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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:
I
I
Ub
M
Φ
Ω
Ub
E
T
+
-
Ri
Φ
E = km · Φ · Ω
T = km · Φ · I
Ub = E + Ri · I
Φ
I
Ub
Ri
Ω
T
km
es el flujo por polo (Wb)
es la corriente de inducido (A)
es la tensión en bornes del motor (V)
es la resistencia del inducido (W)
es la velocidad de giro (rad/s)
es el par desarrollado por el motor (Nm)
es una constante que depende de la máquina
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De las ecuaciones anteriores se deduce:
Ω=
Ub
Ri
−
⋅T
k m ⋅ Φ (k m ⋅ Φ )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.
Ω=
Ub Ri
−
⋅T
k k2
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.
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Ω
I
+
Ub -
+
E -
Rr
I
+
Ub -
Ω
+
E -
T
FRENADO
Ri
Ω
T
TRACCIÓN
T
Ub
+
E
+
I
Ri
Ω
T
Ub
+
E
+
Rr
Ω
T
I
TRACCIÓN
FRENADO
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
E<0
I>0
I<0
La máquina gira en sentido directo.
La máquina gira en sentido inverso.
La máquina realiza par en sentido directo.
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.
I=
Ub − E
<0
Ri
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/
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Polarización de la
fuente de tensión
Cuadrantes de operación
Tracción en sentido directo
Cuadrante 1
Frenado en sentido directo
Cuadrante 2
Tracción en sentido inverso
Cuadrante 3
Frenado en sentido inverso
Cuadrante 4
2.2
Dirección de la
corriente
Directa +
Positiva +
Directa +
Negativa -
Inversa -
Negativa -
Inversa -
Positiva +
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:
Ub = Us ⋅ (2α − 1)
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:
I=
Ub − E (Ω)
Ri
El rizado de la corriente vendrá determinado por la inductancia del motor.
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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
T4 durante un tiempo α·T, que conducirán una corriente exponencial creciente que busca el valor
(Us − E ) / Ri con una constante de tiempo L/Ri. Se excita T2 y T3 durante un tiempo (1-α)·T, y
bloquean T1 y T4. La carga inductiva determina la conducción por los diodos volantes D2 y D3 de los
transistores excitados. Una corriente exponencial decreciente que busca el valor − (Us + E ) / Ri con
una constante de tiempo L/Ri.
Transistores excitados
T1
T2
T1
T2
T1
T2
T4
T3
T4
T3
T4
T3
Us
Ub med
Is
Ub
+
T1
-Us
I med
Us
+
T
I
T4
Ω
I T1 T4
I T2 T3
Is
+
D3
Us
I D2 D3
-
I D1 D4
D2
-
+
T
Ω
IS
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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.
Transistores excitados
T1
T2
T1
T2
T1
T2
T4
T3
T4
T3
T4
T3
E
Is
Ub
Ub med
+
-E
-
I
Us
I med
I T1 T4
T3
+
T2
T
Ω
-
I T2 T3
Is
+
D1
I D1 D4
Us
+
-
I D2 D3
D4
T
Ω
Ii
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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.
Transistores excitados
T1
T2
T1
T2
T1
T2
T4
T3
T4
T3
T4
T3
Us
Ub med
Is
Ub
+
-Us
-
I
T3
+
Us
I med
T2
I T1 T4
I T2 T3
T
-
Ω
Is
+
D1
Us
I D1 D4
+
D
I D2 D3
T
Ω
IS
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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.
Transistores excitados
T1
T2
T1
T2
T1
T2
T4
T3
T4
T3
T4
T3
Us
Is
Ub
+
Ub med
T1
-Us
Us
I med
+
T
I
T4
Ω
I T1 T4
I T2 T3
Is
+
D3
Us
I D2 D3
-
I D1 D4
D2
-
+
T
Ω
IS
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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.
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3.1.1 Circuito de control.
ALI 700
SNG 200
10
PWM 200
40
10
50
60
30
20
10
+15V
+
0
-
0
4
+
CE
10V
90
16xF
F 100
5
6
3
2
1
OSCILADOR
GENERATOR
7
8
F1
Sen(α)
F3
F1
Vmax.
V 10
335
CONTROL TRIFASICO
TRIPHASIC CONTROL
Sen(α)
-15V
CR
DESBLOQUEO
RESET
F2
Sen(α-120)
Sen(α-240)
9
0
SEGURIDAD 200
70
80
MV
343
327
352
318
T1-T2
310
Sen(α-120)
T3-T4
T5-T6
F2
Imax.
Sen(α-240)
10
360
MI
Vref.
F3
RESET
CONTROL MONOFASICO
MONOPHASIC CONTROL
V/S
T1-T2
0
OFF
RAMA 200
CM
>1
Sen(α)
-1
xxxV
1A
50/60Hz
ON
-10
T3-T4
+10
Vref.
0V
0V
0V
0V
RAMA-200
ALARMA
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.
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3.1.2 Circuito de Potencia.
AL MÓDULO SEG-200
RAMA 200
RAMA 200
ALI 200
TRF 200
310V
10A
10A
F
1-2- 3
AL ARM
A
10A
F
ALARM
10A
L1
MV
10A
AL ARM
A
1-2- 3
V
230V
230V
ALARM
U-V-W
U-V-W
N
10A
PE
ON
230V
230V
OFF
230V
230V
50/60 Hz
MEDIDA
V
Ø12.5
600V
max
0.1V/V
Ø2.7
V
V
Ø12.5
0.01V/
Ø2.7
V
Ø12.5
10V/A
A
Ø2.7
10A
max
I
V
Ø12.5
Ø2.7
1V/A
Ø2.7
0V
CARGA
TP-200
72Ω
200W
72Ω
200W
72Ω
200W
72Ω
200W
0.5V/A
Ø2.7
MI
Ø2.7
100Ω/1000W
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.
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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.
A
C
Resistencias de
72W del módulo
de cargas TP 200
D
G
B
+
-
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.
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