La máquina de Corriente Continua - Regulacion

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1. REGULACIN DE MQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA 1.1.Arranque de motores de corriente continua La primera maniobra que se presenta en el funcionamiento de un motor, es la del arranque o puesta en marcha. En el instante inicial (velocidad del sistema motor-carga es nula) el motor debe de desarrollar un par interno que supere al par resistente de la carga, de lo contrario permanecer en reposo, por su parte la intensidad de inducido puede alcanzar un valor lo suficientemente elevado como para daarlo. As si se produce un arranque directo (aplicando la tensin nominal) en un motor de corriente continua, la intensidad de inducido alcanza un valor excesivamente grande ya que en el momento del arranque la f.e.m. interna E=k1.n. es nula por ser n=0 (dnde k1 es la constante que depende del n de conductores, n de ramas en paralelo respecto a las escobillas, n de pares de polos, k1=N.p/(30.)). El valor de la intensidad de inducido ser: Ii=Ub/Ri

Generalmente el valor de Ri suele ser pequeo, por lo que la Ii, toma un valor que puede estar comprendido entre 20 y 30 veces el valor de la intensidad nominal del motor. Este valor tan elevado de la intensidad da lugar a una serie de efectos elctricos y mecnicos perjudiciales como son: Actuacin de los elementos de proteccin. Deterioro en el inducido del motor, debido tanto a los esfuerzos electrodinmicos a los que quedan sometidos los devanados, como a los calentamientos producidos los cuales podran quemar el motor. Averas en el colector y las escobillas producidas por un fuerte chisporroteo. Rotura del eje del motor debido al choque mecnico. Sobrecarga de la lnea que lo alimenta, con perturbaciones de tensin para los dems consumidores conectados a la misma red. La produccin de perturbaciones en la red elctrica est limitada por el Reglamento Electrotcnico de Baja Tensin.

-

Este reglamento establece la obligatoriedad de proveer a los motores de ms de 0.75kW de algn sistema que limite la intensidad de arranque a un cierto mltiplo de la intensidad de plena carga segn la siguiente tabla. Potencia del motor De 0.75 a 1.5 kW Constante mxima de proporcionalidad entre la intensidad de la corriente de arranque y la de plena carga 2.5

De 1.5 a 5 kW De ms de 5 kW

2 1.5

Por tanto para evitar los efectos anteriores es preciso limitar la corriente del inducido en el momento del arranque. El valor mnimo de la intensidad vendr dado en funcin del par resistente de la carga accionada por la mquina. En el momento del arranque, el par motor debe ser superior al valor del par resistente total, es decir la suma del par resistente que ofrezca la carga ms el par pasivo del propio motor. Cuanto mayor sea la diferencia, mayor ser la aceleracin del motor y la mquina tardar menos tiempo en alcanzar la velocidad de funcionamiento (velocidad nominal). Por lo tanto, en general, el valor de la intensidad de arranque, deber ser superior al valor de la intensidad nominal del motor pero inferior al a de arranque directo. Existen dos procedimientos para conseguir limitar la corriente de arranque. A la vista de la ecuacin que determina la intensidad de arranque: Ia=Ub/Ri Se observa que, tanto si se aumenta el valor de la resistencia del inducido, como si se disminuye el valor de la tensin de alimentacin Ub, se consigue disminuir el valor de la intensidad de arranque Ia. Para aumentar el valor de la resistencia del circuito del inducido, se coloca una resistencia variable (reostato de arranque) en serie con l. El valor de esta resistencia vendr determinado por la mxima intensidad de arranque permitida para el motor considerado y por la mnima intensidad necesaria para vencer el par resistente. Esquema de conexiones de un motor de c.c. excitacin derivacin con restato de arranque Ra y restato de excitacin Re. Segn el motor va ganando velocidad, la f.e.m. interna va aumentando, y por lo tanto la intensidad disminuyendo. Si se mantiene conectado el restato de arranque, el valor de la intensidad queda limitado a:

Esto puede dar lugar a que el motor no desarrolle el par suficiente como para alcanzar su velocidad nominal. Por lo tanto, es preciso dotar a la mquina de algn sistema que permita que en el momento del arranque, el valor del restato de arranque sea mximo, y que vaya

disminuyendo a medida que el motor aumenta su velocidad, hasta anularse permitiendo as que alcance la velocidad nominal. Estos sistemas se conocen con el nombre de arrancadores, y pueden ser manuales o automticos. A ttulo de ejemplo, se representan las caractersticas de velocidad y mecnica de un motor derivacin compensado con un arrancador de este tipo con lo que se obtienen las grficas siguientes:

Segn se ha visto, la pendiente en estas grficas viene determinada por la resistencia de inducido, por lo que inicialmente la caracterstica de velocidad vendra representada por la recta (A). Si en el momento del arranque, el par motor supera al par resistente total (el de la carga ms el par pasivo), el motor ganar velocidad con una aceleracin que depender de la diferencia de valor entre el par motor y el resistente (par acelerante). Al ir aumentando la velocidad del motor y su f.e.m. interna, disminuye la intensidad Ii y en consecuencia el par motor, al llegar a un valor prefijado (p.ej. el sealado con 1, correspondiente a un valor de intensidad de un 10 o un 20 % superior al nominal), se reduce el restato de arranque a un valor tal que para esa velocidad, la intensidad de inducido alcance nuevamente el valor mximo (punto 2). A partir de este punto, la velocidad aumentara segn la recta (B), hasta llegar nuevamente al valor fijado de intensidad I1. Repitiendo este proceso para distintos valores del restato, se consigue un arranque en el cual la intensidad no supera el valor mximo permitido. En la figura anterior tambin se observa la variacin del par motor en funcin de la velocidad en el proceso de arranque descrito. Si se representa la variacin de la intensidad de inducido en funcin del tiempo se obtiene una grfica como la indicada a continuacin:

Un ejemplo de este tipo de arrancadores es el manual mostrado en la figura siguiente:

Se conectan unas resistencias R1,, R5 a unos contactos de cobre. El brazo, se desplaza mediante el pomo aislante. Inicialmente, se coloca el brazo en la posicin de arranque. Al dar alimentacin al circuito, la intensidad Ii vendr limitada por el valor de las resistencias R1R5, con lo cual su valor ser mnimo, mientras que la intensidad de excitacin Ie tendr su valor mximo para que el flujo de excitacin y por tanto el par de arranque sea mximo (Ma=k2.Ii.o). En el instante en que el motor deja de acelerar, se desplaza el brazo a la posicin siguiente, con lo cual la Ii ser mayor y el motor aumenta su velocidad. Se repite el proceso hasta llegar a la posicin rgimen permanente, en la que el motor estara en condiciones nominales, quedando el brazo retenido por el electroimn en serie con el devanado de excitacin. Si por alguna razn el motor perdiera la tensin de alimentacin, el electroimn dejara libre el brazo mecnico que retornara a la posicin de origen debido a la accin del muelle. El dispositivo impide por tanto, que el motor pueda arrancar de forma directa al reponerse la alimentacin. Basndose en la curva descrita de intensidad/tiempo, se puede construir un arrancador automtico como el de la figura siguiente, en el que los contactores C 1, C2,

C3 y C4, se activan en funcin de los tiempos 1, 2, 3 y 4 que tarda el motor en alcanzar la velocidad correspondiente al valor de intensidad de cambio I1. Las resistencias R1, R2, R3 y R4 se corresponden con los valores que impiden que al efectuarse el cambio, el valor de la intensidad de inducido sea superior del valor fijado para el arranque.

Actualmente, los motores de corriente continua normalmente son alimentados a travs de equipos convertidores (rectificadores) conectados directamente, o a travs de transformadores, a la red de distribucin de tensin alterna, teniendo lugar la regulacin de la intensidad de arranque por medio de equipos variadores de tensin a base de grupos convertidores dinmicos o de equipos electrnicos estticos. Estos dispositivos, resultan bastante ms caros que los simples restatos, pero adems de la limitacin de la intensidad de arranque permiten realizan otras funciones como pueden ser la regulacin de la velocidad y del par proporcionado por la mquina. En la siguiente figura se muestra el esquema de principio de un dispositivo que permitira regular la intensidad de arranque, el par y la velocidad por medio de un convertidor de tiristores.

Con un sistema de este tipo, variando la tensin de alimentacin segn una rampa se pueden conseguir un proceso de arranque suave como el definido en la figura, con una intensidad de arranque limitada a un valor mximo fijado.

1.2. REGULACIN DE VELOCIDAD La regulacin de la velocidad de una maquina tiene por objetivos: 1. Mantener la velocidad tan prxima como sea posible a un valor previamente fijado, independientemente de los factores perturbadores que acten sobre ella. 2. Variar la velocidad entre lmites ms o menos amplios de acuerdo a las exigencias del servicio.

As se puede desear mantener la velocidad constante en el valor n2 cuando la carga accionada sufre variaciones de par resistente (por conexin o desconexin de cargas en el eje), o bien al contrario, modificar la velocidad entre valores extremos tales como n1 y n3. Como ya se ha descrito, la velocidad de funcionamiento de los motores elctricos vendr fijada por la igualdad entre el par motor de la mquina y el par resistente que le ofrezca la carga, por tanto para alcanzar una velocidad deseada en la mquina es preciso modificar de alguna manera su caracterstica mecnica de forma que tal equilibrio se produzca en el valor pretendido. A su vez para el estado de equilibrio, la corriente tomada por la mquina est determinada por el valor del par motor a desarrollar que ha de igualar al par resistente. Teniendo en cuenta que para un motor de corriente continua: Ub= Ii .Rt+E donde E=K1.n.u

Se llega a la expresin:

Segn la cual, la velocidad del motor depender del valor de la tensin de alimentacin al motor, la resistencia total del circuito del inducido y el flujo til (ntese que no se puede actuar directamente sobre la corriente de inducido ya que sta depender del valor del par a desarrollar y tal como se ha comentado repetidas veces ese valor no lo fija arbitrariamente el motor sino el equilibrio con la carga). Por lo tanto, se podr regular la velocidad actuando sobre cualquiera de los parmetros mencionados. La actuacin sobre cada uno de ellos modifica la forma o la posicin de la caracterstica mecnica del motor dependiendo adems del tipo de excitacin utilizado. De acuerdo a la ecuacin anterior se puede observar que es posible hacer aumentar la velocidad aumentando la tensin aplicada o reduciendo el flujo y que para disminuirla se puede reducir la tensin de alimentacin o aumentar el flujo. La opcin de aumentar la resistencia del inducido (conectando una resistencia en serie con l) en general no es muy utilizada debido al aumento de las prdidas que se producen, lo que hace disminuir el rendimiento. El incrementar la velocidad a base de aumentar la tensin aplicada tiene como lmite el que no se puede sobrepasar en exceso la tensin nominal ya que se produce un funcionamiento defectuoso (problemas de conmutacin y mayores esfuerzos dielctricos sobre los aislantes), para aumentar la velocidad es preferible reducir el flujo lo cual no supone en principio ningn problema (siempre que tal reduccin no sea excesiva y la mquina se quede sin excitacin) en este caso el lmite est en que para desarrollar un cierto par con un flujo inferior al nominal, la corriente de inducido puede aumentar por encima del valor nominal, situacin que se debe de evitar. Para reducir la velocidad es preferible, en general, reducir la tensin de alimentacin que aumentar el flujo, tngase en cuenta que en condiciones nominales se trabaja en la zona del codo de saturacin y que para aumentar apreciablemente el flujo es preciso aumentar la corriente de excitacin en mucha mayor proporcin, lo cual conduce a una sobrecarga en el circuito de excitacin. Tanto la tensin aplicada al motor, como la resistencia del circuito del inducido, se pondrn variar independientemente del tipo de motor considerado. Sin embargo, en un motor serie, no se podr actuar de forma directa sobre el flujo til de la mquina, ya que ste depende de la corriente de funcionamiento, la cual a su vez viene determinada por la carga accionada Por lo tanto, para cada tipo de motor se disponen de procedimientos diferentes para regular la velocidad. En lo que sigue se estudian estos mtodos.

1.2.1. MOTOR DE EXCITACIN INDEPENDIENTE 1.2.1.1.Variacin de la tensin de alimentacin al inducido de la mquina. Si un motor de excitacin independiente

Se vara la tensin de alimentacin a la mquina (Ub) sin variar la tensin aplicada al circuito de excitacin (Ue), suponiendo que la cada hmica en la resistencia del inducido de la mquina es despreciable con respecto a la tensin de alimentacin, se tendr segn la ecuacin: La variacin de la velocidad en la mquina ser aproximadamente proporcional a la variacin de tensin en bornes del motor.

En la figura se representa la caracterstica de velocidad para dos valores de tensin de alimentacin Ub (curva1) y Ub (curva 2) suponiendo el motor compensado. Para un valor de intensidad I1, si se reduce la tensin de alimentacin a la mitad, la velocidad del motor disminuir aproximadamente en esa proporcin. El efecto de la variacin de la tensin aplicada es el de modificar la velocidad de vaco pasando de n0 a n0 mientras que se mantiene la pendiente ya que sta depende de la resistencia de inducido.

La variacin de tensin no influye directamente en la caracterstica del par (Ii-M) de la mquina, ya que M=K2.Ii.o y el flujo de excitacin no vara. Por lo tanto, la caracterstica mecnica (n-M) sufrir una variacin de su posicin como la indicada en la figura siguiente. Se podra conseguir por tanto, aplicando este mtodo variaciones de velocidad desde cero hasta el valor de funcionamiento nominal, con variaciones de tensin entre cero y Un.

La velocidad de funcionamiento queda determinada por la igualdad de pares, en la figura se muestran dos caractersticas resistentes, una de par constante y otra de par lineal con la velocidad, los estados de funcionamiento vendran dados por la interseccin de tales caractersticas con las sealadas con 1 y 2. La corriente tomada en cada caso ser la que se precise para producir el par requerido y por lo tanto en general no permanece constante, se insisten una vez ms en que la corriente no la decide la mquina sino la carga accionada por ella Como ya se ha dicho, este procedimiento no se debe emplear para aumentar la velocidad de funcionamiento de la mquina, ya que requiere alimentar a la misma con valores de tensin superiores al nominal pudindose daar el motor. 1.2.1.2.Variacin del flujo inductor Si manteniendo la tensin en bornes del inducido del motor, se disminuye la tensin de alimentacin del circuito inductor, vara la intensidad de excitacin de la mquina y por tanto el flujo inductor de la misma. Suponiendo el motor compensado, al ser Eo=k1.n.o, para una misma velocidad de referencia, se tendr que la f.e.m. interna de la mquina vara en la misma proporcin que le flujo de vaco. Para distintas velocidades de funcionamiento, el valor de sta f.e.m. ser un punto de la recta correspondiente a Ie2 segn la siguiente figura:

Si se determina la caracterstica de velocidad de este motor, se obtiene la grfica siguiente, en la que se observa que la reduccin de intensidad de excitacin provoca un incremento de la velocidad de la mquina.

Analticamente, para el mismo valor de la intensidad de inducido, se tendr:

Es decir, la variacin de la velocidad es inversamente proporcional a la variacin de flujo inductor. Teniendo en cuenta que M= K2.Ii.o, para cada valor de intensidad de inducido, el nuevo par motor de la mquina vendr dado por la expresin Por lo tanto, la caracterstica mecnica sufrir una modificacin como la mostrada en la figura (aumenta la velocidad de vaco y disminuye el par de arranque directo):

Hay que tener en cuenta que normalmente el valor de excitacin nominal se sita en la zona del codo de saturacin de la mquina. En esas condiciones, si se reduce la tensin de excitacin y se pasa a trabajar en la zona no saturada de la caracterstica magntica, pequeas variaciones de la corriente de excitacin dan origen a grandes variaciones de flujo, por lo que se puede conseguir una amplia variacin de velocidad. Sin embargo en la zona saturada de la caracterstica, el aumento de flujo es pequeo aunque el aumento de la corriente de excitacin sea grande, con lo cual, no se podr conseguir una gran variacin de la velocidad del motor por ste mtodo.

1.2.1.3.Variacin de la resistencia total del circuito de inducido A la vista de la ecuacin:

Si se modifica el valor de la resistencia del circuito del inducido, colocando un restato de regulacin Rr, sin modificar la tensin de alimentacin ni la intensidad de excitacin, para cada valor de la intensidad de inducido se tendr:

Donde Rt1= Ri+Rr1 y Rt2=Ri+Rr2 corresponden al valor total de la resistencia del inducido para dos valores del restato de regulacin Rr. Representando la caracterstica de velocidad del motor, para el valor del restato de regulacin Rr=0 (curva 1) y para otro valor cualquiera (Rt=Ri+Rr) (curva 2), se obtienen las grficas siguientes:

Se observa que al aumentar la resistencia del inducido, la variacin de la velocidad con la intensidad de inducido de la mquina se hace mayor (la modificacin de la resistencia de inducido modifica la pendiente de la caracterstica N-Ii).

Si no se modifica el valor del flujo de excitacin, el par interno de la mquina presentar la misma variacin con la intensidad independientemente del valor de la resistencia total del circuito del inducido, por lo que la caracterstica mecnica del motor variar segn la figura donde la recta 2 corresponde al valor de resistencia Rt=Ri+Rr. En los ejemplos anteriores, se ha considerado que se pueden variar independientemente de la tensin, el flujo inductor y la resistencia de inducido de la mquina sin que las dems variables resulten modificadas. Esto slo ser posible en motores de excitacin independiente compensados. En general, la alteracin de uno de los parmetros influir en el resto de las variables del motor, por lo que los efectos anteriores se vern entremezclados. Si por ejemplo, si el motor no estuviese compensado, y se modificase la tensin de alimentacin, se podra ver modificado el flujo til ya que ste depende tambin de la intensidad de inducido, que en general no va a permanecer constante.

1.2.2. MOTOR DERIVACION En un motor derivacin, si se vara la tensin de alimentacin, se vara tambin la intensidad de excitacin de la mquina, y por lo tanto el flujo inductor de la misma.

Por ejemplo, una disminucin de la tensin de alimentacin, (que provocara una disminucin de la velocidad), ira acompaada de una reduccin de flujo de excitacin (que provocara un aumento de velocidad). La velocidad resultante de esta variacin vendr definida por el efecto que predomine en cada caso.

Supngase que para un valor determinado de resistencia de excitacin, el punto de corte entre la caracterstica de vaco del motor Eo (para la velocidad de vaco correspondiente a la tensin nominal no) y la recta Re.Ie sea el representado en la figura. Si se reduce la tensin a un valor Ub, se producir una disminucin de la intensidad de excitacin al valor Ie y por lo tanto la tensin de vaco (a esa misma velocidad) tendra un valor Eo.

En la figura se representa la determinacin de las caracterstica de velocidad para los nuevos valores Ub y Eo, con relacin a los valores anteriores La curva 1, representa la caracterstica de velocidad para la tensin de alimentacin Ub, y la curva 2, para la tensin Ub.

En este caso, para el mismo valor de intensidad de inducido, la velocidad se reduce al reducirse la tensin de alimentacin. Para determinar la caracterstica del par, teniendo en cuenta que M=k2.Ii.u, como el flujo til de la mquina disminuye al disminuir la tensin de alimentacin, el par disminuir para el mismo valor de intensidad de inducido, con lo cual la caracterstica ser la representada en la figura.

Por lo tanto, la caracterstica mecnica, con esta variacin de tensin de alimentacin ser la representada en la figura siguiente por la recta 2 en la que se observa que para el mismo valor del par motor la velocidad ser menor que si la alimentacin fuera Ub, y la variacin de la velocidad ser mayor cuanto mayor sea el par resistente que ofrezca la carga.

Sin embargo, si la variacin de la tensin provocase una variacin grande del flujo inductor, y por lo tanto la f.e.m. interna resultase ser (a la velocidad de referencia) como la indicada por Eo en la figura, al determinar la caracterstica de velocidad de la mquina se observara que el nuevo valor de la velocidad para el cual la f.e.m. interna iguala a la tensin en bornes menos la cada de tensin hmica, es superior al correspondiente a la tensin Ub para el mismo valor de intensidad de inducido.

Si se representa la variacin del par motor de la mquina en funcin de la intensidad, para la nueva tensin de alimentacin, al reducirse el flujo la caracterstica toma la forma indicada por la lnea 2 (figura).

Determinando la caracterstica mecnica de la mquina a partir de las anteriores se obtiene la grfica de la figura (2), en la que se observa que para determinados valores de par, la velocidad es superior a la obtenida a la tensin Ub, es decir, que se puede aumentar la velocidad disminuyendo la tensin de alimentacin. 1.2.3. MOTOR SERIE En un motor serie, la intensidad de excitacin es la propia intensidad de inducido de la mquina.

1.2.3.1.Variacin de la tensin de alimentacin Si se reduce la tensin de alimentacin al circuito de forma que pase de un valor Ub a Ub, la caracterstica de velocidad (n-Ii) de la mquina resulta modificada segn muestra la figura siguiente.

En la que se representan las caractersticas de velocidad para dos valores de la tensin de alimentacin Ub y Ub. Se observa que para el mismo valor de intensidad de inducido, la velocidad que alcanzar la mquina ser menor si la tensin de alimentacin disminuye. Para cada valor de la intensidad de inducido, el par motor es independiente de la tensin de alimentacin, al depender slo de la intensidad y del valor del flujo que a su vez es una funcin de la intensidad de inducido. Por lo tanto, la caracterstica mecnica (n-M) de la mquina presenta una variacin similar a la obtenida para la caracterstica de velocidad (n-Ii). 1.2.3.2.Variacin del flujo inductor Para reducir el valor del flujo de excitacin es preciso colocar en paralelo con el devanado de excitacin de la mquina un restato de campo de forma que:

A ttulo de ejemplo, considerando Ie=Ii/2 la caracterstica de velocidad (n-Ii) de la mquina toma la forma indicada como curva 2 en la figura.

A partir de la observacin de esta grfica se deduce que la velocidad aumenta para cualquier valor de la intensidad de excitacin de la mquina, siendo esta variacin ms acusada si esa intensidad es menor que la correspondiente al codo de saturacin. La caracterstica del par se ver modificada respecto a la anterior de la forma indicada en la figura.

Respecto a la caracterstica mecnica, suponiendo la caracterstica de vaco linealizada, resulta la indicada en la figura observndose que al disminuir el flujo inductor de la mquina, para el mismo valor de par motor la velocidad de funcionamiento es mayor. 1.2.3.3.Variacin de la resistencia de inducido Al variar el valor total de la resistencia de inducido, la caracterstica experimenta una variacin similar a la vista en el caso del motor independiente, rotando sobre el punto de intensidad igual a cero. El valor de la velocidad para el mismo valor de intensidad de excitacin ser menor.

La caracterstica del par de la mquina (M-Ii) no presenta variacin en este caso, y por lo tanto la caracterstica mecnica (n-M) presenta el mismo aspecto que la caracterstica de velocidad (n-Ii). 1.2.3.4.ADAPTACIN DEL PAR MOTOR AL PAR RESISTENTE

Segn se ha visto, una modificacin de los valores de resistencia, tensin de alimentacin o flujo inductor de la mquina, provoca modificaciones en las curvas caractersticas del motor. Se puede determinar cmo deben ser modificadas las variables anteriores para obtener el funcionamiento deseado de la mquina. Como ya se ha visto, el estado de funcionamiento del motor vendr definido por la interseccin de la caracterstica mecnica del motor y la caracterstica mecnica del par resistente en cada caso. Por ejemplo, se pretende conseguir que un motor de excitacin independiente mantenga constante su velocidad ante cambios de par resistente como los indicados en la figura siguiente (M1, M2, M3).

En esta figura se observa que ante una variacin de par resistente (p.ej. de M 1 a M2), el motor pasara del punto de funcionamiento A al punto B, y por tanto, la velocidad del motor ser n2 mayor que n1. Para mantener la misma velocidad, el nuevo punto de funcionamiento debera ser el B, lo que implica utilizar un procedimiento que permita obtener una velocidad de funcionamiento menor que la anterior.

Si se reduce la tensin de alimentacin del motor, la caracterstica mecnica se desplaza paralelamente a s misma, por lo que se tendra que buscar qu nuevo valor de la tensin de alimentacin hace que la caracterstica mecnica Mm2 pase por el punto B con lo que se conseguira mantener la velocidad constante. Por lo tanto, dependiendo de la variacin sufrida por el par resistente, y el tipo de motor, se tendr que utilizar en cada momento el procedimiento que d lugar a la variacin de velocidad deseada.

1.3.EJEMPLO DE PROCEDIMIENTOS DESCRITOS: 1.3.1. Regulacin de velocidad variando el flujo inductor

Motor derivacin

Motor serie

1.3.2. Regulacin mediante la tensin de alimentacin Un caso particular en traccin elctrica es el de varios motores conectados sobre el mismo eje, se pueden conseguir varias velocidades sin ms que cambiar la conexin entre las mquinas. En la figura se observan tres formas posibles de conectar cuatro motores serie que actan sobre el mismo eje. Segn la conexin realizada, la tensin de

alimentacin a cada motor ser diferente, y por lo tanto tambin lo ser su velocidad de funcionamiento.

Regulacin de velocidad de 4 motores serie acoplados a un mismo sistema mecnico o modificacin del conexionado. Izquierda: Conexin serie: velocidad mnima Centro: Conexin serie-paralelo: velocidad media. Derecha: Conexin paralelo: velocidad mxima

1.3.3. Grupo Ward-Leonard El grupo Ward-Leonard es un convertidor formado por un motor de c.a.generador de c.c. de la misma potencia que le motor cuya velocidad se pretende regular. El objetivo de este grupo es variar de forma continua la velocidad de un motor para lo cual se utilizan dos de los procedimientos anteriores, por una parte se alimenta con una tensin continua y regulable su inducido desde la dnamo, por otra parte tambin se puede actuar sobre el circuito de excitacin del motor cuya velocidad se pretende regular.

Siguiendo el esquema de la figura, si se vara el restato del circuito de excitacin del generador, se consigue variar la tensin de salida del mismo, es decir, la tensin de alimentacin del motor, permitiendo variar la velocidad de ste. Para conseguir velocidades superiores a la nominal del motor, se aumentara el valor del restato de campo del motor, reduciendo en su intensidad de excitacin. Transitoriamente, el papel jugado por las mquinas de c.c. se puede invertir. Si la f.e.m. interna del motor se hace superior a la tensin aplicada esta mquina pasa a funcionar como generador mientras que la dnamo funciona como motor. Actualmente, los equipos reguladores de velocidad para los motores elctricos se basan en convertidores estticos que permiten alimentar al motor con una tensin continua regulable de forma ms econmica, controlada y exacta.

Frecuentemente, se intenta controlar un motor DC mediante una resistencia variable conectada a un transistor. Si bien este sistema funciona, genera gran cantidad de calor y prdidas de potencia. Para ello se puede eliminar ese problema controlando la velocidad de un motor DC mediante la modulacin por ancho de pulso (PWM) o mediante la modulacin de frecuencia de pulso (PFM). Cuando ms ancho es el pulso, mayor es la velocidad del motor y viceversa 1.3.4. PWM Descripcin El PWM, o modulacin por ancho de pulso, la cual consiste en modificar el ancho del pulso dejando la frecuencia intacta, el programa aceptara dos entradas, que son los Push Buttons conectados al microcontrolador, y tendr una salida, que es el LED, el cual indicara el nivel de modulacin, a ms ancho el pulso mas ciclo de trabajo y el LED se iluminara con mayor intensidad. Diagrama Esquemtico

Materiales 1 LED 1 Resistencia de 220 Ohms 2 Push Button 2 Resistencias de 10Kohms1 Microcontrolador ATmega8 Programador USBasp V3.0

La modulacin por ancho de pulso o PWM (Pulse-Width Modulation), de una seal, es cuando se modifica el ciclo de trabajo o el ancho del pulso de una seal peridica, en este caso representado por una seal cuadrada, uno de los usos del PWM entre muchos otros, es controlar la cantidad de energa, en este caso el voltaje promedio es mayor conforme aumenta el ciclo de trabajo. Un circuito PWM arroja como resultado una onda cuadrada con ciclo variable de ON y Off, variando en el tiempo del 0 al 100 %. De esta manera, una cantidad variable de potencia es transferida a la carga.

En la imagen anterior se puede observar, que el periodo de la seal permanece fijo, por lo tanto, la frecuencia tambin, solamente cambia el ciclo de trabajo, en la primera se observa que el ciclo de trabajo es de aproximadamente 50% lo cual nos indica que es el porcentaje de voltaje promedio entregado a la carga. La principal ventaja de un circuito de PWM sobre un controlador que se base en la variacin lineal de la potencia suministrada a una carga mediante cambio resistivo es la

eficiencia. A una seal de control del 50%, el PWM usar cerca del 50% de la potencia total, de la cual casi tosa ser transferida a la carga. En un controlador tipo resistivo, de un 50% de potencia que se quiera transferir a la carga se estima que le puede llegar cerca de un 71%. El otro 21% se pierde en forma de calor. La principal desventaja de los circuitos de PWM es la posibilidad de que exista interferencia por radiofrecuencia (RFI). El RFI puede minimizarse ubicando el controlador cerca de la carga y utilizando un filtrado de la fuente de alimentacin. Este circuito posee una pequea proteccin contra RFI y produce una mnima interferencia. Un diagrama de ejemplo de la utilizacin de la modulacin de ancho de pulsos en un variador de frecuencia empleando un CI NE555 sera el siguiente:

Actuando sobre el potenciometro R2 se modifica la tensin presente en el pin 2 del CI NE555, lo cual produce un cambio en el tiempo de disparo. Para este circuito, T es de tamao fijo, lo nico que se hace al rotar R2 es cambiar el tiempo en estado alto (Tm) y el tiempo en estado bajo (Ts). El diodo D1 evita que la corriente generada por el motor cuando est girando sin alimentacin, destruya el transistor Q1. Este circuito se aplica perfectamente a pequeos motores de corriente continua, de entre 6V y 12V, con su consumo de corriente no mayor a 300mA. Para motores ms grandes, se debe sustituir el transistor Q1 por uno de Tecnologa MOSFET, capaz de manejar picos de hasta 50A. Lo hemos probado con motores de 12V/3A y funciona sin Calentarse, an sin el uso de disipador de calor. El circuito para este tipo de motores sera el siguiente:

El PWM se puede utilizar en varias cosas, como el control de la velocidad de motores de DC, la posicin de un servomotor, fuentes conmutadas, entre otras cosas ms.

1.3.5. PFM El sistema PFM utiliza el planteamiento contrario, es decir, mantener constante el ancho de pulso y variar la frecuencia entre ellos. De este modo se obtienen resultados parecidos pero el hardware se complica.

1.3.6. REGULACIN DE VELOCIDAD EN LOS MOTORES BRUSHLESS DC.

El bobinado del motor de corriente continua brushless, se basa en la agrupacin de tres bobinas, colocadas elctricamente a 120 para generar el campo magntico giratorio del motor. La etapa de control y potencia difiere totalmente de un servomotor de escobillas. El servomotor necesita, obligatoriamente, esta electrnica de control para su funcionamiento. La conmutacin secuencial de estas bobinas se basa en las seales de la posicin del rotor, generadas por los sensores Hall. Si la conmutacin de estas bobinas se realiza por una electrnica de conmutacin en bloque, se pueden alcanzar pares ms elevados en el arranque, y si la conmutacin es senoidal, el funcionamiento del servomotor es ms suave y el par en funcionamiento en continuo es mayor.

1.3.6.1.Tipos de control El objeto es conseguir un actuador mecnico que integre los suficientes elementos de control para poder modificar los parmetros de su actuacin mecnica, velocidad, par, posicin, etc Estudiando las necesidades de precisin, se debe seleccionar qu tipo de control se necesita: bucle abierto o bucle cerrado y qu modo de funcionamiento debe tener, uno o cuatro cuadrantes (1 Q o 4 Q).

Bucle o lazo abierto Si no se tiene un sensor asociado al servomotor, no se puede tener un control ajustado sobre la carga, aunque exista una seal de consigna que marque un punto de trabajo fijo de velocidad. Por el contrario, son sistemas ms econmicos que los sistemas de bucle cerrado, con menos componentes y menos cableado. As, si se tiene por ejemplo una cinta transportadora donde la carga oscila, el motor reducir / aumentar su velocidad sin mantener una velocidad constante estable. Se pueden alcanzar cadas de velocidad, importantes.

Bucle o lazo cerrado Dada una seal de consigna, el sistema reacciona con rapidez, precisin y fiabilidad en el control de las siguientes variables. El sistema requiere ms cableado, y es ms costoso, pero entrega unas prestaciones muy superiores en cuanto a la calidad de la regulacin.

Modo de funcionamiento Control de Velocidad

Mantiene una velocidad estable independiente de la carga, proporcional a una seal de control (seal de consigna). Ejemplo de una cinta transportadora con diferentes cargas: al aumentar la carga, el sistema detecta una bajada de velocidad y la compensa inmediatamente manteniendo el valor de consigna o deseado. Control de Corriente

Entrega en el servomotor un par proporcional a la seal de control. Por ejemplo, con un atornillador elctrico, el control de corriente nos permite controlar la fuerza (par de apriete) con la que se atornilla. Control de Posicin

Para controlar exactamente una posicin dada. Tpico uso en robtica y muchos tipos de mquinas y equipos de laboratorio. El sistema se autocorrige si la posicin medida difiere de la posicin requerida. Incluso cuando se alcanza la posicin y el servomotor est parado, si lo se trata de desplazar manualmente, el sistema reacciona y vuelve a la posicin requerida. En aplicaciones dinmicas se aconseja la utilizacin de servomotores de bobinados sin hierro (servomotores ironless), de muy baja constante de tiempo mecnica. Al tener el rotor una inercia muy baja, el servomotor reacciona muy bien a las seales del amplificador. Esto se traduce en un gran dinamismo tanto en aceleraciones como frenadas.

1.3.6.2.SENSORES

ENCODER El encoder va acoplado al eje trasero del motor. En algunas ocasiones se usa un encoder adicional en la carga para posicionamiento muy preciso evitando las holguras en la

transmisin entre el servomotor y la carga. Normalmente, la seal de salida del encoder es una onda cuadrada digital tipo TTL (0 V = 0 y 5 V = 1) la cual se procesa para la cuenta de pulsos (velocidad o posicionamiento de precisin). El desfase de 90 entre las seales del canal A y B permite determinar el sentido de giro del servomotor. El canal Index se utiliza para tareas de bsqueda de cero (home, homing) en posicionamiento, al iniciar la mquina. El encoder con line driver genera seales complementarias en cada canal para eliminar posibles interferencias elctricas que reciban los cables. Dependiendo del entorno de las interferencias elctricas, se pueden transmitir las seales a ms de 30 metros sin cable apantallado. Hoy da, es el tipo ms utilizado en la industria. El encoder ms usado habitualmente es el encoder tipo ptico incremental de 500 pulsos / vuelta, existiendo otras tecnologas como los encoders magnticos. Se recomiendan los encoders magnticos en lugares donde exista mucha polucin ambiental.

Encoder incremental y encoder absoluto Con el encoder incremental, al inicializarse la mquina, el sistema hace una bsqueda del cero o Home. A partir de ah, se suman o restan los pulsos del encoder para determinar la posicin del accionamiento. En caso necesario, se puede utilizar un encoder absoluto que memoriza la posicin, incluso en ausencia de corriente. En este caso no es necesario hacer una bsqueda de cero. Resolucin de encoder Un punto importante es elegir la resolucin del encoder. En encoders incrementales pticos para motores pequeos es difcil conseguir resoluciones por encima de los 1.000 pulsos por vuelta (ppv). Hay que tener en cuenta la trasmisin. Por ejemplo, un servomotor con reductora , con una reduccin de 236 a uno, la resolucin del encoder de 500 pulsos se ve multiplicada por la reduccin. En este caso, tendramos una resolucin de 118.000 pulsos por vuelta en el eje de la reductora. Esto se traduce en una precisin de poco ms de 5 (minutos de arco).

Holguras en la trasmisin Aunque se consiga una resolucin o precisin muy alta, sta puede ser anulada por la holgura de la reductora y otros elementos de la transmisin. Por ejemplo, la holgura del sistema puede ser de 2. Las holguras son necesarias para el rendimiento y el funcionamiento suave de los engranajes. Este problema slo es evidente en tareas de

posicionamiento muy preciso, cuando se invierte el sentido de giro. Es decir, si se est posicionado en el mismo sentido de giro, no hay mucho problema de repetibilidad. La holgura se hace evidente solo cuando se invierte el sentido de giro. Como solucin a estos casos se puede poner un encoder adicional en la carga, una reductora de holgura reducida (la holgura cero no existe), minimizar por software el efecto de la holgura en la inversin de giro o utilizar un servomotor directo acoplado a la carga.

SENSOR DE EFECTO HALL (o sonda Hall ) Solo para motores brushless DC. Efecto Hall: Cuando fluye una corriente a travs de un sensor Hall y este se aproxima a un campo magntico perpendicular, entonces se crea un voltaje saliente proporcional al producto de la fuerza del campo magntico y de la corriente. Gracias a este principio, mediante un disco magntico acoplado al eje del servomotor podemos sensar la posicin del rotor. Principalmente, estos sensores se usan para que la electrnica pueda conmutar las tres bobinas del motor de acuerdo a la posicin de los polos del imn del rotor. As por ejemplo un motor brushless de dos polos con 3 sensores hall (a 120), tiene una resolucin en posicin de 6 pulsos por vuelta ( 60 de conmutacin). En caso de los servomotores multipolares esta resolucin aumenta. Ocasionalmente, se pueden accionar los motores brushless sin sensores Hall para determinadas aplicaciones muy sencillas, como por ejemplo ventiladores y bombas. Sin sensores Hall, el problema es que el arranque del servomotor es un poco brusco. Algunas veces se utilizan los sensores Hall para aplicaciones de posicionamiento de baja resolucin. Si se tiene una reductora acoplada al servomotor esta resolucin se multiplica.

RESOLVERS El resolver tiene una bobina primaria giratoria (rotor) y dos bobinados secundarios desfasados 90 (estator). Una tensin variable del bobinado primario es transmitida a los bobinados secundarios generando ondas sen y cos . Se utiliza para el control de velocidad y posicionamiento, pudiendo transmitir sus seales a largas distancias, pero requieren de un equipo especial del tratamiento de su seal.

TACODINAMOS

La tacodinamo proporciona una seal analgica de tensin proporcional a la velocidad de rotacin del motor CC. Por ejemplo 0,5 V por cada 1.000 rpm. El sentido de giro se identifica por la polaridad de la tensin que suministra. Es importante en estos equipos la linealidad de su diagrama. La desventaja es que al tener escobillas estn sujetas a desgaste. Por este motivo y por la falta de informacin de posicin, han sido prcticamente sustituidas por el encoder. Se utiliza para el control de velocidad, pero no para posicionamiento.