CIRCUITO CHOPPER EN PUENTE ACCIONANDO UN MOTOR DE...

Control de Máquinas Eléctricas

CIRCUITO CHOPPER EN PUENTE

ACCIONANDO UN MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA LAZO ABIERTO

Referencia: práctica nº5 del manual de prácticas de Alecop “Aplicaciones de los transistores de

potencia. TP-200”.

1 OBJETIVO. Estudiado en cursos anteriores el funcionamiento del circuito chopper en puente, en este momento se aplicará el circuito al accionamiento de un motor de corriente continua. En esta práctica se accionará el motor en lazo abierto, variando velocidad, cambiando el sentido de giro y frenado. NO será un accionamiento regulado, que será objeto de prácticas posteriores.

2 INTRODUCCIÓN.

2.1 El motor de corriente continua. Es una máquina que, con gran diferencia sobre las demás (máquina síncrona y asíncrona), permite variar la velocidad en un amplio margen mediante procedimientos relativamente sencillos. Por este motivo, pese a sus inconvenientes (coste, mantenimiento, necesidad de fuente de continua) sigue utilizándose en accionamientos eléctricos de velocidad variable. Los motores de corriente continua industriales son de excitación independiente. El circuito equivalente de la máquina de cc se muestra en la figura, siendo las ecuaciones básicas de funcionamiento:

M Ω T

Ub

I

Φ Ub

I

Φ E +-

Ri

E = km · Φ · Ω T = km · Φ · I Ub = E + Ri · I

Φ es el flujo por polo (Wb) I es la corriente de inducido (A) Ub es la tensión en bornes del motor (V) Ri es la resistencia del inducido (W) Ω es la velocidad de giro (rad/s) T es el par desarrollado por el motor (Nm) km es una constante que depende de la máquina

Motor de Corriente Continua Página 1 de 12


De las ecuaciones anteriores se deduce:

( )T

kRi

kUb

mm

⋅Φ⋅

−Φ⋅

=Ω 2

En el caso de una máquina con excitación independiente, el Φ no depende del régimen de funcionamiento, por lo que podemos suponer constante km · Φ = k.

TkRi

kUb

⋅−=Ω 2

Teniendo esto en cuenta, podemos concluir que la característica velocidad-par de una máquina de corriente continua con excitación independiente será una recta como la que se muestra en la figura. La velocidad Ω0 en vacío vendrá determinada por la tensión Ub en vacío y el Φ, descendiendo la velocidad cuando la carga aumenta.

Ω (rad/s)

Ω0

T (Nm)

2.1.1 Operación en cuatro cuadrantes del motor de cc de excitación independiente. En muchas ocasiones es necesario un accionamiento variable con posibilidad de dos sentidos de giro y con posibilidad de frenar, devolviendo energía mecánica a la fuente de energía eléctrica. La siguiente figura muestra las posibilidades de una fuente de tensión Ub, fuerzas electromotrices E y las corrientes en el inducido I que existen en la máquina de cc para obtener las diferentes operaciones en cuatro cuadrantes.



Ω T

Ub

I

+ -

Rr

E + -

FRENADO

Ω T

Ub

I

+ -

Ri

E +-

TRACCIÓN

Ω T

Ub

I + -

Ri

E + -

TRACCIÓN

Ω T

Ub

I + -

Rr

E +-

FRENADO

Ω

T

Las variables Ub, E e I son tomadas positivas para la máquina traccionando en sentido directo (cuadrante 1). El par y la velocidad serán positivos en este cuadrante.

E > 0 La máquina gira en sentido directo. E < 0 La máquina gira en sentido inverso. I > 0 La máquina realiza par en sentido directo. I < 0 La máquina realiza par en sentido inverso.

Cuando se opera en el cuadrante 2, la máquina estará frenando con giro en sentido directo. La fuerza electromotriz E es positiva porque el motor sigue girando en sentido directo, pero la tensión en bornes Ub es inferior a E.

0<−

=Ri

EUbI

La corriente I será entregada por la máquina a la fuente. Se invierte el sentido del par respecto al cuadrante 1, siendo par y velocidad contrarios, la máquina frena. Cuando la máquina gira en sentido inverso y la tensión Ub es negativa, siendo /Ub/ > /E/, la corriente I será negativa y, por tanto, la máquina estará traccionando, girando en sentido inverso. Cuadrante 3. Cuando se opera en el cuadrante 4, la máquina estará frenando con giro en sentido inverso. La fuerza electromotriz E es negativa, y /Ub/ < /E/



Cuadrantes de operación Polarización de la fuente de tensión

Dirección de la corriente

Tracción en sentido directo Cuadrante 1 Directa + Positiva +

Frenado en sentido directo Cuadrante 2 Directa + Negativa -

Tracción en sentido inverso Cuadrante 3 Inversa - Negativa -

Frenado en sentido inverso Cuadrante 4 Inversa - Positiva +

2.2 Chopper en puente accionando un motor cc en cuatro cuadrantes. En cursos anteriores se ha descrito el funcionamiento de esta configuración de chopper con una carga pasiva. Se estudió como es posible obtener tensiones y corrientes bidireccionales, variando la relación α (Ton/T). Se alimenta en cada periodo las bases de T1 y T4 durante un tiempo α·T, y las bases de T2 y T3 durante el resto del periodo (1-α)·T.

La tensión Ub viene determinada por el control de transistores α, de tal manera que:

( )12 −⋅= αUsUb La corriente vendrá determinada por la demanda de carga. El motor absorberá la corriente necesaria para vencer el par resistente. Así pues, el valor medio de corriente del motor dependerá de la necesidad de par:

RiEUbI )(Ω−

=

El rizado de la corriente vendrá determinado por la inductancia del motor.



2.2.1 Tracción en sentido directo. Cuadrante 1. La tensión y la corriente correspondiente a este modo de funcionamiento se muestra en la siguiente figura. Para trabajar en este cuadrante se emplea α > 0.5, de manera que Ub es > 0. Se excita T1 y T durante un tiempo α·T, que conducirán una corriente exponencial creciente que busca el valor

con una constante de tiempo L/Ri. Se excita T4

( ) RiEUs /− 2 y T3 durante un tiempo (1-α)·T, y bloquean T1 y T4. La carga inductiva determina la conducción por los diodos volantes D y D de los transistores excitados. Una corriente exponencial decreciente que busca el valor con una constante de tiempo L/Ri.

2 3

( ) RiEUs /+−

T1 T2 T1 T2 T1 T2T4 T3 T4 T3 T4 T3

Transistores excitados

Ub medUs

-Us I med

I

Ub

I T1 T4

I T2 T3

I D2 D3

I D1 D4

IS

T1

T4T

Ω

+

-

+ -Us

Is

D2

D3

T

Ω

+

-

+-

Us

Is



2.2.2 Tracción en sentido inverso. Cuadrante 3. La tensión y la corriente correspondiente a este modo de funcionamiento se muestra en la siguiente figura. Para trabajar en este cuadrante se emplea α < 0.5, de manera que Ub es < 0. La situación es similar a la anterior pero en sentido inverso.

T1 T2 T1 T2 T1 T2T4 T3 T4 T3 T4 T3


Ub med

E

-E

I med

I

Ub

I T2 T3

I T1 T4

I D2 D3

I D1 D4

Ii

T2

T3

T

Ω

+

-

+- Us

Is

D1

D4

+

-

-+ Us

Is

T Ω



2.2.3 Frenado en sentido directo. Cuadrante 2. La tensión y la corriente correspondiente a este modo de funcionamiento se muestra en la siguiente figura. Para trabajar en este cuadrante se emplea α > 0.5, de manera que Ub es > 0. Pero se reduce ligeramente α, de forma que E sea mayor que Ub. Al cambiar el sentido de la corriente respecto del cuadrante 1, la corriente circulara por los transistores T2 y T3 durante un tiempo, y por los diodos volantes D1 y D4 el resto del tiempo.

T1 T2 T1 T2 T1 T2T4 T3 T4 T3 T4 T3


Ub medUs

-Us

I med

I

Ub

I T2 T3

I T1 T4

I D1 D4

I D2 D3

IS

T2

T3

T

Ω

+

-

+- Us

Is

D1

D

+

-

-+ Us

Is

T Ω



2.2.4 Frenado en sentido inverso. Cuadrante 4. La tensión y la corriente correspondiente a este modo de funcionamiento se muestra en la siguiente figura. Para trabajar en este cuadrante se emplea α < 0.5, de manera que Ub es < 0. La situación es similar a la anterior pero en sentido inverso.

T1 T2 T1 T2 T1 T2T4 T3 T4 T3 T4 T3


Ub med

Us

-Us

I med

I

Ub

I T1 T4

I T2 T3

I D2 D3

I D1 D4

IS

T1

T4T

Ω

+

-

+ -Us

Is

D2

D3

T

Ω

+

-

+-

Us

Is



3 REALIZACIÓN.

3.1 Material. Módulo SNG 200 Generador de señales de consigna. Nos proporcionará una señal de

consigna que determinará el valor de α. 2 módulos RAMA 200 Cada uno de ellos tiene dos transistores de potencia con sus

correspondientes circuitos de excitación y sus diodos flotantes. Estos dos módulos nos permitirán configurar el chopper en puente.

Módulo ALI 200 Una módulo rectificador que nos proporcionará la tensión continua Us. Módulo ALI 700 Una fuente de ±15V que alimenta los bastidores de Alecop. Alimentará a

los módulos que conforman el circuito de control. Transformador TRF 200 Módulo transformador de aislamiento. Alimenta a la fuente de potencia

ALI-200 consiguiendo un aislamiento galvánico entre la tensión de red y la del circuito de potencia.

Módulo PWM 200 Este módulo es un generador de señales. Nos proporcionará una señal

de control cuadrada para la excitación de los transistores. Podremos modificar el periodo de la señal T, y podremos modificar la relación α en función de la consigna dada por el módulo SNG 200.

Módulo SEGURIDAD 200 Este módulo se encarga de adaptar y proteger las señales que entrarán

en los módulos de potencia. Módulo MEDIDAS Este módulo nos permitirá adaptar las señales para realizar registros de

corriente con el osciloscopio. Dinamo tacométrica Nos permitirá realizar una medida de la velocidad de giro del motor. Cargas TP 200 Este módulo nos permitirá añadir una carga en serie con el motor para

limitar los valores de corriente. 2 motores AL 1006 Uno de los motores será el que utilicemos para el estudio, el otro lo

utilizaremos como carga mecánica, frenando o arrastrando al motor que estudiamos.



3.1.1 Circuito de control.

0V

ALI 700

1A ON

-15V

+15V

OFF

xxxV 50/60Hz

RESET

-0+

CE

CR

V/S

+

-

CM

-10 +10

0

0V

SNG 200

10

1010

Sen( -120)α

Sen( -120)α

Sen( -240)α

Sen( -240)α

Sen( )α

Sen( )α

Sen( )α

CONTROL TRIFASICO

CONTROL MONOFASICO

OSCILADORGENERATOR

TRIPHASIC CONTROL

MONOPHASIC CONTROL

10V

16xF

T1-T2

T3-T4

T5-T6

8070

90

60

2030

10

5040

6

89

7

10

54

23

V0

1

Vref.

0 100F

T1-T2

T3-T4-1

Vref.

0V

PWM 200

0V

360

352

343335

327

318

310

F1

F2

F3

Imax.

F1

F3

F2

MV

MI

Vmax.

>1

SEGURIDAD 200

RAMA 200

DESBLOQUEORESET

RAMA-200ALARMA

ALI-200 MV

Realizar el montaje indicado en la figura para obtener las señales necesarias de control del

chopper. Conectar la fuente de alimentación de control ±15V.

Situar una tensión de referencia del módulo de consignas SNG 200 en un valor de +5V.

Registrar con el osciloscopio las señales del módulo PWM 200 (la señal triangular, la señal de

consigna, y las salidas T1-T2 y T3-T4). Calcular el valor del coeficiente α = Ton/T.



3.1.2 Circuito de Potencia.

TRF 200

L110A

230V

10A 230V

PE

OFFON

230V 50/60 Hz

N

10A

U-V-W

1-2- 3F

230V

RAMA 200

ALARMA

ALARM 10A

U-V-W

1-2- 3F

230V

RAMA 200

ALARMA

ALARM

MVV

310V

10A

10A

230V

ALI 200

Ø12.5

Ø12.5

Ø12.5

Ø12.5

Ø2.7 Ø2.7

Ø2.7

Ø2.7

Ø2.7

Ø2.7

Ø2.7

0V

MEDIDA

V

V

IV

10Amax

600Vmax

0.01V/V

0.1V/V

10V/A

1V/A

0.5V/A

MI

AL MÓDULO SEG-200

72200W

Ω72 200W

Ω

72200W

Ω72 200W

Ω A

V

CARGA TP-200

100 /1000W Ω

Realizar el montaje indicado en la figura mediante los módulos RAMA 200, ALI 200 y TRF 200. Utilizar los puentes de seguridad para unir los puntos positivo y negativo, y para los bornes de la red de alterna.

Conectar como carga del chopper un motor de corriente continua AL1006, una inductancia de 30mH y el reostato de 100W a la máxima resistencia (del módulo TP 200). El reostato protegerá al motor de una variación brusca de la tensión en bornes en el mismo, que provocaría una sobrecorriente. En esta práctica, al variar la consigna se debe mantener el reostato con resistencia.

Conectar las señales del circuito de control al circuito de potencia (salidas del módulo de

SEGURIDAD 200 CR y CS a los módulos RAMA 200 T1-T2 y T3-T4).

3.1.3 Puesta en marcha. Generar señal de control con una frecuencia de 1kHz y un α=0,5.

Conectar a la red el módulo ALI 200 y observar que los indicadores 220V están encendidos.

Conectar la fuente de 310V, y variar α hasta obtener 0,75.

Eliminar progresivamente la resistencia del reostato hasta anularla.



Medir la tensión y la corriente media del motor mediante el polímetro. Medir la velocidad. Observar con el osciloscopio, mediante uno de los captadores del módulo RECTIF 200, la tensión

y la corriente de carga, y medir el rizado de la corriente (desconectar previamente la fuente 310V).

Observar con el osciloscopio, mediante uno de los captadores del módulo RECTIF 200, la

corriente que circula por los puentes de seguridad (desconectar previamente la fuente 310V). Comprobar que se obtiene la corriente entregada por la fuente, la corriente por los transistores y la corriente por los diodos.

Colocar el reostato a su máxima resistencia y variar el valor de α a 0,25. Eliminar

progresivamente la resistencia del reostato. Repetir los registros y medidas de tensión y corriente de carga, y las corrientes de la fuente, de los transistores y los diodos.

3.1.4 Carga mecánica del motor. En las condiciones del último apartado (α=0,25) cargamos mecánicamente el motor acoplando

sobre el mismo eje otro motor de corriente continua que hará de generador, alimentando una carga de 72Ω.

G

A

B

C D

+ -

Resistencias de 72W del módulo de cargas TP 200

Medir los nuevos valores de tensión, corriente y velocidad. Comparar los resultados con los del

apartado anterior y justifica la diferencia. Modificar la relación α ligeramente hasta conseguir recuperar la velocidad del apartado anterior

(se debe modificar α muy suavemente ya que el reostato está a cero, por lo que hay riesgo de sobrecorrientes).

3.1.5 Influencia de la frecuencia y la carga mecánica sobre la tensión y corriente de carga. Realizaremos las siguientes medidas para tres casos:

Gráfica de tensión en la carga. Tensión media en la carga. Gráfica de corriente en la carga. Corriente media en la carga. Rizado de la corriente en la carga.

Caso A: frecuencia 1kHz, α=0.8, resistencia generador 72W.

Caso B: frecuencia 1kHz, α =0.8, resistencia generador 172W.

Caso C: frecuencia 500Hz, α =0.8, resistencia generador 172W.


CIRCUITO CHOPPER EN PUENTE ACCIONANDO UN MOTOR DE...

Documents

Transcript of CIRCUITO CHOPPER EN PUENTE ACCIONANDO UN MOTOR DE...