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Control de velocidad de motores eléctricos.

Tipos de controles.

Hay ciertos tipos de semiconductores de  potencia que son usados como control de motores. Estos dispositivos regulan la cantidad de potencia que es aplicada sobre el motor para mover la carga.

Un tipo de semiconductor es el SCR (silicon controller rectifier o rectificador controlador de silicio) que será conectado a la  línea de suministro de voltaje de corriente alterna. Este tipo de dispositivo se emplea generalmente donde gran cantidad de potencia debe ser regulada, la inductancia del motor es relativamente alta y la exactitud en la velocidad no es crítica (por ejemplo dispositivos de velocidad constante para ventiladores, sopladores, las bandas transportadoras). La salida de potencia del SCR, que está disponible para hacer funcionar el motor, se suministra en pulsos discretos. A bajas velocidades, se requiere para mantener la velocidad una corriente continua de pulsos estrechos.

Fig. Un control de SCR

Si un aumento en la velocidad es requerido, el SCR se debe activar para aplicar pulsos más anchos de potencia inmediata, y cuando se desea velocidades más bajas, se quita potencia (se reduce el ancho de los pulsos) y ocurre una reducción gradual de velocidad. Un buen ejemplo sería cuando un automóvil remolca a un segundo coche. El conductor en el primer coche es el dispositivo SCR y el segundo coche, que está siendo remolcando es el motor/ carga. En tanto la cadena se mantenga tensa, el conductor en el primer coche está al control del segundo coche. Pero suponga que el primer coche se retrasa. Se aflojará la cadena y, en este punto, el primer coche no está más al control (y no lo estará hasta que consiga ubicarse una posición donde la cadena esté tensa otra vez). Así pues, para los periodos de tiempo cuando el primer coche debe retrasarse, el conductor no está al control. Esta secuencia ocurre en varias ocasiones, dando por resultado una operación desigual e intermitente. Este tipo de control de velocidad es adecuado para muchas aplicaciones, especialmente para control de motores industriales, donde con circuitos electrónicos muy complejos, se usa el mismo principio para controlar varios parámetros a la vez como velocidad, par de arranque, torque aplicado a la carga a baja o alta velocidad, inversión de marcha, etc..También tiene el mismo principio aplicaciones en el control de intensidad luminosa de luminarias, donde un filamento en un foco puede recibir mayor o menor potencia, haciendo posible la regulación de la intensidad de la luz emitida, permitiendo efectos que pueden tener uso en locales bailables, comercios, etc.

Si se desea una velocidad más estable del motor, una red electrónica puede ser introducida. Insertando una red de “retraso”, la respuesta del control se retarda de modo que un gran pulso de potencia no sea aplicado en forma inmediata. La acción de filtrado de la red de retraso da al motor una respuesta lenta a un cambio repentino en los comandos de la carga o de la velocidad. Esta respuesta lenta no es importante en usos con cargas constantes o inercia extremadamente grande. Pero para sistemas de amplio rango, de alto rendimiento, en los cuales una respuesta rápida es importante, llega a ser extremadamente deseable reducir al mínimo la reacción lenta, dado que son deseables cambios rápidos de los comandos de velocidad, o sea es necesaria una reacción rápida del motor ante una variación.

Los transistores se pueden emplear también para regular la cantidad de potencia aplicada sobre un motor. Con este dispositivo, hay varias "técnicas", o metodologías de diseño, usadas para conmutar los transistores en “on" y "off" o sea “conduce” y “no conduce”. La "técnica" o  modo de operación puede ser "lineal", "modulada por ancho de pulso" (PWM) o " modulada por frecuencia de pulso”; (PFM).

El modo "lineal" utiliza transistores que son activados, o encendidos, todo el tiempo suministrando la cantidad de potencia apropiada requerida. Los transistores actúan como un grifo de agua, regulando la cantidad de potencia apropiada para impulsar el motor. Si el transistor se activa a medias, entonces la mitad de la potencia va al motor. Si el transistor se  activa completamente, entonces toda la potencia va al motor y éste funciona más fuerte/más rápidamente. Así para el tipo de control lineal, la potencia es entregada constantemente, no en pulsos discretos (como en el control a SCR). Se obtiene así una mayor estabilidad y un mejor control de la velocidad.

Fig. El ancho de pulso determina el voltaje promedio .

Fig. La modulación de la frecuencia de pulso determina el voltaje promedio.

Otra técnica se conoce como modulación de ancho de pulso (PWM). Con las técnicas PWM, la potencia es regulada aplicando pulsos de ancho variable, es decir cambiando o modulando los anchos del pulso de la potencia. En comparación con el control a SCR (que aplica grandes pulsos de potencia), el PWM envía pulsos de potencia cortos y discretos (cuando sean necesarios). La operación es como sigue: Con el ancho de pulso pequeño, el voltaje medio que se aplica sobre el motor es bajo, y la velocidad del motor es lenta. Si el ancho de pulso es mayor, el voltaje promedio es más alto, y por lo tanto la velocidad del motor es más elevada. Esta técnica tiene la ventaja de que la pérdida de potencia en el transistor es pequeña, es decir: el transistor está o completamente "activado" o completamente "desactivado" y, por lo tanto, el transistor tiene una disipación de potencia reducida. Este diseño permite tamaños de paquete más pequeños.

Otra técnica final usada para conmutar los transistores entre  “activado o “desactivado” (o también “conduce” y "no conduce", o del Inglés “on” y “off”) se llama modulación de frecuencia de pulso (PFM). Con PFM, la potencia se regula aplicando pulsos de frecuencia variable, es decir cambiando o modulando el temporizado de los pulsos. El sistema funciona como sigue: Con muy pocos pulsos, el voltaje medio aplicado sobre el motor es bajo, y la velocidad del motor es lenta. Con muchos pulsos, el voltaje medio se incrementa, y la velocidad del motor es más alta.

 

TIPOS DE ACCIONAMIENTOS DE MOTORES ELÉCTRICOS

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LAZO ABIERTO

  • Una señal inicia el movimiento
  • No hay señal de realimentación. Ejemplo motor por pasos
 

LAZO CERRADO

  • Una señal comanda el movimiento
  • Con señal de realiemtnación de retorno. Ejemplo servomotor.
  • Dispositivo de relaimentación
 

TIPOS DE CONTROLES

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  Corriente alterma (CA) Corriente continua (CC)
  Convierte CA to CC. Ejemplo vector Convierte CA to CC. Ejemplo servo CC
 

DISPOSITIVOS DE SALIDA DE POTENCIA

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  SCR TRANSISTOR
  Grandes pulsos de potencia, Ejemplo : control de velocidad de SCR Operación plana. Ejemplo: servo control
 

TÉCNICAS PARA CONMUTAR TRANSISTORES ENTRE CONDUCCIÓN Y NO CONDUCCIÓN

 

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LINEAL

MODULACIÓN DE ANCHO DE PULSO (PWM)

MODULACIÓN DE FRECUENCIA DE PULSO (PFM)
  • Transistor siempre en conducción
  • Amplitud de voltios variable
  • Elevada potencia interna disipada
  • Transistor en estado de conducción o no conducción
  • Amplitud de voltios constante
  • Ancho de pulso variable
  • Baja disipación de potencia
  • Transistor en estado de conducción o no conducción
  • Amplitud de voltios constante
  • Tiempo de encendido variable
  • Baja disipación de potencia

 

TIPOS DE DISPOSITIVOS DE REALIMENTACIÓN

Los servos usan señales de retorno, para obtener información de la velocidad, estabilización y posición. Esta información puede provenir desde una variedad de dispositivos tales como tacómetros analógicos, tacómetros digitales (codificador digital) y desde un resolver. A continuación, cada uno de estos dispositivos será definido y se verán sus principios básicos.

TACÓMETROS ANÁLOGICOS

Los tacómetros se asemejan a  motores en miniatura. Sin embargo, la semejanza cesa allí. En un tacómetro, la bobina de alambre es de alambre muy delgado, entonces la capacidad de circulación de corriente eléctrica es muy pequeña. Pero el tacómetro no se utiliza para un dispositivo de suministro de potencia. En su lugar, el eje es girado por algún medio mecánico y un voltaje se desarrolla en los terminales (un motor en revés!). Cuanto más rápidamente el eje se da vuelta, más grande es la magnitud de voltaje desarrollada (es decir, la amplitud de la señal del tacómetro es directamente proporcional a la velocidad). El voltaje de la salida muestra una polaridad (+ o -) la cual es dependiente en la dirección de la rotación.

Fig. : Tacómetro

Los tacómetros analógicos, o tacómetros de C.C. (corriente continua), como se llaman a menudo, juegan un importante papel en los sistemas de impulsión, debido a su capacidad de proporcionar información direccional y rotatoria. Ellos pueden ser utilizados para proporcionar información de velocidad a una escala de medición (para lecturas visuales de la velocidad) o proporcionan retorno de información de la velocidad (para propósitos de estabilización). El tacómetro de C.C. proporciona el método más simple y más directo de llevar a cabo esta tarea.

Como ejemplo de un sistema de impulsión que utiliza un tacómetro analógico para la información de la velocidad, considere un compresor a tornillo, que deba mover una carga a una velocidad constante. El motor  requiere girar el tornillo a 3600 rpm.  Si el gradiente del voltaje de salida del tacómetro es de 2.5 voltios/Krpm, la lectura de voltaje en los terminales del tacómetro debe ser:

3.600 Krpm x 2.5 voltios/Krpm = 9 voltios

Si el voltaje leído es de hecho 9 voltios, entonces el tacómetro (y el motor/ carga) está girando en 3600 rpm. El sistema de servo impulsión  intentará mantener este voltaje para asegurar la velocidad deseada. Aunque este ejemplo se ha simplificado, el concepto básico de regulación de velocidad vía el tacómetro está ilustrado.

Algo de la terminología asociada a los tacómetros que explica las características básicas este dispositivo son: voltaje constante, ondulación y linealidad. Se definirá a continuación cada término.

Un voltaje constante del tacómetro puede también definirse como gradiente del voltaje, o sensibilidad. Esto representa el voltaje de salida generado por un tacómetro cuando está funcionada a 1000 rpm, es decir V/Krpm. A veces convertido y expresado en voltios por radián por  segundo, es decir V/rad/sec.

La ondulación (o del inglés “ripple”) se puede llamar ondulación del voltaje u ondulación del tacómetro. Puesto que los tacómetros no son dispositivos ideales, y las tolerancias del diseño y la fabricación entran en el producto, existen desviaciones de la norma. Cuando el eje es rotado, una señal de C.C. se produce, y una pequeña cantidad de una señal de la CA (corriente alterna) está sobrepuesta sobre el nivel de la C.C. (corriente continua).

Fig. : Curva de amplitud de la ondulación ( o "ripple") del tacómetro en función del tiempo

Al repasar la literatura, se debe ejercitar el cuidado en determinar la definición de ondulación puesto que hay tres métodos de presentación de los datos: 1) Pico a pico -  relación de la ondulación de pico a pico expresado como porcentaje del nivel medio de C.C.; 2) RMS – la relación del RMS del componente de CA expresado como un porcentaje de nivel medio de la C.C.  y 3) Pico al promedio - el cociente de la desviación máxima sobre el valor medio de la C.C. expresado como porcentaje del nivel medio de C.C.

Linealidad - El tacómetro ideal tendría una línea recta perfecta para el voltaje en función de la velocidad. Una vez más, el diseño y las tolerancias de la fabricación se ven reflejados en las gráficas y alteran esta línea recta. Así, la linealidad es una medida de cuánto es el alejamiento del comportamiento perfecto de este producto o diseño. La máxima diferencia de las curvas reales contra las teóricas es la linealidad (expresado en porcentaje).

Fig.: Linealidad del tacómetro

TACÓMETROS DIGITALES

Un tacómetro digital, a menudo llamado un codificador óptico o simplemente codificador (“encoder” del Inglés), es un dispositivo de  conversión mecánico-a-eléctrico. El eje del codificador es rotado y  resulta una señal de salida que es proporcional a la distancia (es decir al ángulo) que se gira el eje. La señal de salida puede ser de ondas cuadradas, u ondas sinusoidales, o proporcionar una posición absoluta. Así, los codificadores se clasifican en dos tipos básicos: absoluto e incremental.

CODIFICADOR ABSOLUTO.

El codificador absoluto proporciona una dirección específica para cada posición del eje a través de los 360 grados. Este tipo de codificador emplea tanto un contacto (escobilla) o como esquemas sin contactos para detectar la posición.

El esquema de contacto incorpora un montaje de escobilla para hacer  contacto eléctrico directo con las trayectorias eléctricamente conductoras del disco codificado y así leer la información de la dirección. El esquema sin contacto utiliza la detección fotoeléctrica para detectar la posición del disco codificado.

Fig.: Codificador absoluto

El número de pistas en el disco codificado se puede incrementar hasta que la resolución o la exactitud deseada sean alcanzadas. Y puesto que la información de la posición está directamente sobre montaje del disco codificado, el disco tiene incorporado un “sistema de memoria” y un corte de suministro de energía no causará pérdidas de esta información. Por lo tanto, no será necesario que vuelva a una posición de inicio al retornar la energía eléctrica.

CODIFICADOR INCREMENTAL

El codificador incremental proporciona tanto una señal de salida de pulsos como una señal sinusoidal a medida que es rotado a lo largo de los 360 grados. La información de distancia es obtenida contando ésta información.

El disco es fabricado con líneas opacas. Una fuente de luz hace pasar un haz de luz a través de segmentos transparentes sobre un fotosensor que da como salida una forma de onda sinusoidal. Un procesamiento electrónico puede ser usado para transformar esta señal en un tren de ondas cuadradas.

Fig.: Codificador incremental

Al utilizar este dispositivo, los siguientes parámetros son importantes: 1) Contador de línea: Este es el número de pulsos por revolución. El número de líneas está determinado por la precisión posicional requerida en la aplicación. 2) Señal de salida: la salida del fotosensor puede ser tanto senoidal como de onda cuadrada. 3) Número de canales: Uno o dos canales pueden ser provistos. La versión de dos canales proporciona una relación de señal para obtener dirección de movimiento (o sea, rotación en sentido horario o antihorario). Adicionalmente, un pulso de índice cero puede ser provisto para asistir en la determinación de la posición inicial (“home”).

Fig.: Ejemplo usando pulsos de codificador

Una aplicación típica usando un codificador incremental es la que sigue: una señal de entrada carga un contador con información de posición. Esto representa la posición a la cual la carga se debe mover. A medida que el motor se acelera, los pulsos emitidos desde codificador incremental (digital) vienen a un régimen creciente hasta que una velocidad de marcha constante sea obtenida. Durante el período de marcha constante, los pulsos vienen a un régimen constante que puede ser directamente relacionado con la velocidad del motor. El contador, mientras tanto, cuenta los pulsos del codificador y, en una ubicación predeterminada, el motor recibe el comando de disminución de velocidad. Esto es para prevenir que se sobrepase la posición deseada. Cuando el contador está dentro de 1 a 2 pulsos de la posición deseada, el motor recibe el comando de parada. La carga está ahora en posición.

RESOLVER

El resolver ( también traducido como resolvedor ) tienen un aspecto similar a un motor pequeño, o sea un extremo tiene cables terminales, y el otro extremo tiene una brida de montaje y una extensión del eje. Internamente, un rotor bobinado de “señal” rota dentro de un estator fijo. Esto representa un tipo de transformador: cuando un bobinado es excitado con una señal, mediante la acción de transformador, el segundo bobinado es excitado. A medida que el segundo bobinado es movido (el rotor), la salida del segundo bobinado cambia (el estator). Este cambio es directamente proporcional al  ángulo en el cual el rotor se ha movido.

Fig.: Resolver: un transformador rotativo

 

Fig.: Típica salida del resolver

Como punto de inicio, la unidad de resolver mas simple contiene un devanado único sobre el rotor y dos devanados sobre el estator (ubicados con una separación de 90°). Una señal de referencia es aplicada sobre el primario (el rotor), luego mediante la acción de transformador éste es acoplado al secundario. La señal de salida del secundario será una onda senoidal proporcional al ángulo (la del otro devanado será una onda cosenoidal), con un ciclo eléctrico de voltaje de salida producido por cada 360° de rotación mecánica. Estos son alimentados al controlador.

Dentro del controlador, un conversor de resolver a digital (R a D) analiza la señal, produciendo una salida que representa el ángulo en el cual se ha movido el rotor, y una salida proporcional a la velocidad (cuán rápido el rotor se mueve).

Hay varios tipos de unidades resolver. El tipo descripto arriba sería denominado resolver de velocidad única; o sea, la señal de salida pasa a través de una única onda senoidal a medida que el rotor gira los 360° mecánicos. Si la señal de salida pasara por cuatro ondas senoidales a medida que el rotor gira los 360° mecánicos, sería conocido como resolver de cuatro velocidades.

Otra versión utiliza tres devanados sobre el estator – y sería llamado un sincro. Los tres devanados están localizados separados 120°.

El tipo básico de resolver tratado hasta ahora puede además ser llamado “resolver transmisor” – una  fase de entrada y dos fases de salida (o sea, un único bobinado del rotor es excitado y los dos bobinados del estator proporcionan información de posición). Los fabricantes del resolver podrían llamar a ésta una unidad “CX”, o unidad “RCS”. Otro tipo de resolver es llamado “transformador resolver de control” – dos entradas de fase y una fase de salida (o sea, los dos bobinados del estator son excitados y el único bobinado del rotor proporciona información de posición). Los fabricantes del resolver llaman a éste tipo “CT” o “RCT” o “RT”. El tercer tipo de resolver es llamado “resolver transmisor” – dos entradas de fase y dos salidas de fase (o sea, dos bobinados del rotor están excitados, y la información de posición es derivada de dos bobinados del estator). Este puede ser llamado resolver “diferencial”, o “RD”, o “RC” dependiendo del fabricante.


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