MÁQUINAS ELÉCTRICAS

5/28/2018 MQUINAS ELCTRICAS

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MAQUINAS ELECTRICAS

Ing. Luca Ospina S


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MQUINAS ELCTRICAS

Mquinas ElctricasMquinas de

Corriente

Alterna

El Transformador

Sncronas

Asncronas

Mquinas de

CorrienteContinua

La Dinamo

El Motor de CCMotores paso a paso

Servos

Anlogos y Digitales


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CONCEPTOSPREVIOSPARAELTRANSFORMADOR


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Si en lugar de un imn permanente elflujo magntico es creado por unacorriente alterna sinusoidal, la

variacin de flujo producida por estacorriente es sinusoidal. Entoncesteniendo en cuenta esto ycomparndolo con el caso anterior

tendremos:


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En todos los casos el valor de la f. e. m. inducida vale:



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ELTRANSFORMADORIDEAL


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ANALOGA


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ELTRANSFORMADORREAL


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ELTRANSFORMADORREAL


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ELTRANSFORMADORREAL. DIAGRAMAVECTORIAL


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ELTRANSFORMADORREAL. CIRCUITOEQUIVALENTE


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ELTRANSFORMADORREAL. CIRCUITOEQUIVALENTE


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IMPEDANCIANOMINAL


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ELDIAGRAMADEKAPP


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ELDIAGRAMADEKAPP


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CADADETENSIN


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ELDIAGRAMADEKAPP


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ENSAYOENCORTOCIRCUITO


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TENSINDECORTOCIRCUITO


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CORTOCIRCUITOACCIDENTAL


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ENSAYOENVACO


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BALANCEDEPOTENCIAS


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RENDIMIENTO

En la figura vemos la curva del rendimiento de un transformador con diferentescargas y cos fi.


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VALORESTPICOSDEDIFERENTESTRANSFORMADORES


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NDICEDECARGA: CADADETENSINYRENDIMIENTO


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REDUCCINDELPRIMARIOALSECUNDARIOYVICEVERSA


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Lo visto para el transformador monofsico es aplicable a cada fase del trifsico


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TRANSFORMACINMEDIANTETRESTRANSFORMADORESMONOFSICOS


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Un sistema trifsico se puede transformarempleando 3 transformadores monofsicos. Loscircuitos magnticos son completamenteindependientes.

Otra posibilidad es la de utilizar un solotransformador trifsico compuesto de un niconcleo magntico en el que se han dispuesto tres

columnas sobre las que sitan los bobinadosprimario y secundario de cada una de las fases,constituyendo esto un transformador trifsico.

TRANSFORMACINMEDIANTETRESTRANSFORMADORESMONOFSICOS


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TRANSFORMADORTRIFSICO

La transformacin se hace mediante untransformador trifsico, con un ncleo comn, ver(fig. A). Se puede suprimir la columna central (fig.B).

Como en su construccin, los transformadores seconstruyen con las tres columnas en un mismoplano (fig. C)


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En un transformador trifsico cada columna est formada por

un transformador monofsico.


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CONEXIONES

Para relacionar las tensiones y las corrientes

primarias con los secundarios, no basta en lossistemas trifsicos con la relacin detransformacin, sino que se debe indicar losdesfases relativos entre las tensiones de una misma

fase entre el lado de Alta Tensin y el de BajaTensin. Una manera de establecer estos desfasesconsiste en construir los diagramas fasoriales detensiones y corrientes, conociendo la conexin enbaja y alta tensin (estrella, tringulo), laspolaridades de los bobinados en un mismo circuitomagntico o fase, y las designaciones de losbornes.


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CONEXIONES

Los tres bobinados, tanto del primario como delsecundario, se pueden conectar de diversasformas, siendo las siguientes algunas de las msfrecuentes:


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CONEXIONESENESTRELLA(Y)


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CONEXIONESENTRINGULO(D)


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CONEXIONESENZIG-ZAG(Z)


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Todos los bobinados montados sobre una misma

columna abrazan en cada instante el mismo flujocomn F y con el fin de precisar el sentido de lasf.e.m. suponemos que el sentido de arrollamiento delas bobinas primarias y secundarias es el mismo. Si

designamos con la misma letra los terminaleshomlogos en cuanto a polaridad instantnea dedos cualesquiera de estos bobinados montadossobre la misma columna, los vectoresrepresentativos de las f.e.m. respectivos sepresentaran como se indica a continuacin.

CONEXIONESENZIG-ZAG(Z) - NDICEHORARIO

C Z (Z)


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Dependiendo del tipo de conexin, las tensiones

simples del primario y del secundario pueden noestar en fase, cosa que siempre ocurre en lostransformadores monofsicos. Para indicar eldesfase existente entre las tensiones simples, sesuele utilizar el llamado ndice horario, expresadoen mltiplos de 30 (ngulo entre dos horasconsecutivas, 360/12=30 ).


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El conocimiento del desfase (ndice horario) es muyimportante cuando se han de conectartransformadores en paralelo, dado que entonces,todos los transformadores deben tener el mismondice horario, para evitar que puedan producirsecorrientes de circulacin entre los transformadorescuando se realice la conexin.

C Z (Z)


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A continuacin veremos algunas de las formas ms

frecuentes de conexin (el desfase se obtienemultiplicando el numero que acompaa la denominacinpor 30, ejemplo: en Yy6 el desfase es 6*30=180):

Conexin Relacin de transformacin

VFP= Tensin fase primario;

VFS= tensin fase secundario; VLP=Tensin lnea primario;

VLS= tensin lnea secundario

C Z (Z)


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VFP/ VFS= mVLP/ VLS= (3 * VFP) / (3 * VFS) = m

C Z (Z)


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VFP/ VFS= mVLP/ VLS= (3 * VFP) / (3 * VFS) = m

CO O S Z G G (Z)


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VFP/ VFS= mVLP= VFPVLS= VFS ;VLP/VLS =VFP/ VFS

CONEXIONES EN ZIG ZAG (Z)


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VFP/ VFS= mVLP/ VLS= (3 * VFP) / VFSVLP/VLS =3 *m



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VFP/ VFS= mVLP/ VLS= VFP / (3 * VFS)VLP/VLS =m /3



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VFP/ VFS= mVLP/ VLS= 3 VFP / (3 3 VFS/2 )VLP/VLS =2m /3

TABLADENDICESHORARIOS


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RENDIMIENTO


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RENDIMIENTO

El rendimiento energtico del transformador a lolargo de un periodo de tiempo tt en el que est entensin, mientras que en ese tiempo suministraenerga un tiempo tc es:


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ACOPLAMIENTODETRANSFORMADORESTRIFSICOSENPARALELO

ACOPLAMIENTO DE TRANSFORMADORES TRIFSICOS EN


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ACOPLAMIENTODETRANSFORMADORESTRIFSICOSENPARALELO


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MAQUINAS ELECTRICAS SINCRONAS


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CAMPOMAGNTICODELESTATOR


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MOTORENVACO


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Si a un alternador trifsico se le retira la mquinamotriz y se alimenta su estator mediante un sistematrifsico de C. A. se genera en el estator un campomagntico giratorio, cuya velocidad sabemos que es

N = 60 f/p. Si en estas circunstancias, con el rotorparado se alimenta el devanado del mismo con C.C. se produce un campo magntico rotrico fijo, porcual pasa el campo magntico del estator.

MOTORENVACO


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Los polos del rotor estn sometidos ahora aatracciones y repulsiones, en breves periodos detiempo, por parte de los polos del estator, pero elrotor no consigue girar , a lo sumo vibrar. Pero si

llevamos el rotor a la velocidad de sincronismo,hacindole girar mediante un motor auxiliar, alenfrentarse polos de signo opuestos se estableceun enganche magntico que les obliga a seguirgirando juntos, pudindose retirar el motor auxiliar.


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MOTORENCARGAUna vez que se produzca la conexin del motor a la red, se


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q p ,produce un desplazamiento (d/p) del eje de los polos delrotor respecto de los polos ficticios del estator, queaumenta con la carga del motor, y tal que si estedesplazamiento supera un lmite el motor se para.


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MAQUINAS ELECTRICAS ASINCRONAS

MAQUINAS ELECTRICAS ASINCRONOS


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SMILDELMOTORASNCRONOYSNCRONO


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PRINCIPIODEFUNCIONAMIENTO


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CONSTITUCINDELAMQUINAASNCRONATRIFSICA.TIPOSDEMOTORES


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MOTOR CON ROTOR BOBINADO


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MOTORCONROTORBOBINADO

MOTORCONROTORENJAULADEARDILLA


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MOTORCONROTORDERANURASPROFUNDAS


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PARENLOSMOTORESDEJAULADEARDILLA


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ROTORENJAULA


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ROTOR BOBINADO

DESPIECE


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CAMPOMAGNTICOGIRATORIO

El Campo magntico giratorio se obtiene con tres devanados


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El Campo magntico giratorio se obtiene con tres devanadosdesfasados 120 (acoplados en estrella o tringulo) yconectados a un sistema trifsico de c. a.

(Imagen animada. El punto rojo es una marca de referencia para ver que Nr


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CONEXINDELOSDEVANADOS


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CIRCUITO EQUIVALENTE


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TABLAS


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ARRANQUE


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ARRANQUEDIRECTO


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ARRANQUEESTRELLA-TRINGULO


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ARRANQUEPORRESISTENCIASESTATRICAS


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ARRANQUEPORRESISTENCIASROTRICAS


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ARRANQUECONCONTACTORES(MSINVERSINDEGIRO):


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ARRANQUEPORAUTOTRANSFORMADOR


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VARIACINDEVELOCIDADDELOSMOTORESASNCRONOS


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Veamos las diferentes fases del flujo resultante (paraconocer la polaridad de las corrientes inducidas en la espirade sombra, recuerda la Ley de Lenz):


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(Imagen animada. El punto verde es una marca de referencia para evidenciarel movimiento del rotor)


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MAQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA

LA DINAMOFuerza Electromotriz Inducida:

La fem inducida en un conductor rectilneo de


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longitud L que se mueve a una velocidad V, cuyadireccin forma un ngulo a con la direccin del campomagntico de induccin uniforme B, en cuyo interior semueve cortando sus lneas de fuerza, tiene por valor:E = B L V sen a

Si las tres magnitudes son perpendiculares, entoncesel valor de la fem es:


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Si los conductores activos forman parte de unaespira que giran en el interior de un campomagntico tendramos un generador elemental de


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CC:

FUERZAELECTROMAGNTICA

La fuerza sobre un conductor rectilneode longitud Lpor el


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que circula una corriente I,cuya direccin forma un ngulo acon la direccin del campo magntico de induccinuniforme B, en cuyo interior se encuentra, tiene por valor:

F= I L B sen a

Si las tres magnitudes son perpendiculares, entonces elvalor de la fuerza electromagntica es:


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El conductor se mueve a causa de una fuerza Fcuando porl circula una intensidad I:

F = I L B


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Si los conductores activos forman parte de una espira elinterior de un campo magntico, por el que circula unacorriente, tendramos un motor elemental de CC:

ESTUDIOENERGTICODELGENERADORELEMENTAL


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ESTUDIOENERGTICODELMOTORELEMENTAL


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ESTRUCTURAEstator: Formado por una corona de materialferromagntico llamado culata en cuyo interior,regularmente distribuidos y en nmero par, van


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dispuestos unos salientes radiales con unaexpansin en su extremo, denominados polos,sujetos por tornillos a la culata. Rodeando los polos,

se hallan unas bobinas de hilo de cobre aislado,cuya misin es, al ser alimentadas por corrientecontinua, crear el campo magntico inductor de lamquina, que presentar polaridades norte y sur.

Salvo las mquinas de potencia reducida, en generalde menos de 1 kW, encontramos tambin en elestator los polos de conmutacin.

Rotor: Formado por una columna de material

ESTRUCTURA


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ferromagntico, a base de chapas de hierro,aisladas unas de las otras por una capa de barniz ode xido. La corona de chapa magntica presenta

en su superficie externa un ranurado donde se alojael devanado inducido de la mquina. Este devanadoesta constituido por bobinas de hilo o de pletina decobre convenientemente aislados, cerrado sobre si

mismo al conectar el final de la ltima bobina con elprincipio de la primera.

ESTRUCTURA


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Colector: Constituido esencialmente por piezasplanas de cobre duro de seccin trapezoidal,llamadas delgas, separadas y aisladas unas deotras por delgadas lminas de mica, formando elconjunto un tubo cilndrico aprisionado fuertemente.El colector tiene tantas delgas como bobinas poseeel devanado inducido de la mquina.

ESTRUCTURA


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Escobillas: dispuestas en los portaescobillas, debronce o latn, que retienen las escobillas queestablecern el enlace elctrico entre las delgas y elcolector y el circuito de corriente continua exterior.

ESTRUCTURA


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ESTRUCTURA


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LAMQUINADECC


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LAMQUINADECC


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ELINDUCTOR


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ELINDUCIDO


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DINAMOELEMENTAL


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DINAMOELEMENTAL


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Eliminacin del Rizado

Al aumentar el nmero de delgas, la fem obtenida

tiene menor ondulacin acercndose ms a latensin continua que se desea obtener.

DINAMOELEMENTAL


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FUERZA ELECTROMOTRIZ GENERADA


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REPRESENTACINPLANA


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FUERZAELECTROMOTRIZ, PARYRENDIMIENTO


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Si hacemos una representacin grfica del campo magnticoen funcin del ngulo:


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A consecuencia de la reaccin del inducido la lnea neutra(lnea que une los conductores que no producen fem) encarga, adelanta respecto del sentido de giro un ngulo a,tomada como referencia la lnea neutra en vaco:


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ESQUEMADELADINAMO


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EXCITACINDELADINAMO

Aunque existen mquinas de corriente continua coni t l l l


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Aunque existen mquinas de corriente continua conimanes permanentes, lo normal es que el campomagntico est creado por bobinas inductorasdispuestas en el estator alrededor de los polos

principales. Segn la fuente de alimentacin deestas bobinas, se distinguen dos tipos deexcitacin:

Excitacin independientey Autoexcitacin.

La excitacin independiente: significa que lacorriente continua que alimenta el devanado

inductor procede de una fuente independiente de la i b t d l d


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inductor procede de una fuente independiente de lamquina, como una batera de acumuladores, unrectificador conectado a una red alterna, o bien ungenerador de corriente continua rotativo. En este

ltimo caso, si el generador va montado sobre elpropio eje de la mquina, la excitacinindependiente se denomina excitacin propia.

La autoexcitacin: significa que la corrientecontinua que excita las bobinas inductoras procedede la misma mquina generatriz. Para obtener la

autoexcitacin o cebado de la mquina es precisoque exista un pequeo flujo en el circuito magntico


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autoexcitacin o cebado de la mquina, es precisoque exista un pequeo flujo en el circuito magntico,flujo que es posible producir y mantener gracias alfenmeno de histresis magntica. Gracias a este

flujo remanente, al hacer girar el inducido seinducir en l una pequea f.e.m. que aplicada alcircuito inductor, con la polaridadconveniente, genera una dbil corriente que

refuerza el magnetismo remanente y la f.e.m. inicialdebida al flujo remanente se incrementar.

A mayor f.e.m., corresponder mayor corriente, conel refuerzo consiguiente del flujo, luego se produceun nuevo aumento de la f e m y as sucesivamente


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un nuevo aumento de la f.e.m. y as sucesivamentehasta alcanzar un equilibrio o estabilidad de latensin en bornes que se traducir en una

constancia de la corriente de excitacin y por tantodel flujo. A esta estabilidad se llega por causa deotra propiedad caracterstica de los materialesmagnticos, la de saturacin.

Dependiendo de la conexin entre el devanadoinductor y el inducido se distinguen tres tipos demquinas autoexcitadas: la mquina serie, lamquina derivacin y la mquina compuesta ocompound.


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compound.

DINAMOEXCITACININDEPENDIENTE


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DINAMOEXCITACINPARALELO


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DINAMOEXCITACINSERIE


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DINAMOEXCITACINCOMPUESTA


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CURVASCARACTERSTICAS

El funcionamiento de una mquina de cc depende de cuatrovariables: la velocidad N, La corriente de excitacin i, la

tensin en bornes Uy la corriente Idel inducido. Si se tomauna de las magnitudes como constante otra


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una de las magnitudes como constante, otracomoparmetro,otra como variabley otra como funcin, seobtiene una familia de curvas. Las caractersticas usuales de

una dinamo se obtienen a partir de tomar:

Caracterstica Funcin Variable Parmetro Constante

de excitacin constante U(I): caractersticaexterna

U I i

Na tensin constante i(I): curva de regulacin i I U

de corriente constante U(i): caracterstica encarga

U i I


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MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA


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DINAMOEXCITACININDEPENDIENTE


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DINAMOEXCITACINPARALELO


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DINAMOEXCITACINSERIE


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Para describir los modos de funcionamiento de una mquina de c. c. seutiliza la representacin en cuatro cuadrantes representada en la figura dedebajo. En el eje de abscisas se representa el par electromagntico C quetambin sirve para representar la corriente del inducido I (C = K F I). En el

eje de ordenadas se representa la velocidad N, que tambis sirve pararepresentar la fem/fcem E (E = K N F) y tambin, aproximadamente, latensin U (U = E Ri I)


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CONTROL DE MOTORES DC

Modulacin por Ancho de Pulso (PWM):

El control por Modulacin de Ancho de Pulso


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conocido como PWM bsicamente consiste enenviar a los terminales de control un tren de pulsos

los cuales varan en mayor o menor medida eltiempo en que se mantiene el nivel alto de esospulsos, manteniendo la frecuencia constante.

Con esta forma de control la cantidad de corriente

sigue siendo la misma, la tensin no vara y eni l t d l t ti



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consecuencia el torque del motor se mantiene

Modulacin por Frecuencia de Pulsos (PFM)

Se puedes lograr fcilmente con un circuito astable que bien

podra ser un 555, y utilizar un potencimetro para variar lafrecuencia de los pulsos el efecto que lograras en



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frecuencia de los pulsos, el efecto que lograras encomparacin al anterior sera algo as:

MOTORES PASO A PASO
http://www.iesleonardo.info/ele/pro/CURSO%202002-2003/Proyecto/motores_pap.htmhttp://www.iesleonardo.info/ele/pro/CURSO%202002-2003/Proyecto/motores_pap.htm


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MOTORES PASO A PASO

Los motores paso a paso: son ideales para la

construccin de mecanismos en donde se requierenmovimientos muy precisos.
http://www.iesleonardo.info/ele/pro/CURSO%202002-2003/Proyecto/motores_pap.htmhttp://www.todorobot.com.ar/productos/motores/motores.htmhttp://www.todorobot.com.ar/productos/motores/motores.htmhttp://www.todorobot.com.ar/productos/motores/motores.htmhttp://www.todorobot.com.ar/productos/motores/motores.htmhttp://www.todorobot.com.ar/productos/motores/motores.htmhttp://www.todorobot.com.ar/productos/motores/motores.htmhttp://www.todorobot.com.ar/productos/motores/motores.htmhttp://www.todorobot.com.ar/productos/motores/motores.htmhttp://www.iesleonardo.info/ele/pro/CURSO%202002-2003/Proyecto/motores_pap.htm


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movimientos muy precisos.

La caracterstica principal de estos motores es elhecho de poder moverlos un paso a la vez por cada

pulso que se le aplique. Este paso puede variardesde 90 hasta pequeos movimientos de tan solo1.8, es decir, que se necesitarn 4 pasos en elprimer caso (90) y 200 pasos para el segundo caso(1.8), para completar un giro completo de 360.

MOTORES PASO A PASO


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Estos motores poseen la habilidad de poder quedarenclavados en una posicin o bien totalmente libres,

dependiendo del tipo. Si una o ms de sus bobinasest energizada, el motor estar enclavado en laposicin correspondiente y por el contrario quedarcompletamente libre si no circula corriente por ningunade sus bobinas.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Bsicamente estos motores estn constituidos

normalmente por un rotor sobre el que van aplicadosdistintos imanes permanentes y por un cierto nmero de


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p y pbobinas excitadoras en su estator. Las bobinas son partedel estator y el rotor es un imn permanente. Toda laconmutacin (o excitacin de las bobinas) deber serexternamente manejada por un controlador.

Imagen del rotor

EJEMPLO DE FUNCIONAMIENTO

Paso 1; la bobina 1 esta activada, atrayendo loscuatro dientes superiores imantados del rotor.


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Paso 2; la bobina 1 se apaga, y la bobina 2(derecha) se activa, moviendo los dientes cercanosa la derecha. Resulta una rotacin de3.6.

Paso 3; De nuevo la bobina 2 se apaga, y la bobina3 se activa. Resulta otra rotacin de 3.6.

Paso 4; La activacin de la bobina 4 permite denuevo la rotacin de 3.6. Cuando la bobina 1 secargue de nuevo, un diente habr permutado suposicin a la derecha; como hay 25 dientes, senecesitaran 100 pasos para un giro completo.

TIPOS DE MOTORES PASO A PASO


314/402

1. De imn permanente:

2. De reluctancia variable. 3. Hbridos.

1. DEIMNPERMANENTE


315/402

Est formado por un estator de forma cilndrica, con uncierto nmero de bobinados alimentados en secuencia,que crean un campo magntico giratorio de maneradiscontinua. El rotor, concntrico con el estator y situadosobre el eje, contiene un imn permanente magnetizado,que en cada instante tender a alinearse con el campomagntico creado.

1. DEIMNPERMANENTESu principal ventaja es que su posicionamiento no vara aun sinexcitacin y en rgimen de carga debido a la atraccin entre el rotory los entrehierros del estator


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y los entrehierros del estator.Bipolar: Estos tiene generalmente cuatro cables de salida (verfigura 1). Necesitan ciertos trucos para ser controlados, debido aque requieren del cambio de direccin del flujo de corriente a travsde las bobinas en la secuencia apropiada para realizar unmovimiento.

A

B

CD D

C

B

A


317/402

D

1 2

3 4

A

B

C

D

A

B

C

D

MOTORESPASOAPASOBIPOLARES

Como se dijo anteriormente, estos motores necesitan la inversinde la corriente que circula en sus bobinas en una secuenciadeterminada. Cada inversin de la polaridad provoca el movimiento


318/402

determinada. Cada inversin de la polaridad provoca el movimientodel eje en un paso, cuyo sentido de giro est determinado por lasecuencia seguida.

A continuacin se puede ver la tabla con la secuencia necesaria

para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares:

PASO TERMINALES

A B C D

1 +V -V +V -V

2 +V -V -V +V

3 -V +V -V +V

4 -V +V +V -V

1. DEIMNPERMANENTE.


319/402

Unipolar: Estos motores suelen tener 6 o 5 cables desalida, dependiendo de su conexionado interno (ver figura2). Este tipo se caracteriza por ser ms simple de controlar.Las entradas de activacin (Activa A, B , C y D) pueden serdirectamente activadas por microcontroladores o registrosde desplazamiento.


320/402

SECUENCIASPARAMANEJARMOTORESPASOAPASOUNIPOLARES

Existen tres secuencias posibles para este tipo de

motores, las cuales se detallan a continuacin. Todaslas secuencias comienzan nuevamente por el paso 1una vez alcanzado el paso final (4 u 8) Para revertir


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una vez alcanzado el paso final (4 u 8). Para revertirel sentido de giro, simplemente se deben ejecutar lassecuencias en modo inverso.

Secuencia Normal: Esta es la secuencia ms usada yla que generalmente recomienda el fabricante. Conesta secuencia el motor avanza un paso por vez ydebido a que siempre hay al menos dos bobinasactivadas, se obtiene un alto torque de paso y deretencin.

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D Secuencia

1 ON ON OFF OFF


322/402

2 OFF ON ON OFF

3 OFF OFF ON ON

4 ON OFF OFF ON

A CONTINUACINSEPUEDEAPRECIARLASECUENCIAANIMADA

ENMODONORMAL


323/402

SECUENCIADELTIPOWAVEDRIVE:

En esta secuencia se activa solo una bobina a la vez. Enalgunos motores esto brinda un funcionamiento mas


324/402

algunos motores esto brinda un funcionamiento massuave. La contrapartida es que al estar solo una bobinaactivada, el torque de paso y retencin es menor.


1 ON OFF OFF OFF


325/402

2 OFF ON OFF OFF

3 OFF OFF ON OFF

4 OFF OFF OFF ON

A CONTINUACINSEPUEDEAPRECIARLASECUENCIA

ANIMADAENMODOWAVEDRIVE


326/402

Secuencia del tipo medio paso: En estasecuencia se activan las bobinas de tal forma

de brindar un movimiento igual a la mitad delpaso real. Para ello se activan primero 2


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bobinas y luego solo 1 y as sucesivamente.Como vemos en la tabla la secuencia

completa consta de 8 movimientos en lugarde 4.


1 ON OFF OFF OFF

2 ON ON OFF OFF

3 OFF ON OFF OFF


328/402

4 OFF ON ON OFF

5 OFF OFF ON OFF

6 OFF OFF ON ON

7 OFF OFF OFF ON

8 ON OFF OFF ON

A CONTINUACINSEPUEDEAPRECIARLASECUENCIA

ANIMADAENMODOMEDIOPASO


329/402

2. DERELUCTANCIAVARIABLE.

El estator presenta la forma habitual, con unnmero determinado de polosl t ti Si b l t


330/402

electromagnticos. Sin embargo, el rotor noes de imn permanente sino que est

formado por un ncleo de hierro dulce deestructura cilndrica pero con un ciertonmero de dientes tallados longitudinalmentea lo largo de su superficie lateral.


Cuando una corriente circula a travs delbobinado apropiado se desarrolla un momento


331/402

bobinado apropiado, se desarrolla un momentoque hace que el rotor gire a la posicin en la cualla reluctancia del circuito sea mnima. Cuando sehace pasar una corriente a travs de otrobobinado, el punto de reluctancia mnima segenera en otra posicin, produciendo el giro delrotor a esa nueva posicin.


En los grficos siguientes se muestra un motor de paso apaso de reluctancia variable, constituido por tres devanados,

E1, E2 y E3, excitados secuencialmente y por un rotor concuatro dientes, D1,D2,D3 y D4.


332/402

Cuando el primer arrollamiento E1, recibe alimentacin,atraer al rotor hasta que el diente ms cercano, por ejemplo,

D1, se alinee con el campo. Al llegar la excitacin a E2, eldiente D2 ser el ms prximo, con lo que el rotor girar 30.De la misma forma, con el siguiente impulso aplicado a E3,ser el diente D3 el alineado, girando otros 30. Al restituir laalimentacin a E1, el atrado ser D4, con lo que se vuelve aavanzar un ngulo similar a los anteriores.



333/402



334/402


La principal ventaja es su elevada velocidadde accionamiento. Y su principal desventaja


335/402

p p jes que en condiciones de reposo (sin

excitacin) el rotor queda en libertad de girary, por tanto, su posicionamiento en rgimende carga depender de su inercia y no serposible predecir el punto exacto de reposo



336/402

3. HBRIDOS.

Son combinacin de los dos tipos anteriores; el rotor suele

estar constituido por anillos de acero dulce dentado en unnmero ligeramente distinto al del estator y dichos anillosmontados sobre un imn permanente dispuesto axialmente


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montados sobre un imn permanente dispuesto axialmente.

Se obtienen importantes pares de accionamiento, un grannmero de pasos por vuelta y una frecuencia de trabajoelevada.

3. HBRIDOS.

Los motores hbridos reemplazana los de reluctancia variable.P j t ti


338/402

Poseen mejores caractersticasdinmicas, mejor rendimiento y

son ms silenciosos.

Todos los drivers serie DY3A/B/Eposeen micropasos, de hasta

10000 pasos por vuelta y estnequipados con mdulos depotencia .

SECUENCIADEMOTORESPASOAPASO

Como comentario final, cabe destacar que debido a

que los motores paso a paso son dispositivosmecnicos y como tal deben vencer ciertas inercias,el tiempo de duracin y la frecuencia de los pulsos


339/402

el tiempo de duracin y la frecuencia de los pulsosaplicados es un punto muy importante a tener en

cuenta. En tal sentido el motor debe alcanzar elpaso antes que la prxima secuencia de pulsoscomience.


Si la frecuencia de pulsos es muy elevada, el motor puede


340/402

reaccionar en alguna de las siguientes formas:

Puede que no realice ningn movimiento en absoluto.

Puede comenzar a vibrar pero sin llegar a girar.

Puede girar errticamente.

O puede llegar a girar en sentido opuesto.


Para obtener un arranque suave y preciso, es recomendable


341/402

comenzar con una frecuencia de pulso baja y gradualmenteir aumentndola hasta la velocidad deseada sin superar la

mxima tolerada. El giro en reversa debera tambin serrealizado previamente bajando la velocidad de giro y luegocambiar el sentido de rotacin.

UNAREFERENCIAIMPORTANTE

Cuando se trabaja con motores P-P usados o bien nuevos,pero de los cuales no tenemos hojas de datos. Es posibleaveriguar la distribucin de los cables a los bobinados y el


342/402

averiguar la distribucin de los cables a los bobinados y elcable comn en un motor de paso unipolar de 5 o 6 cablessiguiendo las instrucciones que se detallan a continuacin:


1. Aislando el cable(s) comn que va a la fuente de

alimentacin:Como se aprecia en las figuras anteriores, enel caso de motores con 6 cables, estos poseen doscables comunes, pero generalmente poseen el mismo color,


343/402

, p g p ,por lo que lo mejor es unirlos antes de comenzar las pruebas.Usando un tester para chequear la resistencia entre pares de

cables, el cable comn ser el nico que tenga la mitad delvalor de la resistencia entre ella y el resto de los cables.Esto es debido a que el cable comntiene una bobina entreella y cualquier otro cable, mientras que cada uno de losotros cables tienen dos bobinas entre ellos. De ah la mitadde la resistencia medida en el cable comn.


2.Identificando los cables de las bobinas (A, B, C y


344/402

D):aplicar un voltaje al cable comn (generalmente 12 volts,pero puede ser ms o menos) y manteniendo uno de los

otros cables a masa (GND) mientras vamos poniendo a masacada uno de los dems cables de forma alternada yobservando los resultados.

El proceso se puede apreciar en el siguiente cuadro:

Seleccionar un cable y conectarlo a masa. Eseser llamado cable A.

Manteniendo el cable A conectado a masa, probarcul de los tres cables restantes provoca un pasoen sentido antihorario al ser conectado tambin amasa. Ese ser el cable B.


345/402

Manteniendo el cable A conectado a masa, probarcul de los dos cables restantes provoca un paso

en sentido horario al ser conectado a masa. Eseser el cable D.El ltimo cable debera ser el cable C. Paracomprobarlo, basta con conectarlo a masa, lo que

no debera generar movimiento alguno debido aque es la bobina opuesta a la A.

Nota:La nomenclatura de los cables (A, B, C, D) es totalmente arbitraria.

IDENTIFICANDOLOSCABLESENMOTORESP-P BIPOLARES

Para el caso de motores paso a paso bipolares (generalmente de 4cables de salida), la identificacin es ms sencilla. Simplementetomando un tester en modo ohmetro (para medir resistencias),


346/402

podemos hallar los pares de cables que corresponden a cadabobina, debido a que entre ellos deber haber continuidad (en

realidad una resistencia muy baja). Luego solo deberemosaveriguar la polaridad de la misma, la cual se obtiene fcilmenteprobando. Es decir, si conectado de una manera no funciona,simplemente damos vuelta los cables de una de las bobinas yentonces ya debera funcionar correctamente. Si el sentido de giro

es inverso a lo esperado, simplemente se deben invertir lasconexiones de ambas bobinas y el H-Bridge.

PARARECORDAR

Un motor de paso con 5 cables es casi seguro de 4 fasesnipolar


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y unipolar.

Un motor de paso con 6 cables tambin puede ser de 4

fases y unipolar, pero con 2 cables comunes paraalimentacin. pueden ser del mismo color.

Un motor de pasos con solo 4 cables es comnmentebipolar.

PARARECORDAR

Los motores a pasos tanto unipolares como bipolares,pueden trabajar en dos modos de operacin, de pasocompleto y de medio paso En el primer caso con cada


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completo y de medio paso. En el primer caso, con cadasecuencia el rotor gira un determinado ngulo que depende

de la fabricacin; en el modo de medio paso, cadasecuencia produce un giro en grados correspondiente a lamitad de su paso normal. Adems del sentido del giro, cuyaposicin queda determinada por la secuencia de los pulsostransmitidos, variando la frecuencia de los pulsos aplicados

a las bobinas.

CARACTERSTICASMECNICASDEMOTORESPASOAPASO

Par dinmico o de trabajo: Es el momento mximo que elmotor es capaz de desarrollar sin perder paso, es decir, sin


349/402

dejar de responder a algn impulso de excitacin del estatory dependiendo, de la carga.

El fabricante ofrece las curvas denominadas de arranque sinerror y que relaciona el par en funcin del nmero de pasos.


Par de mantenimiento: Es el par requerido paradesviar en rgimen de excitacin un paso el


350/402

desviar, en rgimen de excitacin, un paso elrotor cuando la posicin anterior es estable; es

mayor que el par dinmico y acta como frenopara mantener el rotor en una posicin establedada.


Par de detencin: Es un par de freno que, siendo propio delos motores de imn permanente es debido a la accin del


351/402

los motores de imn permanente, es debido a la accin delrotor cuando los devanados estatricos estn desactivados.

Estos momentos se expresan en miliNewton por metro.


Momento de inercia del rotor: Es su momento de inerciaasociado que se expresa en gramos por centmetro


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asociado que se expresa en gramos por centmetrocuadrado.

ngulo de paso: Avance angular producido bajo unimpulso de excitacin, o sea, los grados de cada paso.

Grados por impulso deexcitacin

N de pasos porvuelta

Caractersticas mecnicas demotores paso a paso


353/402

0,72 500

1,8 200

3,75 96

7,5 4815 24


Nmero de pasos por vuelta:Es la cantidad de pasos queha de efectuar el rotor para realizar una revolucin completa;


354/402

p pevidentemente es:

donde NPes el nmero de pasos y el

ngulo de paso.


Nmeros de pasos por vuelta: Es la cantidad de pasosque ha de efectuar el rotor para realizar una revolucin


355/402

q pcompleta.

Frecuencia de paso mxima: Es el mximo nmero depasos por segundo que el rotor puede efectuar obedeciendoa los impulsos de control.

CARACTERSTICASDESFAVORABLESDELOSMOTORESPASOAPASO

Rango de velocidad limitada: El bobinado del estatorconstituye una carga inductiva, que limita la velocidad deconmutacin de la corriente del bobinado. Adems el


356/402

magnetismo remanente del rotor crea una cada de tensininductiva que agrava la conmutacin.

Estos efectos limitan la mxima velocidad con que el motorpuede moverse, pero pueden mejorarse considerablementeutilizando un adecuado control de corriente.


Resonancia: La caracterstica no amortiguada deun motor paso a paso hace que trabajando con


357/402

un motor paso a paso hace que trabajando conpasos incrementales pequeos el motor se mueva

bruscamente. Con cada paso se provoca unassubidas de tensin que se amortiguan poco a poco.


Si la frecuencia del paso se hace igual a la frecuencia propiade oscilacin del motor ste, inevitablemente, se pondr enoscilacin no amortiguada, con lo cual el eje se moverenrgicamente en vaivn. Se han desarrollado dispositivosamortiguadores mecnicos para conseguir un movimiento


358/402

amortiguadores mecnicos para conseguir un movimientoms suave, pero estas cargas permanentes en el eje hacen,

normalmente, que la eficiencia del motor paso a paso, que esde s muy baja, caiga por debajo de niveles aceptables.

La mejora se consigue en un movimiento lineal si la forma deoperacin es por micropasos, de forma que puede utilizarse

una serie de engranajes para transferir la potencia del motor.

CARACTERSTICASDESFAVORABLESDELOSMPPBaja eficiencia: Un motor paso a paso activado disipa una grancantidad de energa en la parte resistiva de los arrollamientos del

estator. Si se mantiene estacionario el eje, la resistencia es elfactor limitador de la corriente de prdidas; tambin el par(momento de torsin) a la velocidad crtica es necesariamente alto.


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( o e to de to s ) a a e oc dad c t ca es ecesa a e te a toLos circuitos basados en excitacin por corriente mejoran lacaracterstica dinmica de los estos motores en cierta medida pero,

desafortunadamente, las fuentes de corriente lineales tienen unrendimiento francamente bajo.

Si se usan fuentes de corriente conmutadas de alto rendimiento,evitamos los problemas anteriores. La intensidad que atravesar

los arrollamientos del estator es totalmente programable, eldiseador puede conseguir reducir significativamente la disipacintotal del motor parado

CARACTERSTICASDESFAVORABLESDELOSMPP

Resolucin limitada: Los motores paso a paso seclasifican segn el nmero de pasos que es capaz


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de dar por revolucin (vuelta). Usando el modo demicropasos, esta especificacin no tiene muchaimportancia y un motor de tipo especfico puede, porlo tanto, funcionar mucho mejor de lo que estaespecificacin indica.

FORMASDEALIMENTACINDEMOTORESPASOAPASODe acuerdo con sus caractersticas, la alimentacin requiere

ciertas consideraciones a tener en cuenta segn los distintosmtodos:


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A tensin fija: Cuando un motor paso a paso se alimenta a

tensin constante, el par decrece al aumentar la frecuenciade paso; ello es debido al aumento de las fuerzascontraelectromotrices, producindose simultneamente unaprdida de potencia til por el retardo que sufre el aumentode corriente hasta alcanzar su valor mximo.

FORMASDEALIMENTACINDEMOTORESPASOAPASOA corriente constante: Si el inconveniente anterior se trata

de paliar con un aumento de la tensin de alimentacin, lacorriente de excitacin aumentar creando problemas dedisipacin de calor, llegando incluso a la destruccin del


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motor.

El sistema de corriente constante mantiene la corrientemedia a un valor fijo, mediante el troceado de la corriente deentrada, conectando y desconectando la alimentacin. Estemtodo es muy adecuado en aplicaciones que requieren

aceleraciones rpidas o cambios de frecuencia.

FORMASDEALIMENTACINDEMOTORESPASOAPASO A dos niveles de tensin: Consiste en aplicar

una tensin elevada durante los avances de pasopara, una vez sacado del reposo el rotor, disminuirla tensin a un nivel considerablemente ms bajo;


363/402

con ello se consigue una reduccin de la potenciadisipada y un aumento del par en el arranque. Este

mtodo es ideal para aquellas aplicaciones dondela separacin entre pasos sea elevada, reduciendo,por tanto, la potencia consumida y pudiendoconservar el par de mantenimiento.

FORMAS

DE

ALIMENTACIN

DE

MOTORESPASOAPASO


364/402

CONTROL DE MOTORES PASO APASO


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Los motores paso a paso o simplemente PAP, son un tipoespecial de motores que permiten el avance de su eje enngulos muy precisos y por pasos en las dos posiblesdirecciones de movimiento, izquierda o derecha. Cada pasotiene un ngulo muy preciso, determinado por laconstruccin del motor, lo que permite realizar movimientosexactos sin necesidad de un sistema de control por lazocerrado.

CONTROL DE MPPPodemos controlar un motor paso a paso con lgicaprogramada, lgica estatica, electronica anloga, etc.

miramos dos posibles formas de control.


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CONTROL DE MOTOR PASO A PASOEl esquema que se presenta corresponde a un control de

un motor paso a paso. Este control est construido concomponentes de lgica discreta.


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Un circuito oscilador; se puede construir con un LM555,

genera un tren de pulsos que excita un Shift Register(registro de desplazamiento), que a su vez activasecuencialmente las bobinas de un motor paso a pasounipolar, a travs de un ULN2803, el cual es un driver decorriente, es decir, un circuito que puede manejar una

corriente mayor que el circuito digital (hasta 500mA).

CONTROL DE MOTOR PASO APASO

Control de motor paso a paso con registro de desplazamiento


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Control de un motor de paso con un PIC.


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CONTROL DE MOTOR PASO A

PASO


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CONTROL DE MOTOR PASO A PASO


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373/402



374/402



375/402


376/402

SERVOS

SERVOSEstos dispositivos son considerados una de lasmaterias primas en el diseo y la construccin de

los robots. Si combinamos y administramos losmovimientos en un montaje mecnico adecuado,un grupo variable de servomotores puede dar


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un grupo variable de servomotores puede darmotricidad y locomocin a sistemas controlados de

manera local o remota. Desde pequeasaplicaciones didcticas hasta el mscomplejo diseo robtico.

SERVOS

Un servomotor es bsicamente un actuadormecnico basado en un motor y un conjunto de

engranajes que permiten multiplicar el torque delsistema final, el cual posee elementos de controlpara monitorear de manera constante la posicin
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para monitorear de manera constante la posicinde un elemento mecnico que ser el enlace con el

mundo exterior.

SERVOS

Es decir, ante una accin inducida electrnicamentea un servomotor, obtendremos por resultado una

respuesta mecnica controlada. Por ejemplo, losmotores que forman parte de una impresora, junto alos sistemas de control de avance o retroceso del
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papel, forman un servomotor.

DIAGRAMA DE BLOQUES - SERVOS


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CARACTERISTICASEl motor posee la caracterstica de girar a unabuena velocidad, la cual disminuye por los juegos

de engranajes de la caja reductora queaprovechan esta velocidad para transformarla enfuerza de trabajo Al girar el ltimo engranaje


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fuerza de trabajo. Al girar el ltimo engranajeacoplado al eje de salida obtenemos una

velocidad notablemente reducida, a pesar de que,dentro del sistema, el motor est girando a altasvelocidades.

En esta ltima rueda de acoplamientoencontraremos topes o lmites de recorrido para

entregarnos en la salida final un giro de 180 delbrazo actuador. En la mayora de los servomotores,este desplazamiento angular es copiado por un

CARACTERISTICAS


382/402

este desplazamiento angular es copiado por unpotencimetro incorporado al sistema de control y

solidario en forma mecnica al eje externo.

CONECTANDOUNSERVO

Las conexiones son muy sencillas y se basan enuna normativa de colores muy elementales queinvolucran al Rojo como positivo, junto a otro cable

que puede ser de color Negro o Marrn y que esnegativo. Un tercer cable, correspondiente alcontrol de posicionamiento del actuador mecnico,


383/402

p ,es Amarillo o Blanco

La tensin de trabajo de los servomotores sueleestar comprendida entre los 3 y los 7 Volts, siendo 5

Volts la tensin que se utiliza en la mayora de lasaplicaciones fijas donde interviene una fuente dealimentacin conectada a la red de energa

CONECTANDO

UN

SERVO


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gdomiciliaria, y 6 Volts para los casos de

alimentacin a bateras cuando se trata de equiposmviles. En todos los casos, siempre se requiere deuna seal de control de 5 Volts de amplitud.

LASEALDECONTROLDELSERVO

Los servomotores se controlan mediante impulsosde ancho variable que deben refrescarseperidicamente. Esto significa que si dejamos de


385/402

enviar la seal de control en el tiempo en el que el

servomotor lo necesita, ste (a pesar de estarenergizado) dejar de mantenerse en la posicinpreestablecida y adoptar cualquier orientacinregida por el esfuerzo al que est sometido.


Es decir, si no mantenemos la seal de control enforma efectiva todo el tiempo que sea necesario, elsistema quedar a merced de las fuerzas externasa la que sea sometido. Por ejemplo, un brazo de

l d j d t bj t d j


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palanca dejar de sostener un objeto y se dejar

caer todo el trayecto mecnico que pueda recorrer,o un sistema erguido en vertical se caer haciaatrs o hacia adelante al momento en el que elservomotor deje de sostener la aplicacin en la

posicin preestablecida.

Para bloquear al servomotor en una posicin esnecesario, entonces, enviarle continuamente laseal con la posicin deseada. De esta forma, elsistema de control seguir operando y el servoconservar su posicin y se resistir a las fuerzas



387/402

conservar su posicin y se resistir a las fuerzas

externas que intenten cambiarlo de posicin.



388/402

La cantidad de voltaje aplicado al motor es proporcional a la

distancia que ste necesita viajar. As, si el eje necesita regresaruna distancia grande, el motor regresar a toda velocidad. Si estenecesita regresar slo una pequea cantidad, el motor correr auna velocidad ms lenta. A esto se le llama control proporcional.Cmo se debe comunicar el ngulo a cual el servo debe

posicionarse?El cable de control se usa para comunicar el ngulo. El nguloest determinado por la duracin de un pulso que se aplica alalambre de control A esto se le llama PCM Modulacin codificada


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alambre de control. A esto se le llama PCM Modulacin codificadade Pulsos. El servo espera ver un pulso cada 20 milisegundos

(.02 segundos). La longitud del pulso determinar los giros demotor. Un pulso de 1.5 ms., por ejemplo, har que el motor setorne a la posicin de 90 grados (llamado la posicin neutra). Si elpulso es menor de 1.5 ms., entonces el motor se acercar a los 0grados. Si el pulso es mayor de 1.5ms, el eje se acercar a los

180 grados.


390/402


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Un servomotor es un motor elctrico de precisin en el

que se pueden controlar su velocidad y/o posicin.Los tipos de servomotores ms comunes son los decorriente directa (o continua) con escobillas, conocidoscomo DC con escobillas, y los motores sin escobillas

(brushless), de corriente alterna (AC) o directa (DC).

Para poder controlar la velocidad de un servomotor, se


392/402

Para poder controlar la velocidad de un servomotor, serequiere un servo amplificador. Este ltimo normalmente

recibe una pequea seal (tpicamente +/ 10Volts)proporcional a la velocidad a la que debe girar el motor yse encarga de amplificarla de unos cuantos miliwatts adecenas, centenas e incluso miles de watts. Con el equipo

de control adecuado puede lograr controlar tambin el girodel motor a una posicin (ngulo) deseada.


393/402

Expl ique el metodo de modu lac in del anch o del pulso

PWM para con trolar la veloc idad de un motor de C.C. con

una seal de onda cuadrada.

PWMs son bloques de control de corriente que se suelen usar

en fuentes de alimentacin conmutadas, controles decalefaccin y en controles de iluminacin y luminosidad donde eluso eficiente de energa es imprescindible, como en los equiposelectrnicos porttiles Mientras el exceso de energa antes se


394/402

electrnicos porttiles. Mientras el exceso de energa antes sequemaba o se gastaba en los bloques de control tradicionales,

los PWMs conservan la energa controlando o modulando elancho de pulso de energa segn la demanda. El PWM DS1050genera informacin de salida de onda cuadrada en frecuenciasde salida estndar de 1, 5 y 10 kHz, con un ciclo de tareascontrolado por un microprocesador que vara desde 0% hasta100% en etapas del 3%.


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Como trabaja un servo? El motor del servo tiene algunos circuitos de control y un

potencimetro (una resistencia variable) esta es conectada al eje central del servo motor. En la figura se puedeobservar al lado derecho del circuito. Este

potencimetro permite a la circuitera de control, supervisar elngulo actual del servo motor. Si el eje est


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ngulo actual del servo motor. Si el eje est en el ngulo correcto, entonces el motor est apagado. Si el

circuito chequea que el ngulo no es el correcto, el motor girar en la direccin adecuada hasta llegar al

ngulo correcto. El eje del servo es capaz de llegar alrededor de los 180 grados. Normalmente, en

algunos llega a los 210 grados, pero vara segn el fabricante. Un servo normal se usa para controlar un

movimiento angular de entre 0 y 180 grados. Un servo normal noes mecnicamente capaz de retornar a su lugar, si hay un mayorpeso que el

sugerido por las especificaciones del fabricante.


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MÁQUINAS ELÉCTRICAS

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