bloque Circuitos de motores CC (DC MOTOR
CIRCUITS) del tablero de circuitos Motores, Generadores y Controles (MOTORS,
GENERATORS AND CONTROLS).
Empleará el Motor CD (DC MOTOR) para accionar la polea grande en el potenciómetro sensor
de posición.
FUNDAMENTOS DE LA UNIDAD
Este es el diagrama de bloque de un servomecanismo. Es un sistema de control de
retroalimentación empleado para controlar una posición mecánica. La posición angular de la
polea es controlada para que se iguale a la posición angular del control Ajuste de posición
(POSITION SET). El Motor de CD (DC MOTOR) es empleado como el servomotor y está
enlazado mecánicamente al control Sensor de la posición (POSITION SENSE) por una correa y
una polea.
Este tipo de sistema de posicionamiento es un sistema de lazo cerrado, debido a que una señal de
retroalimentación es comparada a una señal de referencia. Los potenciómetros son usados como
transductores mecánicos a eléctricos.
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Motores, generadores, y controles
Unidad 2 – Posicionamiento del Motor de CD
Una señal de error se genera al sumar las señales Ajuste de posición (POSITION SET) y Sensora
de la posición (POSITION SENSE). Como ellas son de polaridades opuestas, al sumarlas se
produce la diferencia. La señal de error es amplificada y empleada para hacer funcionar el motor
en una dirección hasta reducir la señal de error. Hay dos técnicas empleadas en el tablero de
circuitos para amplificar la señal de error y controlar el motor.
La primera técnica es con un amplificador lineal, donde la señal de error es amplificada a un
nivel suficiente para operar el Motor de CD (DC MOTOR).
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Motores, generadores, y controles
Unidad 2 – Posicionamiento del Motor de CD
La segunda técnica es con un amplificador de ancho de pulso modulado (PWM). En este caso la
señal de error es utilizada para modular el ancho de una señal pulsada. La señal de error controla
el valor promedio de la forma de onda pulsada a la cual responde el Motor de CD.
La principal ventaja de un sistema pulsado, sobre un sistema lineal es que la potencia que el
circuito controlador del Motor de CD (DC MOTOR) debe manejar se ve reducida enormemente.
NUEVOS TÉRMINOS Y PALABRAS
Ninguna
EQUIPO REQUIERDO
Unidad base de FACET.
Tablero de circuitos MOTORES, GENERADORES Y CONTROLES
Multímetro
Osciloscopio de doble trazo
Generador de onda senoidal
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Motores, generadores, y controles
Unidad 2 – Posicionamiento del Motor de CD
Ejercicio 1 – Posicionamiento del Motor de CD Analógico
OBJETIVO DEL EJERCICIO
Al completar este ejercicio, usted será capaz de describir la operación de un sistema de
posicionamiento analógico. Verificará sus resultados con un osciloscopio.
DISCUSIÓN DEL EJERCICIO
• el sistema de posicionamiento del Motor de CD tiene cinco componentes básicos: ajuste de
posición, sensor de la posición, unión sumadora, amplificador y motor de CD
• el potenciómetro sensor de la posición usa la polea grande que es accionada por el motor de
CD
• el potenciómetro de ajuste de posición es el dispositivo de entrada empleado para controlar la
posición deseada del dispositivo de salida
• los voltajes de salida de los potenciómetros de ajuste de posición y sensor de la posición
tienen polaridades opuestas
• la unión sumadora produce una señal de diferencia que resulta de agregar los voltajes de los
dos potenciómetros
• la señal de diferencia (error) es amplificada para accionar el motor a la posición correcta
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Motores, generadores, y controles
Unidad 2 – Posicionamiento del Motor de CD
Ejercicio 2 – Posicionamiento del Motor de CA con PWM
OBJETIVO DEL EJERCICIO
Al completar este ejercicio, usted será capaz de describir la operación de un sistema de
posicionamiento con ancho de pulso modulado. Verificará sus resultados con un osciloscopio.
DISCUSIÓN DEL EJERCICIO
• el posicionador con ancho de pulso modulado (PWM) genera una señal de error, al sumar las
señales de Ajuste de posición (POSITION SET) y Sensor de la posición (POSITION SENSE)
• la señal de error es, luego, amplificada junto con una onda triangular
• la salida del comparador conmuta entre +15 y -15V
• cuando el voltaje de error es cero, la salida del comparador tiene una relación de 50%
establecimiento su valor promedio en cero
• el motor de CD responde a su voltaje promedio, haciéndolo quedar en reposo cuando la
entrada tiene una relación de 50%
• cambiando la señal de error cambia la desviación de CD de la señal triangular
• la señal triangular desfasada cambia la razón de salida del comparador la cual controla el
motor de CD
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Motores, generadores, y controles
Unidad 3 – Control de velocidad del Motor de CD
UNIDAD 3 – CONTROL DE VELOCIDAD DEL MOTOR DE CD
OBJETIVO DE LA UNIDAD
Al completar la unidad, usted será capaz de describir y demostrar los factores eléctricos y
mecánicos que afectan la regulación de la velocidad del motor de CD. Demostrará el control de
velocidad de lazo abierto y de lazo cerrado, empleando circuitos lineales y por pulsos.
FUNDAMENTOS DE LA UNIDAD
Un motor de CD de imán permanente consta de: imanes de campo (field magnets), devanados
de armadura (armature windings), colector o conmutador (commutator), escobillas del colector o
del conmutador (commutator brushes). Cada una de las escobillas del conmutador se conecta a
un segmento del conmutador. El devanado de armadura completa el circuito entre los
segmentos del conmutador, permitiendo que la corriente fluya.
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Motores, generadores, y controles
Unidad 3 – Control de velocidad del Motor de CD
La corriente de la armadura crea un campo magnético alrededor de los devanados de la
armadura. Este campo magnético interactúa con el campo magnético generado por los imanes de
campo, produciendo torsión o torque (T).
El momento de torsión o torque de la armadura es directamente proporcional al campo
magnético de la armadura y por lo tanto a la corriente de la armadura (IA). La relación del
momento de torsión o de torque por ampere de la corriente de armadura es la constante de
torsión o de torque (Kt) del motor. Para motores pequeños, la constante de torsión o de torque
es expresada en metros milinewton por amperio (mNm/A).
Cuando se produce suficiente torsión o torque para superar la carga mecánica del motor, la
armadura girará.
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Motores, generadores, y controles
Unidad 3 – Control de velocidad del Motor de CD
Las escobillas del conmutador conmutan la dirección de la corriente para mantener los campos
magnéticos ayudando a la rotación de la armadura.
Mientras la armadura gira, sus devanados pasan a través del campo magnético producido por los
imanes de campo. Se genera una fuerza contra electromotriz (fcem). La fcem se opone al
voltaje aplicado (Va). La velocidad angular en la dirección contraria del sentido de giro del reloj
(representada por rpm) dividida entre la fcem producida (Vfcem), es la constante de velocidad
del motor (KS = rpm/Vfcem). El motor funciona en la velocidad donde la fcem (rpmccw/KS)
más la pérdida resistiva del motor (Ia x R) es igual a Va.
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Motores, generadores, y controles
Unidad 3 – Control de velocidad del Motor de CD
El devanado de la armadura y las escobillas del motor presentan resistencia a la corriente del
motor. Esta resistencia total es la resistencia terminal (Rt) del motor.
Este motor está funcionando con Va = 10V y Ia = 100 mA. La caída del voltaje resistivo es:
Vfcem = Va - (Ia x Rt); 4.28V = 0.1A x 42.8Ω. La fcem es igual a: 5.72V = 10 - 4.28. La
velocidad se calcula usando la constante de velocidad del motor:
Vfcem = Va - (Ia x Rt)
rpm = Vfcem x KS
5.72V x 173 = 990 rpm
rpm = (Va - (Ia x Rt)) x Ks
La carga del motor fue incrementada para que Ia = 200 mA. El voltaje aplicado no cambió
(Va = 10V).
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Motores, generadores, y controles
Unidad 3 – Control de velocidad del Motor de CD
Muchas aplicaciones del motor requieren de RPM constante, mientras controlan una carga
variable. Los circuitos de control de velocidad del motor ajustan el voltaje aplicado para
controlar las rpm del motor.
NUEVOS TÉRMINOS Y PALABRAS
imán permanente - un material magnético que retiene su magnetismo de modo indefinido.
armadura - el elemento móvil en un dispositivo electromecánico, tal como la parte giratoria de
un generador o de un motor.
conmutador - los segmentos conductores dispuestos en la armadura para propósitos de la
conmutación de la dirección del flujo de la corriente.
escobillas del conmutador - son los elementos conductores que se montan en el conmutador,
para proporcionar la conexión eléctrica para la armadura.
segmentos del conmutador - es una porción conductiva del conmutador aislada de los segmentos
adyacentes.
constante de torsión o de torque (Kt) - la relación entre la torsión generada por el motor y la
corriente. La constante de torsión es especificada por el fabricante del motor.
fuerza contra electromotriz (fcem) - el voltaje desarrollado en las bobinas del motor, al cruzar
campos magnéticos. La polaridad de este voltaje es en todo momento opuesta al voltaje aplicado.
constante de velocidad - el cociente entre la velocidad del motor (RPM) y el voltaje inducido
(cemf). La constante de velocidad es especificada por el fabricante.
resistencia terminal (Rt) - la oposición al flujo de corriente que un dispositivo presenta entre sus
terminales de conexión eléctrica.
control de lazo abierto - un sistema de control que no emplea retroalimentación para modificar
su salida.
control de lazo cerrado - un sistema de control que utiliza retroalimentación para ajustar su
salida.
tacómetro - un dispositivo acoplado a la maquinaria giratoria que emite un voltaje o frecuencia,
el cual es proporcional a la velocidad de rotación (RPM).
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Motores, generadores, y controles
Unidad 3 – Control de velocidad del Motor de CD
controlador de modo de pulso - un circuito de control que controla el valor efectivo de su salida,
ajustando el ciclo de servicio de los pulsos de amplitud fijados.
modulador de ancho de pulso - un circuito de de control de modo de pulso que varía su ancho
de pulso para ajustar su salida efectiva de voltaje o corriente.
factor de servicio (PW/T) - la relación entre la duración del pulso (PW) con el período (T).
voltaje efectivo - el voltaje de CD que desarrolla el mismo trabajo que algunas otras formas de
onda.
amplitud del pulso - el nivel o magnitud de un voltaje o corriente de pulso.
devanado de armadura - son las bobinas de alambre aislado enrolladas en la armadura.
torsión o torque (T) - la acción de torcedura o de flexión generada por una fuerza aplicada a un
brazo de momento. La unidad SI para la torsión es el metro Newton (Nm).
punto de ajuste - la salida de un sistema de control cuando está operando con un error cero.
EQUIPO REQUIERDO
Unidad base de FACET.
Tablero de circuitos Motores, Generadores y Controles
Multímetro
Osciloscopio de doble trazo
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Motores, generadores, y controles
Unidad 3 – Control de velocidad del Motor de CD
Ejercicio 1 – Control de velocidad analógico
OBJETIVO DEL EJERCICIO
Al completar este ejercicio, usted será capaz de:
Demostrar la interacción entre la corriente de la armadura y el par de torsión (torque) en un
motor de CD.
Demostrar la interacción entre el voltaje de la armadura y las rpm en un motor de CD.
Demostrar y comparar los circuitos de control de velocidad del motor de CD lineal de lazo
cerrado y de lazo abierto.
DISCUSIÓN DEL EJERCICIO
• el control de lazo abierto usa un voltaje fijo para ajustar la velocidad del motor para una
carga de torque especifico
• el voltaje (Va) que se necesita para girar la carga es la fcem (rpm/Ks) más la caída de voltaje
Ia x Rt
• sustituyendo T/Kt por la corriente de armadura (Ia) se produce: Va = (rpm/ Ks) + ((T/Kt) x Rt)
• los circuitos de control de lazo cerrado miden las rpm del motor y ajustan el voltaje del motor
para mantener una velocidad estable
• el tacómetro (TACH) produce un voltaje que es proporcional a las rpm del motor.
• el voltaje de referencia (VREF-) representa las rpm deseadas
• la diferencia entre las rpm indicadas por el TACH y las rpm deseadas es amplificada y
utilizada para controlar el motor
• si el motor se retrasa, la salida del TACH disminuye
• la diferencia entre la salida del TACH y VREF se aumenta, incrementando el voltaje del motor
y corrigiendo las rpm
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Motores, generadores, y controles
Unidad 3 – Control de velocidad del Motor de CD
Ejercicio 2 – Control de velocidad por pulsos
OBJETIVO DEL EJERCICIO
Al finalizar este ejercicio será capaz de:
Describir cómo un control de modo pulso puede ahorrar potencia.
Comparar la operación básica de los circuitos de lazo cerrado de control de modo de pulso y
analógico.
Demostrar la operación de un circuito de control de velocidad de modo de pulso.
DISCUSIÓN DEL EJERCICIO
• el amplificador de potencia en un sistema de control de motor lineal puede consumir una
porción grande de la potencia del sistema
• la pérdida de potencia en el amplificador es potencia que no se entrega al motor
• la potencia aplicada al motor (Pa) es igual a la corriente del motor (Ia) por el voltaje aplicado
•
•
•
•
•
•
•
•
(Va)
la pérdida de potencia en el transistor de salida del amplificador (Pt) es la caída de voltaje del
transistor de salida (Vs – Va) por la corriente aplicada (Ia)
el controlador de modo de pulso emplea el mismo amplificador de potencia y un suministro
de -15V
el transistor del amplificador es activado y desactivado para proporcionar una salida efectiva
de -100mA, equivalente a -6.5V
cuando el transistor está activado, se aplica -13V al motor. Cuando el transistor está
desactivado, no fluye la corriente
el amplificador consume menos potencia cuando se emplea el control del modo de pulso
debido a que la caída de voltaje es menor [Vs – Va(activado)]
un modulador de ancho de pulso ajusta al factor de servicio (PW/T) de salida para controlar
el promedio o voltaje de CD efectivo
el voltaje CD efectivo es igual a la amplitud del pulso (Vpulse) por el factor de servicio o
factor de trabajo (PW/T)
el motor es accionado por los pulsos como si este fuera suministrado con el voltaje de CD
efectivo (Va)
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Motores, generadores, y controles
Unidad 4 – Control del motor sincrónico de CA
UNIDAD 4 – CONTROL DEL MOTOR SINCRÓNICO DE CA
OBJETIVO DE LA UNIDAD
Al completar esta unidad, será capaz de describir y demostrar los factores eléctricos y mecánicos
que afectan a los motores y generadores de CA. Demostrará el control de velocidad de un motor
sincrónico de dos fases (bifásico) y utilizará un Motor de CA como un generador.
FUNDAMENTOS DE LA UNIDAD
Los Motores Sincrónicos de CA son construidos como al revés de los motores de CD de imán
permanente. El motor de CD tiene un electroimán giratorio (armadura) rodeado por imanes
permanentes fijos. El motor de CA tiene un imán permanente giratorio rodeado por un
electroimán fijo.
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Motores, generadores, y controles
Unidad 4 – Control del motor sincrónico de CA
El imán permanente giratorio es llamado rotor. El electroimán fijo es el estator.
La corriente de la fuente de potencia magnetiza el estator, estableciendo la polaridad magnética
de los polos del estator. La interacción magnética entre los polos del rotor y el estator causa una
torsión en el rotor. La intensidad de la corriente del estator define la fuerza del campo magnético
y por lo tanto la torsión o torque del rotor.
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Motores, generadores, y controles
Unidad 4 – Control del motor sincrónico de CA
El rotor gira cuando suficiente torsión es producida para superar su carga mecánica. Cuando el
suministro de CA es cero, el estator pierde su campo magnético. El momento del rotor lleva a
los polos del rotor más allá de los polos del estator.
La corriente invertida invierte la polaridad magnética de los polos del estator. Los polos del
rotor, que se han movido más allá de los polos del estator, serán impulsados en la dirección de la
rotación.
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Motores, generadores, y controles
Unidad 4 – Control del motor sincrónico de CA
Los motores sincrónicos de CA sólo pueden producir torsión cuando la velocidad del rotor se
iguala a los cambios en el campo magnético del estator.
El tiempo requerido para acelerar el rotor es determinado por su inercia y la torsión del motor.
El tiempo disponible para poder acelerar el rotor es determinado por el período de CA. Las
cargas de inercia pueden impedir la aceleración del rotor, al pasar el polo del estator antes de que
el campo del estator se adelante. Si el rotor no puede mantenerse al ritmo con los campos del
estator, se detiene.
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Motores, generadores, y controles
Unidad 4 – Control del motor sincrónico de CA
El motor es sincrónico cuando el rotor gira con el campo magnético del estator. La velocidad
sincrónica del motor (rpm) se calcula, usando la frecuencia de la CA (f) y el número de polos del
estator (P). rpm = 120f/P
En un motor de inducción de CA, el imán permanente es reemplazado por un electroimán. El
núcleo del rotor está rodeado por barras eléctricamente conductoras. En cada extremo del rotor,
las barras conductoras están interconectadas entre ellas por los anillos de terminal.
La corriente es inducida en las barras conductoras del rotor por la acción transformadora entre el
rotor y el estator. La corriente del rotor inducido ocasiona que el rotor produzca un campo
magnético. El campo magnético del rotor cambia con el campo del estator, produciendo torsión
cuando las rpm están por debajo de la velocidad sincrónica.
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Motores, generadores, y controles
Unidad 4 – Control del motor sincrónico de CA
Los motores de inducción siempre funcionan por debajo de la velocidad sincrónica, mientras
que los motores sincrónicos siempre funcionan a la velocidad sincrónica.
La corriente del estator es cero dos veces en cada ciclo. Sin un campo de estator, el rotor no
produce torsión. Los motores de CA de fase única o monofásica, emplean sus momentos para
continuar girando, hasta que la corriente del estator sea restaurada. Arrancar un motor
monofásico requiere un impulso adicional para establecer el momento del rotor.
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Motores, generadores, y controles
Unidad 4 – Control del motor sincrónico de CA
Los motores de CA de dos fases o bifásicos son accionados con dos corrientes, desfasadas 90°.
La fase A potencia, en forma alternada, un polo del estator y otro no. La fase B potencia la otra
serie de polos. Cuando la fase A está en 0, la fase B está proporcionando torsión para la carga.
Las fases alternan como si dos motores sincrónicos monofásicos estuvieran compartiendo el
mismo rotor.
Las dos fases proporcionan la acción requerida para iniciar la rotación del rotor. La dirección en
la cual giran los campos del estator, determina la dirección en la cual el rotor gira. El orden en el
cual cada fase conmuta su corriente, determina la dirección de la rotación del campo del estator.
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Motores, generadores, y controles
Unidad 4 – Control del motor sincrónico de CA
La potencia bifásica puede ser obtenida de la potencia monofásica, colocando un condensador en
serie con uno de los devanados del estator. El valor del condensador es seleccionado de tal forma
que las corrientes en los devanados del estator estén 90° fuera de fase.
Los motores de condensador de arranque utilizan un juego de polos de arranque para llevar al
motor hasta su velocidad. Un interruptor centrífugo desconecta el condensador a las rpm preajustadas, con lo que se evita el sobrecalentamiento de los polos de arranque.
NUEVOS TÉRMINOS Y PALABRAS
dos fases (bifásico) - dos formas de onda de CA separadas que tienen la misma amplitud y
frecuencia y están separadas por un ángulo de fase.
motores sincrónicos de CA - motores potenciados por CA, donde la velocidad promedio es
proporcional a la frecuencia de operación: rpm = (120 x f)/p.
rotor - es la parte giratoria de un motor o máquina.
estator - son los circuitos magnéticos estacionarios de un motor.
momento - la velocidad angular (rpm) multiplicada por el momento de inercia.
inercia - la propiedad de la materia que se resiste al cambio en el movimiento.
fase única o monofásico- una forma de onda de CA única.
motores de condensador de arranque - motores de CA monofásicos, los cuales arrancan
empleando un devanado en serie con un capacitor. El devanado auxiliar se desconecta después
de alcanzada la velocidad de funcionamiento.
polos de arranque - los polos del estator bobinados con un devanado auxiliar que son solamente
usados mientras el motor está arrancando.
interruptor centrífugo - un interruptor montado en eje, que abre o cierra en una velocidad de eje
preestablecida (rpm).
máquina de estado - un circuito lógico donde su estado de salida actual es usado para determinar
su siguiente estado de salida.
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Motores, generadores, y controles
Unidad 4 – Control del motor sincrónico de CA
Ejercicio 1 – Control de frecuencia variable
OBJETIVO DEL EJERCICIO
Al completar este ejercicio será capaz de:
•
•
•
•
demostrar la operación de un motor sincrónico de CA de dos fases (bifásico)
controlar la velocidad de un motor sincrónico de CA, variando su frecuencia
describir la operación de un circuito de control de frecuencia variable de dos fases
verificar la velocidad del motor sincrónico de CA, empleando la acción de generador de un
motor de imán permanente de CD
DISCUSIÓN DEL EJERCICIO
• el motor de CA sincrónico de 24 polos es accionado por un controlador de motor de CA
bifásico de frecuencia variable con cuatro bloques funcionales.
• el bloque Control de velocidad del motor de CA (AC MOTOR SPEED CONTROL) contiene
un oscilador de frecuencia variable (Base de tiempo) que ajusta la frecuencia del sistema y
por lo tanto, las rpm del motor de CA (24 polos).
• el Desfasador (PHASE SHIFTER) produce dos ondas cuadradas que están desfasadas en 90˚,
controlando la dirección del motor de CA
• amplificadores de potencia separados controlan las bobinas del estator del motor de CA
• una correa conecta mecánicamente a los dos motores
• cada revolución de la polea del motor de CA hace girar a la polea del motor de CD en tres
revoluciones
• la armadura del motor de CD gira entre sus imanes de campo, generando fem.
• el voltaje de salida del motor de CD (Vcdm) y su constante de velocidad (Ks) serán utilizadas
para calcular las rpm del motor de CD (rpmcd). rpmcd = 173 x Vcdm
• las rpm del motor de CA (rpmca) son 1/3 de las rpm del motor de CD rpmcd = (173 x Vcdm)/3
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Motores, generadores, y controles
Unidad 4 – Control del motor sincrónico de CA
Ejercicio 2 – El generador como tacómetro
OBJETIVO DEL EJERCICIO
Al completar este ejercicio, usted será capaz de:
•
•
•
demostrar la operación de un generador de CA bifásico (de dos fases)
demostrar la operación de un detector de pico
usar un generador de CA y un detector de pico para medir rpm
DISCUSIÓN DEL EJERCICIO
• cuando un conductor cruza una línea de flujo magnético, se induce un voltaje
• el voltaje inducido es proporcional al número de líneas de flujo magnético que el conductor
cruza por cada segundo
• la polaridad del voltaje inducido está determinada por la polaridad del campo magnético y la
dirección del movimiento relativo
• la fuerza requerida para ocasionar el movimiento es proporcional a la corriente inducida que
el conductor esta conduciendo
• los generadores emplean estos principios para transformar la rotación mecánica en potencia
eléctrica
• girando un conductor en un campo magnético fijo, se induce un voltaje que varia en amplitud
y polaridad. Girando el campo magnético cerca a un conductor tiene el mismo efecto
• el conmutador en un generador de CD conmuta las conexiones de la armadura de manera que
el voltaje producido en las escobillas es siempre de la misma polaridad
• los generadores de CA permiten que la polaridad del voltaje de salida cambie cuando la
rotación invierte el campo magnético
• el número de líneas de flujo que cruzan el conductor en cada revolución está determinado por
la fuerza del campo magnético y la construcción de la bobina
• cuando se utiliza un campo magnético constante, la relación de la velocidad (rpm) contra el
voltaje generado (Vg) es una constante (Ks = rpm/Vg)
• la relación de la torsión (T) requerida para hacer girar el generador versus la corriente del
generador (Ig) es también una constante (Kt = T/Ig)
• la resistencia en las conexiones del generador y los devanados es la resistencia terminal (Rt)
• la frecuencia (f) de la CA inducida para un generador sincrónico está determinada por el
número de polos del estator (P) y las rpm del rotor [f = (rpm x P)/120]
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Motores, generadores, y controles
Unidad 5 – Motor a pasos y controlador
UNIDAD 5 – MOTOR A PASOS Y CONTROLADOR
OBJETIVO DE LA UNIDAD
Al completar esta unidad, usted será capaz de demostrar un motor a pasos (stepper motor) y su
controlador de lazo abierto. El Motor a pasos, también es denominado como Motor paso a paso,
motor PaP, y motor de pasos.
FUNDAMENTOS DE LA UNIDAD
El motor a pasos proporciona el control exacto de la posición sin el uso de retroalimentación.
Convierte pulsos eléctricos en movimientos o pasos mecánicos precisos.
El controlador del motor a pasos es un controlador de lazo abierto. Ninguna retroalimentación es
proporcionada desde la salida. Mientras los motores convencionales giran continuamente, un
motor a pasos se mueve por pasos. Se mueve un paso por cada pulso de entrada eléctrico. Esta
característica facilita la interface con electrónica digital.
Existen muchos tipos de construcción de motor a pasos, el más común es el tipo de imán
permanente. Con este tipo de construcción el rotor es un imán permanente, dentro de un estator
de 2 fases. El motor toma un paso cuando se invierte la polaridad de una de las dos bobinas del
estator.
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Motores, generadores, y controles
Unidad 5 – Motor a pasos y controlador
Con la electrónica digital, la posición del eje mecánico de un motor a pasos (Stepper Motor) se
puede cambiar fácilmente, mediante el control del número de pulsos enviados al motor. Un pulso
de entrada mueve un paso al motor de pasos. El posicionamiento preciso se puede conseguir sin
utilizar retroalimentación para detectar la posición del eje.
NUEVOS TÉRMINOS Y PALABRAS
Ninguna
EQUIPO REQUIERDO
Unidad base de FACET.
Tablero de circuitos MOTORES, GENERADORES Y CONTROLES
Multímetro
Osciloscopio de doble trazo
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Motores, generadores, y controles
Unidad 5 – Motor a pasos y controlador
Ejercicio 1 – El Motor paso a paso
OBJETIVO DEL EJERCICIO
Al completar este ejercicio, usted será capaz de describir la operación básica de un motor de
pasos (PaP), o motor paso a paso.
DISCUSIÓN DEL EJERCICIO
• el rotor del motor está en posición de bloqueado magnéticamente
• un motor paso a paso bifásico tiene dos devanados de estator
• las señales de control del motor están 90 grados fuera de fase
• los dos devanados del estator no pueden cambiar la polaridad al mismo tiempo
• invirtiendo la polaridad de un devanado del estator se mueve el motor un paso
• un motor paso a paso con un par de polos requiere cuatro pasos para realizar una revolución
• el motor de 12 pares de polos en el tablero de circuitos se mueve en pasos de 7.5 grados
• la secuencia del cambio de polaridad controla la dirección de los pasos
• el circuito Desfasador (Phase Shifter) proporciona la secuencia requerida para controlar las
dos fases del motor
• la etapa de salida de cada fase proporciona la corriente requerida para accionar el motor
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Motores, generadores, y controles
Unidad 5 – Motor a pasos y controlador
Ejercicio 2 – El controlador del Motor a pasos
OBJETIVO DEL EJERCICIO
Al completar este ejercicio, usted será capaz de describir un controlador del motor a pasos de
lazo abierto.
DISCUSIÓN DEL EJERCICIO
• el interruptor Manual/Computadora (MANUAL/CMPTR) controla un multiplexor, el cual
selecciona una fuente para las entradas del controlador
• la entrada del controlador manual consta de siete interruptores de entrada de datos, el
interruptor de dirección y el botón INICIO (Start)
• en el modo Computadora (CMPTR) el MICROPORCESADOR DE 32 BIT genera las
entradas del controlador
• los siete interruptores de entrada binarias pueden introducir un conteo de pasos entre 0 y 127
de base decimal
• cuando el botón INICIO (Start)es presionado, la señal inicial para el contador va a alto, lo
cual carga el contador con el número de pasos
• cuando el botón INICIO es liberado, el contador cuenta en forma descendente a cero,
produciendo un pulso por cada cuenta
• el Desfasador (Phase Shifter) mueve el motor un paso por cada pulso recibido del contador
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Motores, generadores, y controles
Apéndice A – Seguridad
APÉNDICE A – SEGURIDAD
La seguridad es responsabilidad de todos. Todos deben cooperar para crear el ambiente de
trabajo lo más seguro posible. A los estudiantes se les debe recordar el daño potencial y darles
las reglas de seguridad de sentido común e instrucción de seguir las reglas de seguridad eléctrica.
Cualquier ambiente puede ser peligroso cuando no es familiar. El laboratorio basado en
computadoras de FACET puede ser un ambiente nuevo para algunos estudiantes. Instruya a los
estudiantes en el uso adecuado de los equipos de FACET y explíqueles qué comportamiento se
espera de ellos en este laboratorio. Es responsabilidad del profesor proporcionar la introducción
necesaria al ambiente de estudio y a los equipos. Esta tarea evitará daños tanto a los estudiantes
como a los equipos.
El voltaje y corriente utilizados en el laboratorio basado en computadoras FACET son, en sí
mismos, inofensivos para una persona sana y normal. Sin embargo, un choque eléctrico que
llegue por sorpresa es incómodo y puede causar una reacción que podría crear daño. Se debe
asegurar que los estudiantes tengan en cuenta las siguientes reglas de seguridad eléctrica.
1. Apague la alimentación de potencia antes de trabajar en un circuito.
2. Confirme siempre que el circuito está cableado correctamente antes de encenderlo. Si se
requiere, haga que su profesor revise el cableado de su circuito.
3. Desarrolle los experimentos siguiendo las instrucciones: no se desvíe de la documentación.
4. Nunca toque cables “energizados” con sus manos o con herramientas.
5. Siempre sostenga las terminales de prueba por sus sus áreas aisladas.
6. Tenga en cuenta que algunos componentes se pueden calentar mucho durante la operación.
(Sin embargo, esta no es una condición normal para el equipo de su curso FACET.) Permita
siempre que los componentes se enfríen antes de proceder a tocarlos o retirarlos del circuito.
7. No trabaje sin supervisión. Asegúrese que hay alguien cerca para cortar la potencia y proveer
primeros auxilios en caso de un accidente.
8. Desconecte los cables de potencia por la toma, no halando del cable. Revise que el
aislamiento no esté agrietado o roto en el cable.
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