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CONTROL DE UN MOTOR DCCON IGBT
OBJETIVO:
El presente trabajo tiene como objetivo describir el
funcionamiento de un circuito implementado para el control de
velocidad y giro de un motor DC, utilizando la técnica de PWM para
el control de velocidad e IGBT para la etapa de potencia que en
este caso es un puente con el cual se puede controlar el sentido
de giro del motor y nos permite manejar corrientes y voltajes
considerables mayor de las que podríamos manejar con transistores
bipolares o mosfet. Se enfatizo también en describir las
características del dispositivo IGBT como primera opción en la
realización de circuitos de potencia y su respectiva comparación
con otras tecnologías similares.
MARCO TEORICO:
Para empezar con este trabajo monográfico describiremos los
componentes más importantes en el diseño de nuestro circuito que
son el motor DC y el IGBT, que necesitamos conocer para realizar
un buen control de velocidad y giro.
EL MOTOR DC
El motor de corriente continua es una máquina que convierte la
energía eléctrica en mecánica, principalmente mediante el
movimiento rotatorio.
Esta máquina de corriente continua es una de las más versátiles
en la industria por los diferentes usos que se le puede dar. Su
fácil control de posición, parada y velocidad la han convertido en
una de las mejores opciones en aplicaciones de control y
automatización de procesos. Pero con la llegada de la electrónica
su uso ha disminuido en gran medida, pues los motores de corriente
alterna (tipo asíncrono), pueden ser controlados de igual forma a
precios más accesibles para el consumidor, ya que requieren menos
mantenimiento y el coste del motor AC es menor que un motor DC. A
pesar de esto los motores de corriente continua se siguen
utilizando en muchas aplicaciones de potencia (trenes y tranvías)
o de precisión (máquinas, micro motores, etc.)
La principal característica del motor de corriente continua es la
posibilidad de regular la velocidad desde vacío a plena carga.
El motor de corriente continua se compone principalmente de 2
elementos:
Estator
Rotor
Dentro de los cuales se pueden distinguir otros componentes:
Para entender el funcionamiento del motor describiremos cada parte del motor DC.
ESTATOR O INDUCTOR:
Es un elemento inmóvil del circuito magnético en el que se
bobina un arrollamiento para producir un campo magnético. El
electroimán así construido tiene una cavidad cilíndrica entre sus
polos. Este flujo magnético será usado por el rotor para realizar
el movimiento giratorio.
EL INDUCIDO O ROTOR:
Es un cilindro de chapas magnéticas, aisladas entre sí y
perpendiculares al eje del cilindro. El inducido es móvil y gira
alrededor de su eje separado del inductor por un entrehierro. los
ESTATOR ROTOR
ARMAZON EJE
IMAN PERMANENTE NUCLEO Y DEVANADO
ESCOBILLAS Y
PORTAESCOBILLAS
COLECTOR
TAPAS
conductores están regularmente repartidos. Esta parte del motor es
la que genera el torque para mover la carga.
EJE:
Formado por una barra de acero fresada. Imparte la rotación
al núcleo, devanado y al colector.
NUCLEO:
Se localiza sobre el eje. Fabricado con capas laminadas de
acero, su función es proporcionar un trayecto magnético entre
los polos para que el flujo magnético del devanado circule.
Las laminaciones tienen por objeto reducir las corrientes
parásitas en el núcleo. El acero del núcleo debe ser capaz de
mantener bajas las pérdidas por histéresis. Este núcleo
laminado contiene ranuras a lo largo de su superficie para
albergar al devanado de la armadura (bobinado).
DEVANADO:
Consta de bobinas aisladas entre sí y entre el núcleo de la
armadura. Estas bobinas están alojadas en las ranuras, y
están conectadas eléctricamente con el colector, el cual
debido a su movimiento rotatorio, proporciona un camino de
conducción conmutado.
COLECTOR:
Denominado también conmutador, está constituido de láminas de
material conductor (delgas), separadas entre sí y del centro
del eje por un material aislante, para evitar cortocircuito
con dichos elementos. El colector se encuentra sobre uno de
los extremos del eje del rotor, de modo que gira con éste y
está en contacto con las escobillas. La función del colector
es recoger la tensión producida por el devanado inducido,
transmitiéndola al circuito por medio de las escobillas
(llamadas también cepillos)
ARMAZON:
Denominado también yugo, tiene dos funciones primordiales:
servir como soporte y proporcionar una trayectoria de retorno
al flujo magnético del rotor y del imán permanente, para
completar el circuito magnético.
IMAN PERMANENTE:
Compuesto de material ferro magnético, se encuentra fijado al
armazón o carcasa del estator. Su función es proporcionar un
campo magnético uniforme al devanado del rotor o armadura, de
modo que interactúe con el campo formado por el bobinado, y
se origine el movimiento del rotor como resultado de la
interacción de estos campos.
ESCOBILLAS Y PORTAESCOBILLAS:
Las escobillas están hechas de carbón, y son las encargadas
de mantener contacto con el colector y proporcionar la
tensión y corriente hacia el rotor. Su dureza es menor que la
del colector, esto se debe para evitar el desgaste de las
escobillas que además se encuentran albergadas en las porta
escobillas y ambas al estator. La función del porta
escobillas es mantener el contacto de la escobilla con los
segmentos del colector mediante unos resortes, el contacto
debe tener una presión moderada ya que si la presión es
mucha, tanto las escobillas como el colector se desgastarían
y si la presión es poca o débil el contacto entre estos no se
daría del todo bien ocasionando problemas en el
funcionamiento del motor. Justamente estos dos componentes
(escobillas y colector) son los que se tienen que dar
mantenimiento o en todo caso reemplazarlos por desgaste, de
ahí el coste excesivo en mantenimiento de los motores DC en
comparación con los motores AC.
Estructura del motor DC:
Funcionamiento del motor DC
• Cuando se alimentan con electricidad los cables de
entrada, las bobinas del rotor forman un campo magnético
con una polaridad dada. Por tal motivo y debido a la
atracción de los polos contrarios el rotor gira para
colocar los polos contrarios de frente.
Antes de colocarse frente a frente las escobillas dejan
de hacer contacto eléctrico con el colector y el campo
magnético del rotor desaparece, no obstante, la inercia
del rotor hace que se sobrepase la posición de polos
enfrentados y de nuevo se establece el contacto
escobilla-colector, pero en este caso con la polaridad
intercambiada. Esta hace que se formen polos iguales
colocados muy cerca, la repulsión de ellos hace que se
prosiga el movimiento en la dirección iniciada. Este
ciclo de atracciones- repulsiones se produce
infinitamente y el rotor gira de manera permanente
mientras tenga conecta la electricidad.
Producción de par de un motor DC
Tipos de funcionamiento:
El motor de corriente continua tiene un funcionamiento
reversible, veamos:
• Cuando la carga se opone al movimiento de rotación,
generando un par, el funcionamiento es la de un motor.
• Si la carga hace girar a la maquina (denominada carga de
arrastre), el aparato genera energía eléctrica
(generador).
Tipos de motores DC:
1. Excitación paralelo (independiente)
Los arrollamientos, inducido e
inductor, se conectan en paralelo
o alimentados a fuentes de
tensiones diferentes para
adaptarse a las características
del motor. La inversión del
sentido de giro se obtiene por la
inversión de conexión de uno u otro arrollamiento; en
general la inversión de la tensión se hace en el
inducido debido a que sus constantes de tiempo son mucho
menores. La mayoría de los variadores bidireccionales
para motor de corriente continua trabajan de este modo.
2. Excitación serie
El bobinado inductor se conecta
en serie con el bobinado inducido.
La inversión de giro se obtiene
indistintamente invirtiendo la
polaridad del inducido o del
inductor. Este motor se utiliza principalmente para
tracción, especialmente en carretillas alimentadas
mediante baterías de acumuladores. En tracción
ferroviaria.
3. Excitación serie-paralelo
Este motor tiene dos arrollamientos en el inductor. Uno
está en paralelo con el inducido y está recorrido por
una corriente baja respecto a la corriente de trabajo.
El otro está en serie. Los flujos en el motor se suman
si los amperios-vueltas de ambos
arrollamientos tienen el mismo
sentido. En caso contrario, los dos
flujos se restan, pero este montaje
se utiliza muy pocas veces porque
lleva a un funcionamiento inestable para grandes cargas.
DISPOSITIVO DE POTENCIA (IBGT)
Para el desarrollo de nuestro proyecto se utilizo el igbt
como dispositivo de potencia con la finalidad de construir un
puente H, lo cual nos proporciona el control de giro del
motor. Una razón por la cual se trabaja con igbt es su fácil
manejo de activación por tensión en compuerta, al igual que
los mosfet y razón por la cual podemos controlar la velocidad
del motor aplicando una señal PWM a cada par de compuertas de
igbt’s. A continuación describiremos las propiedades de este
dispositivo.
IGBT (transistor bipolar de puerta aislada)
El igbt es un hibrido que combina las características de los
transistores bipolares y de los mosfet. Su similitud con los
mosfet es que se controla por tensión V(gs) y no por
corriente como los transistores bipolares. Los igbt’s
trabajan a mayores frecuencias que los transistores bipolares
pero a menores que los MOSFET.
Para altas y medianas potencias (> 5KW) y tensiones (>1000
volt), se recomienda usar igbt ya que tienen menos perdidas
en conmutación que los MOSFET.
REPRESENTACION Y CURVAS CARACTERISTICAS DEL IGBT (CANAL N)
a) Símbolo característico del igbtb) Corte transversal igbtc) Curva v-i
CARACTERISTICAS:
CONTROL DE PUERTA COMO EL MOSFET Y SALIDA
CARACTERISTICA TIPO BJT.
VELOCIDAD INTERMEDIA (MOSFET-BJT).
TRABAJA CON TENSIONES Y CORRIENTES MAYORES QUE LOS
MOSFET (1400V – 500A).
GEOMETRIA Y DOPADO SIMILARES AL MOSFET (CAPA N- MENOS
DOPADA Y MAS ANCHA).
SOPORTA A DIFERENCIA DE LOS BJT TENSIONES INVERSAS YA
QUE NO TIENEN DIODO ANTIPARALELO.
EXISTEN EN CANAL N Y CANAL P.
Alta impedancia entre los terminales GS, GD y más
alta aun entre DS.
USADO EN DETERMINADAS CIRCUNSTANCIAS:
Bajo ciclo de trabajo
Baja frecuencia (< 20 kHz)
Aplicaciones de alta tensión (>1000 V)
Alta potencia (>5 kW)
APLICACIONES:
Control de motores
Sistemas de alimentación ininterrumpida
Sistemas de soldadura
Iluminación de baja frecuencia (<100 kHz) y alta potencia
CONSIDERACIONES AL SELECCIONAR UN IGBT:
Tensión a la cual se va a trabajar, si es a
tensiones menores de 500v, se recomienda usar
MOSFET, si son tensiones mayores de 1000v, el igbt
es una buena opción ya que tiene menos perdidas por
conmutación que un mosfet.
La corriente con la cual se va a trabajar, ya que los igbt varían su precio de acuerdo a la corriente que soportan.
El voltaje de caída Vds. en modo de conducción (saturación).
Velocidad de conmutación del igbt.
Tipo de paquete de igbt: tipo transistor, encapsulados o módulos.
Voltaje Vds. A altas temperaturas.
PRESENTACIONES DE LOS IGBT’S:
DIAGRAMA DE BLOQUES DEL CIRCUITO A IMPLEMENTAR
DIAGRAMA ANALOGO ESPECIFICANDO LOS COMPONENTES A USAR:
FUNCIONAMIENTO DEL CIRCUITO:
En esta sección se detallara cada bloque del circuito y su respectivo funcionamiento.
ETAPA DE CONTROL
GENERACION
PWM
AMPLIFICACION DE SEÑAL Y PROTECCION DE CIRCUITO DE CONTROL
CIRCUITO DE
POTENCIA
MOTOR DC
CAMBIO DE GIRO
PIC 16F84A
OPTO-TRANSISTOR
4N35
PUENTE-IGBTIRG4BC30K
MOTOR DC
(24V—2A)
CAMBIO GIRO PORTTL
Esta etapa del diseño es la encargada de generar las señales
PWM, para el control de velocidad del motor DC, el cambio de
giro y el aislamiento de la etapa de control con la de
potencia mediante optocopladores y la generación de tiempos
muertos para evitar el cortocircuito entre pares
complementarios de IGBT.
GENERACION DEL PWM:
Para la generación de la señal PWM se uso el PIC
16f84, su funcionamiento es que por cada pulso
positivo que reciba el PIC por RB0 cambie el duty
de la señal, teniendo 5 velocidades (5 tamaños
diferentes de duty). para la señal se tuvo ciertas
consideraciones:
Consideraciones a tomar para generar la señal PWM:
1. velocidad de conmutación del dispositivo a usar, en este
caso igbt.
2. Generar 5 tipos de señales, de igual periodo pero
diferente duty cycle.
3. El duty de la primera señal debe ser lo suficientemente
pequeña como para no vencer la inercia del motor y
mantenerlo apagado.
4. La segunda señal debe poder vencer la inercia del motor
y mostrar un movimiento de este a una velocidad cte.
5. El duty de la última señal debe cubrir casi todo el
periodo (90%).
• Para el proyecto se tomaron las siguientes parámetros:
1. Periodo de la señal : 25ms
2. Duty de la primera señal : 2ms (suficiente para no
vencer la inercia del motor)
3. Duty de la 2da, 3er, 4ta, 5ta señal respectivamente: 7,
10, 15, 22 (ms).
CAMBIO DE GIRO Y ON/OFF:
Para el cambio de giro se uso un flip flop J-K (7476),
modificado para que funcione como un biestable, uniendo el
terminal J y el terminal K y colocándolos a 1 lógico(5
volt.) ya modificado al recibir un flanco de bajada en su
clock, que será proporcionada por un pulsador, las señales
de Q y /Q del flip flop J-K son direccionadas a unas
compuertas AND (7404), Q en una entrada de la compuerta
AND(1) y /Q a otra entrada de la compuerta AND(2), luego
se une los otros terminales de ambas compuertas AND ya que
en esta unión será donde llegue la señal PWM generada por
el PIC, la función de este circuito es conmutar la señal
entre los pares complementarios de igbt’s antes pasando
por el optocoplador como protección del circuito de
control. Para realizar la función de encendido y apagado se tiene el pulsador ON/OFF que se encargara por medio de
software de activar y desactivar la generación de la señal
de control.
Circuito generador de PWM, cambio de giro y ON/OFF
AMPLIFICACION DE LAS SEÑALES Y PROTECCION DEL CIRCUITO DE
CONTROL.
Ya que las compuertas de los igbt’s se activan con 15 voltios
y las señales del PIC son de 5 voltios, se necesita
amplificar la señal y a la vez proteger el circuito de
control (PIC y cambio de giro), para esto se hace pasar la
señal por optocopladores (4N35) que están alimentadas con 15
voltios para la etapa de potencia. Se debe tener en cuenta
que para activar cada igbt se tiene que tener 4
optocopladores uno para cada igbt, una recomendación es que
cada señal de salida (salida del optocoplador) tenga su
propia fuente independiente de alimentación. Y comparta la
misma tierra que los source de los igbt.
CIRCUITO DE POTENCIA.
• Para la etapa de potencia se utilizo un puente conformado por
IGBT, se utilizo el modelo IRG4BC30K que soporta hasta 16
Amp. y una tensión de 600 volt. y caída Vce de 2.21 volt en
saturación, este igbt es de tipo canal n, tener en cuenta
que los 4 igbt deben ser del mismo canal (n) ya que un igbt
de canal p invertiría el sentido de la corriente.
• La secuencia de conmutación se da de la siguiente manera:
Q1 y Q3 (activados) ---- Motor gira en sentido horario
Q2 y Q4 (activados) ---- Motor gira en sentido anti horario
Se coloca diodos en paralelo a los 4 igbt para proteger a estos
de la corriente que proviene del inducido del motor al
descargarse, ya que esta corriente puede dañar el dispositivo. El
circuito tipo puente es muy utilizado ya que maneja grandes
corrientes y alto voltaje, pudiendo controlar el giro y velocidad
del motor.
La tensión recibida por el motor sera proporcional al duty de la
señal que se aplique a las compuertas de los igbt.
Vmotor = Vd * (duty/T)
Obteniéndose así diferentes velocidades.
COSTE DEL MATERIAL:
4 IGBT’S (G4BC30K) ------------- S/27.00
4 DIODOS (1N4148) -------------- S/0.80
PIC 16F84A --------------------- S/9.50
TTL (7476) --------------------- S/1.50
TTL (7408) --------------------- S/1.00
(4N35) x4 -------------------- S/6.00
MOTOR DC (24V) ----------------- S/9.00
TOTAL: ------------------------------- S/54.00
CONCLUSIONES:
EL CIRCUITO TIPO PUENTE CON IGBT RESULTO SER MUY COMODO PARA
TRABAJAR MAS AUN SI SE TRATA CON CIRRIENTES Y TENSIONES
ELEVADAS.
FACIL MANEJO DE LA ACTIVACION DE LOS IGBT, POR VOLTAJE EN
COMPUERTA AL IGUAL QUE LOS MOSFET.
MENOS PERDIDA EN CONMUTACION QUE LOS MOSFET Y MAS RAPIDOS QUE
LOS BJT, SIN DUDA LOS IGBT RESULTAN ATRACTIVOS PARA TRABAKAR
CON POTENCIAS MEDIAS Y PROXIMAMENTE CON POTENCIAS ALTAS.
CUANDO SE TRABAJA CON POTENCIAS MEDIAS Y ALTAS ES
RECOMENDABLE USAR ALGUN TIPO DE AISLADOR ENTRE LA ETAPA DE
POTENCIA Y LA ETAPA DE CONTROL, EN ESTE CASO EL OPTOCOPLADOR
FUE DE GRAN AYUDA.
LA SEÑAL PWM FUE GENERADA EN FORMA FACIL POR EL PIC Y SE TOMO
ALGUNAS CONSIDERACIONES PARA SU GENERACION, COMO EL VOLTAJE
NOMINAL QUE NO VENCE LA INERCIA DEL MOTOR Y LA FRECUENCIA DE
CONMUTACION DE LOS IGBT.
DISEÑO DEL CIRCUITO COMPLETO: