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Introducción

La gran mayoría de máquinas utilizadas de manera más común en las industrias de nuestro país: molinos, chancadoras, ascensores, sistemas de bombeo, ventilación, etc. están accionadas por motores de corriente alterna. Por lo general no se requiere control de velocidad en dichas máquinas, o en todo caso, se asocia el “control de velocidad” con los clásicos sistemas de reducción de velocidad (sistemas de engranajes, transmisiones por correas o cadenas, etc.), sin embargo un verdadero sistema de control puede facilitar la operación de esas máquinas e incrementar su productividad.

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AGRADECIMIENTO

A mis padres por darme la vida, a Dios, a la Institución SENATI y a mis profesores, por la sapiencia y sabiduría impartida ya que sin la cual no sería posible la culminación de mi carrera, mis agradecimientos de todo corazón.

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DEDICATORIA

A mis padres, quienes me dieron la vida y se sacrificaron por hacerme un profesional, brindándome sus consejos y enseñanzas que siempre los llevo conmigo

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CAPITULO I

1.1 Objetivos:

Diseñar y construir un variador de velocidad para el control de un motor AC, que detecte el cruce por cero.

1.2 Objetivos específicos:

-Conocer la estructura y características de los variadores de velocidad.

- Analizar las ventajas y desventajas de su uso.

-Comprobar que con la aplicación de un variador de velocidad, se consigue un ahorro energético.

- Realizar el montaje y pruebas de funcionamiento del módulo.

-conocer el funcionamiento en el esquema de fuerza de un triac.

-configurar el PIC 16f877A usando su entrada analógica (RA0/AN0), el cual detecte el cruce por cero.

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1.3 Justificación:

El principal objetivo del presente proyecto es aprovechar las ventajas que proporcionan los variadores de velocidad para controlar la alimentación de un motor de CA a voluntad de las necesidades que se presenten en un proceso y conocer las posibilidades que brindan dichos dispositivos para reducir costos en varios aspectos en la industria.

CAPITULO II

Marco teórico

2.1 PIC 16f877A

Este microcontrolador es fabricado por Microchip familia a la cual se le denomina PIC. El modelo 16F877 posee varias características que hacen a este microcontrolador un dispositivo muy versátil, eficiente y práctico para ser empleado en la aplicación.

2.1.1Características:

Frecuencia de operación (Hasta 20 MHZ.Conversores A/D y D/A para poder recibir y enviar las señales analógicas. Características principales del PIC16F877:• Memoria de programa: FLASH, 8 K de instrucciones de 14 bits c/u. • Memoria de datos: 368 bytes RAM, 256 bytes EEPROM. • Pila (Stack): 8 niveles (14 bits). • Fuentes de interrupción: 13

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• Instrucciones: 35 • Encapsulado: DIP de 40 pines. • Temporizadores/Contadores: 1 de 8 bits (Timer 0); 1 de 16 bits (Timer 1); 1 de 8 Bits (Timer 2) con pre y post escalador. Un perro guardián (WDT) • Líneas de E/S : 6 del puerto A, 8 del puerto B, 8 del puerto C, 8 del puerto D y 3 del puerto E, además de 8 entradas análogas. • Dos módulos de Captura, Comparación y PWM: - Captura: 16 bits. Resolución máx. = 12.5 nseg. - Comparación: 16 bits. Resolución máx. = 200 nseg. - PWM: Resolución máx. = 10 bits. • Convertidor Análogo/Digital de 10 bits multicanal (8 canales de entrada). • Puerto serial síncrono (SSP) con bus SPI (modo maestro) y bus I²C (Maestro/esclavo). • USART (Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter) con dirección de detección de 9 bits. • Corriente máxima absorbida/suministrada (sink/source) por línea (pin): 25 mA • Oscilador: Soporta 4 configuraciones diferentes: XT, RC, HS, LP. • Tecnología de Fabricación: CMOS • Voltaje de alimentación: 3.0 a 5.5 V DC

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2.2 MOC3022

Son conocidos como optoaisladores o dispositivos de acoplamiento óptico, basan su funcionamiento en el empleo de un haz de radiación luminosa para pasar señales de un circuito a otro sin conexión eléctrica. Estos son muy útiles cuando se utilizan por ejemplo, Microcontroladores PICs .si queremos proteger nuestro microcontrolador este dispositivo es una buena opción. En general pueden sustituir los relés ya que tienen una velocidad de conmutación mayor, así como, la ausencia de rebotes.

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2.3 TRIAC BTA41600

El triac es un dispositivo semiconductor que pertenece a la familia de los dispositivos de control tiristores. El triac es en esencia la conexión de dos tiristores en paralelo pero conectados en sentido opuesto y compartiendo la misma compuerta. El triac sólo se utiliza en corriente alterna y al igual que el tiristor, se dispara por la compuerta. Como el triac funciona en corriente alterna, habrá una parte de la onda que será positiva y otra negativa.

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CAPITULO III

Explicación del proyecto

3.1 Variador de velocidad

El Variador de Velocidad (VSD, por sus siglas en inglés Variable Speed Drive) es en un sentido amplio un dispositivo o conjunto de dispositivos mecánicos, hidráulicos, eléctricos o electrónicos empleados para controlar la velocidad giratoria de maquinaria, especialmente de motores. También es conocido como Accionamiento de Velocidad Variable (ASD, también por sus siglas en inglés Adjustable-Speed Drive). De igual manera, en ocasiones es denominado mediante el anglicismo Drive, costumbre que se considera inadecuada.

La maquinaria industrial generalmente es accionada a través de motores eléctricos, a velocidades constantes o variables, pero con valores precisos. No obstante, los motores eléctricos generalmente operan a velocidad constante o cuasi-constante, y con valores que dependen de la alimentación y de las características propias del motor, los cuales no se pueden modificar fácilmente. Para lograr regular la velocidad de los motores, se emplea un controlador especial que recibe el nombre de variador de velocidad. Los variadores de velocidad se emplean en una amplia gama de aplicaciones industriales, como en ventiladores y equipo de aire acondicionado, equipo de bombeo, bandas y transportadores industriales, elevadores, llenadoras, tornos y fresadoras, etc.

Un variador de velocidad puede consistir en la combinación de un motor eléctrico y el controlador que se emplea para regular la velocidad del mismo. La combinación de un motor de velocidad constante y de un dispositivo mecánico que permita cambiar la velocidad de forma continua (sin ser un motor paso a paso) también puede ser designado como variador de velocidad.

3.1.1Motivos para emplear variadores de velocidad

El control de procesos y el ahorro de la energía son dos de las principales razones para el empleo de variadores de velocidad. Históricamente, los variadores de velocidad fueron desarrollados originalmente para el control de procesos, pero el ahorro energético ha surgido como un objetivo tan importante como el primero.

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Aplicaciones de los variadores en bombas y ventiladores.

3.1.2 Velocidad como una forma de controlar un proceso

Entre las diversas ventajas en el control del proceso proporcionadas por el empleo de variadores de velocidad destacan:

Operaciones más suaves. Control de la aceleración. Distintas velocidades de operación para cada fase del proceso. Compensación de variables en procesos variables. Permitir operaciones lentas para fines de ajuste o prueba. Ajuste de la tasa de producción. Permitir el posicionamiento de alta precisión. Control del Par motor (torque).

3.1.3 Fomentar el ahorro de energía mediante el uso de variadores de velocidad

Un equipo accionado mediante un variador de velocidad emplea generalmente menor energía que si dicho equipo fuera activado a una velocidad fija constante. Los ventiladores y bombas representan las aplicaciones más llamativas. Por ejemplo, cuando una bomba es impulsada por un motor que opera a velocidad fija, el flujo producido puede ser mayor al necesario. Para ello, el flujo podría regularse mediante una válvula de control dejando estable la velocidad de la bomba, pero resulta mucho más eficiente regular dicho flujo controlando la velocidad del motor, en lugar de restringirlo por medio de la válvula, ya que el motor no tendrá que consumir una energía no aprovechada...

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3.1.4 Variadores de deslizamiento

Este tipo de variadores se aplica únicamente para los motores de inducción de rotor devanado. En cualquier motor de inducción, la velocidad mecánica (Nm) puede determinarse mediante la siguiente expresión:

Donde s es el deslizamiento del motor, cuyo valor oscila entre 0 y 1. De esta forma, a mayor deslizamiento, menor velocidad mecánica del motor. El deslizamiento puede incrementarse al aumentar la resistencia del devanado del rotor, o bien, al reducir el voltaje en el devanado del rotor. De esta forma es que puede conseguirse el control de la velocidad en los motores de inducción de rotor devanado. Sin embargo, este tipo de variadores es de menor eficiencia que otros, razón por la cual en la actualidad tiene muy poca aplicación.

3.2 Variadores para motores de CA

Los variadores de frecuencia (siglas AFD ,del inglés Adjustable Frecuency Drive; o bien VFD Variable Frecuency Drive) permiten controlar la velocidad tanto de motores de inducción (asíncronos de jaula de ardilla o de rotor devanado), como de los motores síncronos mediante el ajuste de la frecuencia de alimentación al motor.

Para el caso de un motor síncrono, la velocidad se determina mediante la siguiente expresión:

Cuando se trata de motores de inducción, se tiene:

Donde:

Ns = velocidad síncrona (rpm)

Nm = velocidad mecánica (rpm)

f = frecuencia de alimentación (Hz)

s = deslizamiento (adimensional)

P = número de polos.

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Como puede verse en las expresiones (4) y (5), la frecuencia y la velocidad son directamente proporcionales, de tal manera que al aumentar la frecuencia de alimentación al motor, se incrementará la velocidad de la flecha, y al reducir el valor de la frecuencia disminuirá la velocidad del eje. Por ello es que este tipo de variadores manipula la frecuencia de alimentación al motor a fin de obtener el control de la velocidad de la máquina

Estos variadores mantienen la razón Voltaje/ Frecuencia (V/Hz) constante entre los valores mínimo y máximos de la frecuencia de operación, con la finalidad de evitar la saturación magnética del núcleo del motor y además porque el hecho de operar el motor a un voltaje constante por encima de una frecuencia dada (reduciendo la relación V/Hz) disminuye el par del motor y la capacidad del mismo para proporcionar potencia constante de salida

3.2.1 Número de polos.

3.2.1.1Devanados del motor AC

Una de las características de un motor AC (CA) es el número de polos del rotor. Este dato automáticamente dará el número de devanados que tiene el motor. # devanados = # polos x 2.

Ejemplo:- Si un motor tiene 4 polos, entonces el motor tiene 8 devanados.- Si un motor tiene 6 polos, entonces el motor tiene 12 devanados.

Los devanados que tenga un motor CA se dividen en dos grupos. (ver el diagrama)

Un grupo A y el otro B. Todos los devanados de cada grupo están conectados en serie, formando dos grandes devanados.

Estos dos grandes devanados se diferencian entre si en que la voltaje que los alimenta están desfasados 90°. Este desfase se logra con un capacitor y es el desfase que existe en devanados adyacentes en el motor. En la figura el voltaje de alimentación es E = E sen(wt + 90°).

Los polos en el rotor se representan por N y S (imanes)

3.3 Velocidad del motor AC

Como en el rotor los polos son fijos y en estator la polaridad de los campos varía (está alimentado por corriente alterna), los polos fijos del rotor, siguen las variaciones de polaridad de los devanados del estator.

Habrá efectos de atracción y repulsión de campos magnéticos que causará la rotación del rotor.

Como el voltaje de alimentación del estator es periódica, entonces el movimiento del rotor (rotación) sigue esta variación periódica del voltaje de

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Alimentación y como consecuencia la velocidad de rotación es constante.

La velocidad del motor AC está dada por la fórmula: Ns = 60 x f/p

Donde:- Ns = velocidad del motor en rpm (revoluciones por minuto)- f = frecuencia de la alimentación en Hertz (Hz)- p = número de pares de polos del motor.

Importante:- Mientras más polos tenga un motor, menor es su velocidad de rotación (ver la fórmula)- Si el rotor por tener una carga muy grande, no puede seguir las variaciones del estator, causará que el motor deje de girar.- La velocidad de giro del motor AC depende exclusivamente de la frecuencia del voltaje que alimenta el motor (ver la fórmula)

3.4 Principio de funcionamiento

Los dispositivos variadores de frecuencia operan bajo el principio de que la velocidad síncrona de un motor de corriente alterna (CA) esta determinada por la frecuencia de CA suministrada y el número de polos en el estátor, de acuerdo con la relación:

Donde RPM = 120 x f / p

RPM = Revoluciones por minuto f = frecuencia de suministro AC (hertz) p = Número de polos (adimensional)

Las cantidades de polos mas frecuentemente utilizadas en motores síncronos o en Motor asíncrono son 2, 4, 6 y 8 polos que, siguiendo la ecuación citada resultarían en 3000 RPM, 1500 RPM, 1000 RPM y 750 RPM respectivamente para motores sincrónicos únicamente, funcionando en 50Hz y en CA.

En los motores asíncronos las revoluciones por minuto son ligeramente menores por el propio asincronismo que indica su nombre. En estos se produce un desfase mínimo entre la velocidad de rotación (RPM) del rotor (velocidad "real" o "de salida") comparativamente con la cantidad de RPM’s del campo magnético (las cuales si deberían cumplir la ecuación arriba mencionada tanto en Motores síncronos como en motores asíncronos ) debido a que sólo es atraído por el campo magnético exterior que lo aventaja siempre en velocidad (de lo contrario el motor dejaría de girar en los momentos en los que alcanzase al campo magnético) .

El gran problema de éstos dispositivos radica en su costo, que lo hace impráctico para muchísimas aplicaciones.

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El triac controla el paso de la corriente alterna a la carga conmutando entre los estados de conducción (pasa corriente) y corte (no pasa corriente) durante los semiciclos negativos y positivos de la señal de alimentación (110/220 VAC), la señal de corriente alterna.

El triac se disipará cuando el voltaje entre el capacitor y el potenciómetro (conectado a la compuerta del TRIAC) sea el adecuado.

Hay que aclarar que el capacitor en un circuito de corriente alterna (como éste) tiene su voltaje atrasado con respecto a la señal original.

Cambiando el valor del potenciómetro, se modifica la razón de carga del capacitor, el atraso que tiene y por ende el desfase con la señal alterna original.

Esto permite que se pueda tener control sobre la cantidad de corriente que pasa a la carga y así la potencia que en ésta, se va a consumir.

DIAGRAMA DE BLOQUES

Generador PWMPIC16F877A

Salida al TRIAC

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MotorMonofásico

Red220V

Transformador12V

Rectificadorpuente diodos

Regulador5V

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Circuito implementado

CIRCUITO DE MANDO Y DE FUERZA

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Conclusiones

Si se desea controlar la velocidad de un taladro o un ventilador (motores de corriente alterna), este es el circuito que busca.

Muchos de estos circuitos reguladores de potencia tienen un punto de encendido y apagado que no coincide (a este fenómeno se le llama histéresis), y es común en los TRIACS.Para corregir este defecto se ha incluido en el circuito los resistores R1, R2 y C1.El conjunto resistor R3 y capacitor C3 se utiliza para filtrar picos transitorios de alto voltaje que pudieran aparecer.

La maquinaria industrial generalmente es accionada a través de motores eléctricos, a velocidades constantes o variables, pero con valores precisos. No obstante, los motores eléctricos generalmente operan a velocidad constante o cuasi-constante, y con valores que dependen de la alimentación y de las características propias del motor, los cuales no se pueden modificar fácilmente. Para lograr regular la velocidad de los motores, se emplea un controlador especial que recibe el nombre de variador de velocidad. Los variadores de velocidad se emplean en una amplia gama de aplicaciones industriales, como en ventiladores y equipo de aire acondicionado, equipo de bombeo, bandas y transportadores industriales, elevadores, llenadoras, tornos y fresadoras, etc.

Bibliografía

“control de motor AC: Converters, Applications and Design”, Mohan, Undeland y Robbins,John Wiley & Sons, 2ª Ed, Nueva York, 1995.- “control de motor AC”, J. A. Pomilio, Universidade Estadual de Campinas, SP - Brasil.- “control de motor AC”, D. W. Hart, Valparaíso University, Valparaíso Indiana.Prentice Hall.

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