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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD PROFESIONAL “ADOLFO LÓPEZ MATEOS”
“DISEÑO DE UN SISTEMA ELÉCTRICO PARA EL CONTROL
DE VELOCIDAD DE UN ALIMENTADOR DE MICRO-ALAMBRE”
TESIS
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE
INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
PRESENTAN:
C. EDUARDO LÓPEZ ESLAVA
C. ALAN MARTÍNEZ DOMÍNGUEZ
ASESORES:
DR. JUAN JOSÉ MUÑOZ CESAR
M. EN C. IVONE C. TORRES RODRÍGUEZ
México D.F., Septiembre 2011
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL "ADOLFO LÓPEZ MATEOS"
TEMA DE TESIS
QUE PARA OBTENER ELTITlJLO DE INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
POR LA OPCIÓN DE TITULACiÓN TESIS COLECTIVA Y EXAMEN ORAL INDIVIDUAL
DEBERA(N) DESARROLLAR C. EDUARDO LÓPEZ ESLAVA C. ALAN MARTÍNEZ DOMÍNGUEZ
"DISEÑO DE UN SISTEMA ELÉCTRICO PARA EL CONTROL DE VELOCIDAD DE UN ALIMENTADOR DE MICRO-ALAMBRE"
UTILIZAR UN CUADRANTE DE UN SWITCH PARA CONTROLAR UN MOTOR EN MODO MOTOR, DE ACUERDO A LOS REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA. ~
UTILIZAR LA PARTE ALTA DEL CUADRANTE PARA GENERAR EL FRENADO DINÁMICO DEL MOTOR. INTEGRAR LAS ETAPAS DE RECTIFICACIÓN, CONTROL Y POTENCIA.
.:. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA . • :. OBJETIVOS . • :. HlPOTESIS . • :. INTRODUCCiÓN . • :. JUSTIFICACiÓN . •:. MARCO TEÓRICO. • :. DESARROLLO . • :. PRUEBAS y RESULTADOS . • :. CONCLUSIONES.
MÉXICO D. F., A 04 DE AGOSTO DE 2011.
ASESORES
I
\.'j. \,/ ,
M. EN C. IVONE C. TORRES RODRIGUEZ --- )
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ÍNDICE DE FIGURAS Páginas
Figura 2.1 (a) Propulsión alimentada por rectificador controlado----------------- Figura 2.1 (b) Propulsión alimentada por pulsador----------------------------------- Figura 2.2 Circuito Equivalente para motores de DC con excitación
independiente-------------------------------------------------------------------- Figura 2.3 (a) Motor con excitación separada----------------------------------------- Figura 2.3 (b) Frenado Regenerativo---------------------------------------------------- Figura 2.3 (c) Frenado Dinámico---------------------------------------------------------- Figura 2.3 (d) Freno Invirtiendo Rotación----------------------------------------------- Figura 2.4 Grafica de los cuatro cuadrantes de un motor-------------------------- Figura 2.5 Control en el primer cuadrante---------------------------------------------- Figura 2.6 (a) Inversión de armadura---------------------------------------------------- Figura 2.6 (b) Inversión de campo-------------------------------------------------------- Figura 2.7 Convertidor monofásico de media onda---------------------------------- Figura 2.8 Propulsor monofásico por semiconvertidor------------------------------ Figura 2.9 Propulsor monofásico por convertidor completo----------------------- Figura 2.10 Propulsor monofásico por convertidor dual----------------------------- Figura 2.11 Propulsor por convertidor DC-DC----------------------------------------- Figura 2.12 Principio de control por frenado regenerativo-------------------------- Figura 2.13 Principio de control por freno reostatico--------------------------------- Figura 2.14 Principio de control combinado por freno regenerativo y
reostatico------------------------------------------------------------------------ Figura 2.15 Propulsores por convertidor DC-DC de dos y cuatro cuadrantes- Figura 2.16 Propulsor transistorizado de cuatro cuadrantes-----------------------
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Figura 2.17 Convertidores DC-DC polifásicos----------------------------------------- Figura 2.18 MOSFET del tipo de agotamiento---------------------------------------- Figura 2.19 MOSFET del tipo incremental---------------------------------------------- Figura 2.20 Grafica de las características en estado permanente--------------- Figura 2.21 Características de salida de un MOSFET------------------------------ Figura 2.22 Conexión de un MOSFET de potencia del tipo incremental------- Figura 2.23 Características de conmutación------------------------------------------- Figura 2.24 Formas de onda y los tiempos típicos de conmutación------------- Figura 3.1 Diagrama de bloques de la tarjeta------------------------------------------ Figura 3.2 Diagrama de bloques de la fuente de alimentación-------------------- Figura 3.3 Tarjeta de control completa--------------------------------------------------- Figura 3.4 Imagen física del dispositivo rectificador---------------------------------- Figura 3.5 Imagen física del dispositivo regulador de voltaje---------------------- Figura 3.6 Diagrama de bloques del procesamiento de señales----------------- Figura 3.7 Distribución de pines del microcontrolador utilizado------------------- Figura 3.8 Ventana del software donde se desarrollo el programa--------------- Figura 3.9 Rutina que realiza el microcontrolador------------------------------------ Figura 3.10 Diagrama de bloques de la etapa de potencia------------------------- Figura 3.11 Diagrama interno del dispositivo L6384--------------------------------- Figura 3.12 Conexión homologa a emisor común, del transistor------------------ Figura 3.13 Diagrama de bloques del frenado dinámico realizado--------------- Figura 3.14 Diagrama de bloques del control de la válvula------------------------ Figura 3.15 Esquemático del circuito completo obtenido --------------------------
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Figura 3.16 Imagen de la tarjeta en el programa Altium---------------------------- Figura 3.17 Diseño completo la tarjeta.------------------------------------------------- Figura 3.18 Imagen final impresa---------------------------------------------------------- Figura 3.19 Tarjeta física obtenida------------------------------------------------------- Figura 4.1 Diagrama interno del dispositivo L6203----------------------------------- Figura 4.2 Gráficas de PWM con un ciclo de trabajo útil dominante------------- Figura 4.3 Gráfica de PWM con un ciclo de trabajo equilibrado------------------ Figura 4.4 Gráfica de PM con un ciclo de trabajo apagado dominante------ Figura 4.5 Circuito concluyente de el proyecto---------------------------------------- Figura 4.6 circuito del sensor de efecto Hall-------------------------------------------- Figura 4.7 sensor de efecto Hall con campo magnético-----------------------------
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Figura 4.8 sensor de efecto Hall sin campo magnético----------------------------- 69
Figura 4.9 Grafica comparativa máxima velocidad----------------------------------- 71
Figura 4.10 Grafica comparativa en velocidad media-------------------------------- 73
Figura 4.11 Grafica comparativa en velocidad mínima------------------------------- 75
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ÍNDICE DE TABLAS Páginas
Tabla 4.1 Valores obtenidos de PM con un ciclo de trabajo útil dominante- Tabla 4.2 Valores obtenidos de PWM con un ciclo de trabajo equilibrado,
entre apagado y encendido--------------------------------------------------- Tabla 4.3 Valores obtenidos de PWM con un ciclo de trabajo mayormente
apagado---------------------------------------------------------------------------
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Tabla 4.4 Valores obtenidos de PWM y señal del sensor, en la máxima
velocidad---------------------------------------------------------------------------------------- 70
Tabla 4.5 Valores obtenidos de PWM y señal del sensor, en velocidad
media.-------------------------------------------------------------------------------------------- 72
Tabla 4.6 Valores obtenidos de PWM y señal del sensor, en velocidad
mínima.------------------------------------------------------------------------------------------ 74
Tabla 4.7 Cotización del costo de la tarjeta de control------------------------------ 77
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ÍNDICE GENERAL Páginas
ÍNDICE DE FIGURAS----------------------------------------------------------------
ÍNDICE DE TABLAS------------------------------------------------------------------
OBJETIVOS----------------------------------------------------------------------- HIPÓTESIS------------------------------------------------------------------------ JUSTIFICACIÓN------------------------------------------------------------------ PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA---------------------------------------
1 1 INTRODUCCIÓN-----------------------------------------------------------------
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1 2 MARCO TEÓRICO---------------------------------------------------------------
2.1 PROPULSORES DE DC-----------------------------------------------------
2.1.1 CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DE LOS DE DC------------------ 2.1.1.1 MODOS DE OPERACIÓN------------------------------------------ 2.2 PROPULSORES MONOFÁSICOS---------------------------------------- 2.2.1 CONVERTIDOR MONOFÁSICO DE MEDIA ONDA------------- 2.2.2 PROPULSORES MONOFÁSICOS POR
SEMICONVERTIDOR---------------------------------------------------- 2.2.3 PROPULSORES MONOFÁSICOS POR CONVERTIDOR
COMPLETO----------------------------------------------------------------- 2.2.4 PROPULSORES MONOFÁSICOS POR CONVERTIDOR
DUAL-------------------------------------------------------------------------- 2.2.5 PROPULSOR POR CONVERTIDOR DC-DC---------------------- 2.3 PRINCIPIO POR CONTROL PORT POTENCIA---------------------- 2.3.1 PRINCIPIO DE CONTROL POR FRENO REGENERATIVO--
2.3.2 PRINCIPIO DEL CONVERTIDOR POR FRENO REOSTATICO
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2.3.3 PRINCIPIO DE CONTROL COMBINADO POR FRENO REGENERATIVO Y REOSTATICO-----------------------------------
2.34 2.3.4 PROPULSORES POR CONVERTIDOR DC-DC DE DOS Y
CUATRO CUADRANTES-----------------------------------------------
2.3.5 CONVERTIDORES DE DC-DC POLIFÁSICOS------------------- 2.4 MOSFET DE POTENCIA-------------------------------------------------- 2.4.1 CARACTERÍSTICAS DE ESTADO PERMANENTE-------------- 2.4.2 CARACTERÍSTICAS DE CONMUTACIÓN-------------------------
3 DESARROLLO---------------------------------------------------------------------- 3.1 FUENTE DE ALIMENTACIÓN--------------------------------------------- 3.2 PROCESAMIENTO DE SEÑALES---------------------------------------- 3.3 ETAPA DE POTENCIA------------------------------------------------------- 3.4 FRENO DINÁMICO----------------------------------------------------------- 3.5 CONTROL DE LA VÁLVULA----------------------------------------------- 3.6 FABRICACIÓN DEL CIRCUITO-------------------------------------------
3.6.1 DISEÑO---------------------------------------------------------------------- 3.6.2 MANUFACTURA-----------------------------------------------------------
4 PRUEBAS Y RESULTADOS---------------------------------------------------- 5 CONCLUSIONES------------------------------------------------------------------- 6 BIBLIOGRAFIA----------------------------------------------------------------------
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INTRODUCCIÓN - 1 -
1 INTRODUCCIÓN
En lo que se refiere a soldar, existen varios métodos para lograr este fin, cada
método tiene sus características propias, pero a su vez, a todos los une un mismo
fin, el cual tiene como propósito la unión de dos materiales, que generalmente son
metales.
Los métodos son diversos, desde el método de soldadura de fragua, en el cual el
herrero por medio de golpes y del calentamiento de los materiales, es como
lograba la amalgama de las dos partes en cuestión, soldadura por arco, soldadura
a gas, soldadura por resistencia, hasta los más avanzadas tecnológicamente,
entre ellos, soldadura por rayo laser, soldadura con rayo de electrones, llegando
hasta la soldadura robotizada.
Para hacer un poco de énfasis, debido a que nuestro proyecto involucra este
proceso, la soldadura por arco eléctrico se caracteriza, por la creación y
mantenimiento de un arco eléctrico, entre una varilla metálica llamada electrodo, y
la pieza a soldar. El electrodo recubierto está constituido por una varilla metálica a
la que se le da el nombre de alma o núcleo, generalmente de forma cilíndrica,
recubierta de un revestimiento de sustancias no metálicas, cuya composición
química puede ser muy variada, según las características que requieren en el uso.
El revestimiento puede ser básico, rutilico y celulósico. Para realizar una soldadura
por arco eléctrico se induce una diferencia de potencial entre el electrodo y la
pieza a soldar, con lo cual se ioniza el aire entre ellos y pasa a ser conductor, de
modo que se cierra el circuito. El calor del arco funde parcialmente el material de
base y funde el material de aporte, el cual se deposita y crea el cordón de
soldadura.
Cabe mencionar que dentro de método de soldadura por arco eléctrico,
necesitamos acotar mas nuestro tema de estudio debido a que dentro de este
método de soldadura, existen variantes de este, que usan el mismo principio, pero
que se diferencian por pequeñas cualidades.
Solo los mencionaremos, y no explicaremos todas las variantes de los métodos, y
si, el que nos interesa, pues resultaría, superfluo mencionar todos, si no serán
requeridos, ni jugaran un papel en nuestro proyecto, aunque como ya lo
mencionamos, cumplen con el mismo principio, todos.
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INTRODUCCIÓN - 2 -
- Soldadura por arco manual con electrodos revestidos
- Soldadura por electrodo no consumible protegido
- Soldadura por electrodo consumible protegido
- Soldadura por arco sumergido
Soldadura por electrodo consumible protegido
Este método, se derivan dos tipos de soldadura por electrodo consumible
protegido, MIG (Metal Inert Gas) y MAG (Metal Active Gas), es este electrodo el
alimento del cordón de soldadura. El arco eléctrico está protegido, por un flujo
continuo de gas que garantiza una unión limpia y en buenas condiciones.
En la soldadura MIG, como su nombre indica, el gas es inerte; no participa en
modo alguno en la reacción de soldadura. Su función es proteger la zona crítica de
la soldadura de oxidaciones e impurezas exteriores. Se emplean usualmente los
mismos gases que en el caso de electrodo no consumible, argón, menos
frecuentemente helio, y mezcla de ambos.
En la soldadura MAG, en cambio, el gas utilizado participa de forma activa en la
soldadura. Su zona de influencia puede ser oxidante o reductora, ya se utilicen
gases como el dióxido de carbono o el argón mezclado con oxígeno. El problema
de usar CO2 en la soldadura es que la unión resultante, debido al oxígeno
liberado, resulta muy porosa. Además, sólo se puede usar para soldar acero, por
lo que su uso queda restringido a las ocasiones en las que es necesario soldar
grandes cantidades de material y en las que la porosidad resultante no es un
problema a tener en cuenta.
El uso de los métodos de soldadura MIG y MAG es cada vez más frecuente en el
sector industrial. En la actualidad, es uno de los métodos más utilizados en Europa
occidental, Estados Unidos y Japón en soldaduras de fábrica. Ello se debe, entre
otras cosas, a su elevada productividad y a la facilidad de automatización, lo que
le ha valido abrirse un hueco en la industria automovilística. La flexibilidad es la
característica más sobresaliente del método MIG / MAG, ya que permite soldar
aceros de baja aleación, aceros inoxidables, aluminio y cobre, en espesores a
partir de los 0,5 mm y en todas las posiciones. La protección por gas garantiza un
cordón de soldadura continuo y uniforme, además de libre de impurezas y
escorias. Además, la soldadura MIG / MAG es un método limpio y compatible con
todas las medidas de protección para el medio ambiente.
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INTRODUCCIÓN - 3 -
En contra, su mayor problema es la necesidad de aporte tanto de gas como de
electrodo, lo que multiplica las posibilidades de fallo del aparato, además del
lógico encarecimiento del proceso. La soldadura MIG/MAG es intrínsecamente
más productiva que la soldadura MMA (Manual Metal Arc), donde se pierde
productividad cada vez que se produce una parada para reponer el electrodo
consumido. Las pérdidas materiales también se producen con la soldadura MMA,
cuando la parte última del electrodo es desechada. Por cada kilogramo de
electrodo revestido comprado, alrededor del 65% forma parte del material
depositado (el resto es desechado). La utilización de hilos sólidos e hilos tubulares
ha aumentado esta eficiencia hasta el 80-95%. La soldadura MIG/MAG es un
proceso versátil, pudiendo depositar el metal a una gran velocidad y en todas las
posiciones. El procedimiento es muy utilizado en espesores delgados y medios, en
fabricaciones de acero y estructuras de aleaciones de aluminio, especialmente
donde se requiere un gran porcentaje de trabajo manual. La introducción de hilos
tubulares está encontrando cada vez más, su aplicación en los espesores fuertes
que se dan en estructuras de acero pesadas.
Como podemos observar, para realizar la soldadura por electrodo consumible, se
requiere que se concreten dos situaciones, la primera, es, que se suministre el
electrodo consumible, que en el argot de la soldadura se conoce como
microalambre, y que desde este momento a si será como haremos referencia, y la
segunda, es, que se abastezca de gas. El dispositivo que aporta la potencia para
generar el arco eléctrico, es una plante generadora, y que en nuestro caso es
parte excluyente de nuestro proyecto, debido a que es, un parte del proceso de
soldar que se consigue por separado y que además es una máquina en demasía
compleja.
En el mercado se encuentran diferentes tipos de alimentadores de microalambre,
diseñados para realizar el proceso de soldadura por electrodo protegido
consumible, estos son dispositivos, que cuentan con un arreglo de engranes, que
están acoplados mecánicamente a un motor de corriente directa, que juntos
realizar el arrastre del microalambre, una válvula solenoide, que es la que nos
ayuda a obstruir o permitir el paso del gas necesario para el proceso de soldar, y
por ultimo un tablero, en el cual se encuentran instalados dos potenciómetros, y un
botón tipo botón pulsador.
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INTRODUCCIÓN - 4 -
Las características de los componentes con los que cuenta el alimentador de
microalambre, con el cual se va a trabajar son las siguientes:
- Un motor de DC, que trabaja con un voltaje con 24 volts y una corriente
nominal de 3.5 amperes
- Una válvula solenoide que trabaja a 24 volts de AC y es del tipo todo o nada.
- Dos potenciómetros de perilla, con un valor de 10 kilohms cada uno.
- Un botón del tipo botón pulsador.
- Un interruptor de tres terminales, el cual se puede configurar como,
normalmente abierto o normalmente cerrado.
En lo que respecta a las tarjetas de control de los alimentadores de microalambre,
pudimos obtener antecedentes de estas, gracias a la examinacion de
alimentadores de microalambre que ya existen. Pudimos observar que ocupan una
encapsulado, única y exclusivamente para la generación de PWM, otro para la
etapa de amplificación la cual es necesaria para la activación de un relevador el
cual trabaja a una tensión mayor, el cual pudimos deducir, lo utilizan para que a su
vez active la válvula solenoide, en lo que respecta a la etapa de potencia para el
control de velocidad del motor, se utiliza un transistor de potencia como elemento
activo de alta frecuencia, de la marca Texas Instruments, mejor conocido como
TIP, el cual se controla por medio de corriente eléctrica, pues funciona como
amplificador de corriente, y dependerá de la relación de la corriente del emisor y la
corriente de la base, mejor conocida como Beta del transistor, tomando en
consideración que la configuración que se toma como referencia es la de emisor
común, que generalmente es la mas común.
En lo que respecta al procesamiento de señales digitales, utilizan un
microcontrolador, el cual cuenta con entradas y salidas digitales, además de un
modulo capaz de realizar conversiones analógicas digitales, adicionando además,
ciertos reguladores de voltaje y un bloque de rectificación, todo esto en conjunto,
forma el sistema capaz de realizar la alimentación tanto del microalambre como
del gas.
Lo que nosotros proponemos es un circuito semejante, el cual está compuesto de
componentes similares, pero en menor cantidad, y con una mayor flexibilidad en lo
que se refiere a la rutina de control que efectúa el microcontrolador, pues el
microcontrolador que usamos nos permite esto, pues como características
relevantes, cuenta con entradas y salidas digitales, generador de PWM, y
convertidor analógico digital, y otras varias cosas, pero las que nos ocupan son las
mencionadas, con lo que respecta a la etapa de potencia, utilizamos un MOSFET,
lo cual nos proporciona una menor demanda de corriente, debido a que este se
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INTRODUCCIÓN - 5 -
controla por voltaje, y solo requiere una pequeña inyección de corriente, del orden
de microamperios, y para la etapa de activación de la válvula solenoide,
simplemente se llevo a cabo por medio de un relevador.
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OBJETIVOS
Objetivo
- Controlar un motor de corriente directa, con un sistema embebido de
potencia, por medio de la modulación de ancho de pulso, para regular la
velocidad de alimentación de microalambre en una maquina de soldar.
Del objetivo general se desprenden los siguientes objetivos específicos
- Diseñar la etapa de potencia, para controlar el motor,
- Programar el microcontrolador, para realizar el control del motor.
- Desarrollar el frenado dinámico del motor.
- Integrar las etapas de rectificación, control y potencia.
HIPÓTESIS
El uso de un cuadrante de un switch para controlar el motor además de la
implementación del frenado dinámico, integrando las etapas del circuito nos
permitirá cubrir los requerimientos del sistema para su buen funcionamiento.
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JUSTIFICACIÓN.
En el mercado de los alimetadores de microalambre, las marcas como INFRA y
MILLER, son las que lo dominan, ¿por que mecionar esto? el motivo, es que , se
quiere intorducir en el mercado una alimentador de microalambre con una nueva
marca, con ingenieria nacional, como sabemos muchos clientes se casan con un
solo proveedor, pese a lo que sea, entonces el reto a vencer es ganar terreno en
el mercado, y que mejor estrategia que mejorar el precio en el producto, en
comparación a las marcas lideres, claro esta sin alterar la calidad en el
desempeño de este, es bien sabido que, que mejor señuelo para el mercado que
un precio que llame la atención, para así, generar la curiosidad en el mercado e
invitar a que prueben la calidad de este.
Para lograr la baja del precio del producto, en alguna parte o en todas las etapas
de la elaboración del producto se deben de reducir costos, y como primer paso se
tiene como objetivo, una tarjeta de control económicamente viable, es decir, lo
mas eficiente posible, para que a su ves cumpla con los requerimientos.
Uno de los motivos principales, por la cual se realiza el proyecto, es generar una
alternativa a los demandantes, que no le tiene miedo al cambio y que siempre
buscan la mejor opción, y hacer de esa opción la oportunidad de crecimiento y
expansión del producto.
Crear y generar ingeniería nacional, a buen precio y con buenas utilidades,
satisfaciendo las necesidades y requerimientos de la industria cubriendo las
expectativas de esta, dando pauta al uso de tecnología recientes, las cuales a su
vez sean fáciles de conseguir en grandes cantidades, de mayor desempeño y
confiabilidad, así como también obtener pingües beneficios en la elaboración y
producción, debido a que las tecnologías no lo permiten por su gran flexibilidad y
bajo costo.
Por último queremos mencionar que el motivo primordial de este proyecto es
obtener mayores conocimientos, y unirlos a los ya adquiridos a lo largo de la
carrera, para asi implementarlos en una problemática real.
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PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
En este proyecto se presenta un alimentador de microalambre, que se intenta
introducir al mercado cubierto por marcas como infra y Miller principalmente las
cuales acaparan el mercado con alimentadores que utilizan electrónica no
resiente sin sacar el máximo provecho de sus componentes ni cubriendo al
máximo las necesidades de la industria en cuanto a prestaciones o requerimientos
establecidos por trabajadores y tipos de trabajos a realizar, además de esto el uso
de tecnologías no apropiadas encarecen el equipo.
Entonces se tiene un alimentador de microalambre que consta de un motor de
imán permanente de 24V DC el cual realiza el arrastre del electrodo consumible
protegido o microalambre una válvula solenoide que permite o obstruye el paso
del gas inerte necesario para la fusión de los materiales, esta válvula solenoide
funciona 24V AC, con una alimentación de 24V AC que viene de una planta
externa la cual solo nos da este suministro y no tenemos que efectuar ningún
cambio o arreglo.
La problemática presentada es ¿Cómo controlar un motor de imán permanente
en modo motor para el arrastre del electrodo consumible protegido, en un
alimentador de microalambre?, además de ¿Cómo realizar la activación de una
válvula solenoide para la obstrucción o paso del gas inerte?, adicionando ¿Cómo
se va llevar a cabo la integración y diseño de todo el sistema que conforma, todas
las etapas involucradas?
Se puede observar lo siguiente para control de la velocidad de un motor de imanes
permanentes se requiere de energizar directamente el estator por medio de un
accionamiento de velocidad variable. Un accionador de velocidad variable mejora
la unidad de control, controlando la velocidad por el voltaje terminal. También se
observa que una válvula solenoide de tipo todo o nada solo requiere de la
alimentación para energizar la solenoide y esta ejerza la fuerza para vencer el
muelle y se logre la apertura para permitir el paso del gas inerte. Para la
integración se requiere de involucrar todas las etapas que consta, es decir, unificar
etapas rectificación control y potencia para lograr el un circuito electrónico que
cumpla con lo requerido.
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MARCO TEORICO - 6 -
2 MARCO TEÓRICO
2.1 Propulsores de DC
Los motores de corriente directa tienen características variables, y se usan mucho
en propulsión con velocidad variable. Pueden proporcionar un alto par de
arranque, y también es posible obtener el control de velocidad dentro de márgenes
amplios. En el caso normal, los métodos para controlar la velocidad son más
sencillos y menos costosos que en los propulsores de AC.
Los motores de DC juegan un papel importante en los sistemas de propulsión
industriales modernos. Suelen ser tanto motores de DC excitados en serie como
con excitación independiente, en los propulsores de velocidad variable, pero los
motores en serie son los que se emplean en forma tradicional para aplicaciones de
tracción. Debido a sus conmutadores, los motores de DC no son adecuados para
aplicaciones de muy alta velocidad, y requieren más mantenimiento que los
motores de AC. Con los adelantos recientes en conversiones de potencia, técnicas
de control y microcontroladores, los propulsores con motor de AC se han vuelto
cada vez más competitivos frente a los motores de DC. Aunque la tendencia futura
es hacia propulsores de AC, al presente los DC se usan en muchas industrias.
Podrían pasar algunas décadas para que los propulsores queden sustituidos
totalmente por los AC.
Los rectificadores controlados proporcionan un voltaje de DC de salida variable a
partir de un voltaje AC fijo, mientras que un convertidor DC-DC puede
proporcionar un voltaje variable de DC a partir de un voltaje fijo de DC. Debido a
su capacidad de suministrar un voltaje de DC variable en forma continua, los
rectificadores controlados y los convertidores DC-DC revolucionaron el moderno
equipo de control industrial y los propulsores de velocidad variable, y sus
potencias van desde las fraccionarias hasta varios mega watts. En general, los
rectificadores controlados se usan para controlar velocidad de los motores de DC.
La forma alternativa seria un diodo rectificador seguido de un convertidor DC-DC
como se ve en las imágenes de la figura 2.1
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MARCO TEORICO - 7 -
Figura 2.1 Propulsión alimentada por rectificador controlado.
Los propulsores de DC se pueden clasificar en tres tipos:
- Propulsores monofásicos.
- Propulsores trifásicos.
- Propulsores de convertidor de DC-DC.
2.1.1 Características básicas de los motores de DC.
En la figura 2.2 se presenta el circuito equivalente de un motor con DC con
excitación separada. Cuando uno de esos motores es excitado por una corriente
de campo y una corriente de armadura pasa por el circuito de la armadura, el
motor desarrolla la fuera contra electromotriz y un par de torsión para balancear el
par de carga a determinada velocidad. La corriente de campo de un motor con
excitación separada es independiente de la corriente de armadura , cualquier
cambio en la corriente de armadura no tiene efecto sobre la corriente de campo.
En el caso normal, la corriente de campo es mucho menor que la corriente de
armadura. Las ecuaciones que describen las características de un motor con
excitación separada se determinan la corriente instantánea de campo, se
describe con ecuación (1).
……………………………………. (1)
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MARCO TEORICO - 8 -
Figura 2.2 Circuito Equivalente para motores de DC con excitación independiente.
La corriente instantánea en la armadura se detiene con ecuación (2).
………………………………………………. (2)
La fem inducida del motor, que también se llama voltaje de velocidad, se expresa
como.
…………………………………………………………. (3)
El par motor, o torque desarrollado por el motor es.
………………………………………………………… (4)
El par motor desarrollado debe ser igual al par de carga:
………………………………………………… (5)
Donde
w = velocidad angular del motor, o frecuencia angular del rotor, rad/s.
B = constante de fricción viscosa, N*m/rad/s.
Kv = constante de voltaje, V/A- rad/s.
Kt = constante de par motor, que es igual a la constante de voltaje, Kv.
La = inductancia del circuito de armadura, H.
Lf = inductancia del circuito de campo, H.
Ra = resistencia del circuito de armadura.
Rf = resistencia del circuito de campo.
TL = par de carga, N*m.
Debido a la saturación magnética, la relación entre la corriente de campo y la
fem inducida es no lineal. Esta relación, se llama característica de
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MARCO TEORICO - 9 -
magnetización del motor. De acuerdo con la ecuación, la velocidad de un motor
con excitación separada se determina con ecuación (6).
………………………………………………….. (6)
En la ecuación se puede observar que la velocidad del motor se puede variar
- Controlando el voltaje de la armadura, lo que se llama control de voltaje.
- Controlando la corriente en el campo, lo que se llama control de campo,
- Por demanda de par que corresponde a una corriente de armadura para
una corriente de campo fija .
La velocidad que corresponde al voltaje especificado para la armadura, corriente
especificada para campo, y corriente especificada para armadura, se llama
velocidad nominal o base.
En la práctica una velocidad menor que la velocidad base, se mantienen
constantes las corrientes de armadura t de campo para satisfacer la demanda de
par, y se varía el voltaje de armadura para controlar la velocidad. Para la
velocidad mayor que la velocidad base se mantiene el voltaje de armadura en el
valor nominal, y se varía la corriente en el campo, para controlar la velocidad. Sin
embargo la potencia desarrollada por el motor permanece constante. La figura
muestra las características de par, potencia, corriente de armadura y corriente de
campo en función a la velocidad.
2.1.1.1 Modos de operación
En aplicaciones con velocidad, un motor de DC puede estar funcionando en uno
de los siguientes modos: motorización frenado regenerativo, frenado dinámico o
de recuperación, frenado con reversa y modo de cuatro cuadrantes.
Motorización. La fem inducida es menor que el voltaje de alimentación . Las
corrientes en la armadura y en el campo son positivas. El motor desarrolla un par
de giro para satisfacer la demanda de carga.
En el frenado regenerativo, el motor funciona como generador, y desarrolla un
voltaje inducido , que debe ser mayor que el voltaje de alimentación la
corriente en la armadura es negativa, pero la del campo es positiva. La energía
cinética del motor se regresa a la fuente. En general, un motor serie se conecta
como generador auto excitado. Para tener autoexcitación, es necesario que la
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MARCO TEORICO - 10 -
corriente de campo ayude al flujo residual. Esto se hace, en el caso normal,
invirtiendo las terminales de la armadura o las de campo.
Frenado dinámico. Los arreglos que se ven en la figura 2.3 son parecidos a los del
frenado regenerativo, excepto que el voltaje de alimentación esta sustituido por
una resistencia de frenado. La energía cinética del motor se disipa en
Frenado en reversa. Las conexiones para el frenado con reversa se ven en las
figuras 2.3 se invierten las terminales de armadura en funcionamiento. El voltaje
de alimentación y en voltaje inducido actúa en la misma dirección. Se
invierte la corriente en la armadura, y con ello se produce un par de frenado. La
corriente en el campo es positiva. Para un motor serie se deben invertir las
terminales de la armadura o las terminales de campo, pero no ambas.
Figura 2.1 (a) Motor con excitación separada.
Figura 2.3 (b) Frenado Regenerativo.
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MARCO TEORICO - 11 -
Figura 2.3 (c) Frenado Dinámico.
Figura 2.3 (d) Freno Invirtiendo Rotación.
Cuatro cuadrantes. La figura 2.4 muestra las polaridades del voltaje de suministro,
la fem inducida, y la corriente en la armadura, para un motor con excitación
separada. En la motorización directa (cuadrante I), e son positivos todos. El
par motor y la velocidad también son positivos en este cuadrante.
Durante el frenado en avance o regenerativo (cuadrante II), el motor trabaja en la
dirección de avance o regenerativo y la fem inducida, continua siendo positiva.
Para que el par motor sea negativo y que el flujo de la dirección de la energía sea
en reversa, la corriente de la armadura debe ser negativa. El voltaje de
alimentación debe mantenerse menor que
En la motorización en reversa (cuadrante III), e son todos positivos. El
par motor y la velocidad también son negativos en este cuadrante. Para mantener
el par motor negativo y el flujo de energía de la fuente al motor, la fem debe
satisfacer la condición I I >I I.
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MARCO TEORICO - 12 -
Figura 2.4 Grafica de los cuatro cuadrantes de un motor.
La polaridad de puede invertirse cambiando la dirección de la corriente de
campo o invirtiendo las terminales de la armadura.
Durante el frenado en reversa (cuadrante IV), el motor funciona en dirección
inversa, y continúan siendo negativos. Para que el par sea positivo y la
energía pase del motor a la alimentación, la corriente en la armadura debe de ser
positiva. La fem inducida, debe satisfacer la condición I I ˂I I.
2.2 Propulsores monofásicos.
Si el circuito de la armadura de un motor de DC se conecta a la salida de un
rectificador controlado monofásico, se podrá variar el voltaje de la armadura,
variando el ángulo del retardo del convertidor . Los convertidores AC-DC de
conmutación forzada también pueden usarse para mejorar el factor de potencia
(FP) y reducir las armónicas. La concordancia básica del circuito para un motor
monofásico alimentado por convertidor y con excitación separada se ve en la
figura 2.5 Cuando el ángulo de retardo es pequeño, la corriente en la armadura
puede ser discontinua, y eso puede aumentar las perdidas en el motor. En caso
normal, se conecta un inductor de aplazamiento, en serie con el circuito de la
armadura, para reducir el rizo de la corriente asta una magnitud aceptable.
También se aplica un convertidor en el circuito del campo, para controlar la
corriente en el campo haciendo variar el ángulo de retardo . Para trabajar el
motor en determinado modo, con frecuencia es necesario usar contactores para
invertir el circuito de la armadura, como se ve en la figura 2.6 (a), o en el circuito
del campo, como se ve en la figura 2.6 (b) .
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MARCO TEORICO - 13 -
Figura 2.5 Control en el primer cuadrante.
Figura 2.6 (a) Inversión de armadura.
Figura 2.6 (b) Inversión de campo.
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Para evitar sobre voltajes inductivos, se hace la inversión del campo o la armadura
a cero corriente en la armadura. El ángulo de retardo(o de disparo) se ajusta en el
caso normal para dar una corriente 0, y además se deja un tiempo muerto,
típicamente de 2 a 10 ms, para asegurar que la corriente en la armadura se vuelva
cero, debido a que la corriente de tiempo del devanado del campo es
relativamente grande, la inversión del campo tarda un tiempo mayor. Se puede
usar un semiconvertidor o un convertidor para variar el voltaje del campo, pero es
preferible un convertidor completo. Debido a su capacidad de inversión de voltaje,
un convertidor completo puede reducir la corriente de campo con rapidez mucho
mayor que un semiconvertidor. Dependiendo del tipo de los convertidores
monofásicos, los propulsores monofásicos, se pueden subdividir en:
- Propulsores monofásicos por convertidor de media onda.
- Propulsores monofásicos por semiconvertidor.
- Propulsores monofásicos por convertidor completo.
- Propulsores monofásicos por convertidor dual.
- Propulsores monofásicos por convertidor de media onda.
2.2.1 Un convertidor monofásico de media onda
Alimenta un motor de DC, como se ve en la figura 2.7(a). La corriente en la
armadura suele ser discontinua, a menos que se conecte un inductor muy grande
en el circuito de la armadura.
Figura 2.7 Convertidor monofásico de media onda.
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MARCO TEORICO - 15 -
Siempre se requiere un diodo de corrida libre para una carga de motor de DC y es
propulsor de un cuadrante, como se ve en la figura 2.7(b). Las aplicaciones de
este propulsor se limitan al nivel de potencia de
kW. La figura 2.7(c) muéstralas
formas de onda con una carga muy inductiva. El convertidor en el circuito del
campo puede ser un semiconvertidor. Un convertidor de media onda en el circuito
del campo podría aumentar las perdidas magnéticas del motor, debido a un alto
contenido de rizo en la corriente de excitación del campo.
Con un convertidor monofásico de media onda en el circuito de la armadura, la
armadura define el voltaje promedio de armadura como.
( ) Para 0 ≤ ≤ ……………….. (7)
Donde es el voltaje pico de la fuente AC. Con un semiconvertidor en el circuito
del campo, la ecuación define el voltaje promedio del campo como.
( ) Para 0 ≤ ≤ ………………… (8)
2.2.2 Propulsores monofásicos por semiconvertidor.
Un semiconvertidor monofásico alimenta el circuito de la armadura, como se ve en
las figuras 2.8 (a). Es un propulsor de un cuadrante, como se ve en la figura 2.8
(b), y se limita a aplicaciones hasta de 15kW. El convertidor en el circuito de
campo puede ser un semiconvertidor. Las formas de onda para una carga muy
inductiva se ve en la figura 2.8 (c).
Con un semiconvertidor monofásico en el circuito de la armadura, la ecuación
determina el voltaje promedio de la armadura como.
( ) Para 0 ≤ ≤ ……………… (9)
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MARCO TEORICO - 16 -
Figura 2.8 Propulsor monofásico por semiconvertidor.
Con un semiconvertidor en el circuito del campo, la ecuación determina el voltaje
promedio del campo como.
( ) Para 0 ≤ ≤ …………….. (10)
2.2.3 Propulsores monofásicos por convertidor completo.
Se hace variar el voltaje de la armadura con un convertidor monofásico de onda
completa, como se muestra en la figura 2.9 (a). Es un propulsor de dos
cuadrantes, como se ve en la figura 2.9 (b), y se limita a aplicaciones hasta de
15kW. El convertidor de armadura produce + o - , y permite la y permite la
operación en el primero y cuarto cuadrantes. Durante la regeneración para invertir
la dirección de flujo de potencia, la fuerza contra electromotriz del motor puede
cambiarse invirtiendo la excitación del campo. El convertidor en el circuito del
campo podría ser un semiconvertidor, convertidor completo o hasta un convertidor
dual. La inversión de la armadura o del campo permite la operación en el segundo
y tercer cuadrantes. Las formas de onda de corriente para una carga muy
inductiva se ven en la figura 2.9 (c) para la acción de potencia. En un propulsor
monofásico por convertidor completo de 9.5kW, 40A, donde la pila de potencia
esta atrás del tablero, y las señales de control se implementa con circuitos
electrónicos analógicos.
Con un convertidor monofásico de onda completa en el circuito de la armadura, la
ecuación determina el voltaje promedio en la armadura como.
( ) Para 0 ≤ ≤ ……………… (11)
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Con un convertidor monofásico completo en el circuito del campo, la ecuación
determina el voltaje promedio en el campo.
( ) Para 0 ≤ ≤ ……………………………. (12)
Figura 2.9 Propulsor monofásico por convertidor completo.
2.2.4 Propulsores monofásicos por convertidor dual.
Se conectan dos convertidores monofásicos de onda completa como se ve en la
figura 2.10. El convertidor 1 funciona para alimentar un voltaje positivo en la
armadura o bien el convertidor opera para alimentar un voltaje negativo - a la
armadura. El convertidor 1 proporciona operación en el primero y cuarto cuadrante
y el convertidor 2 en el segundo y tercer cuadrante.
Es un propulsor de cuatro cuadrantes y permite cuatro modos de operación:
excitación directa, frenado en avance (regeneración), excitación en reversa y
frenado en reversa (regeneración). Se limita a aplicaciones hasta de 15 kW. El
convertidor del campo podría ser un convertidor de onda completa,
semiconvertidor o convertidor dual.
Si el convertidor 1 opera con un ángulo de retardo , la ecuación define el
voltaje de la armadura:
( ) Para 0 ≤ ≤ ……………… (13)
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MARCO TEORICO - 18 -
Figura 2.10 Propulsor monofásico por convertidor dual.
Si el convertidor 2 opera con un ángulo de retardo , la ecuación define el
voltaje de la armadura como.
( ) Para 0 ≤ ≤ ………………… (14)
Donde . Con un convertidor completo en el circuito del campo, la
ecuación determina el voltaje del campo como.
( ) Para 0 ≤ ≤ …………………. (15)
2.2.5 Propulsores por convertidor DC-DC.
Los propulsores por convertidor DC-DC se usan mucho en aplicaciones de
tracciones en todo el mundo. Se conecta un convertidor DC-DC entre una fuente
de voltaje fijo de DC y un motor de DC para variar el voltaje de armadura. Además
del control de voltaje de armadura, un convertidor DC-DC puede proporcionar
frenado regenerativo de los motores y puede regresar energía a la fuente. Esta
propiedad de ahorro de energía es atractiva en especial para los sistemas de
transporte con paradas frecuentes, como por ejemplo, transporte masivo rápido.
Los propulsores por convertidor DC-DC también se usan en los vehículos
eléctricos de baterías. Un motor de DC puede operarse en uno de los cuatro
cuadrantes controlando los voltajes en la armadura o en el campo. Con frecuencia
se requiere invertir las terminales de la armadura o de campo para que el motor
opere en el cuadrante deseado.
Si la alimentación no es receptiva durante el frenado regenerativo, el voltaje de
línea aumentaría y ese frenado no se hará. En este caso, es necesaria una forma
alternativa de frenado, como por ejemplo el frenado reostatico. Los modos
posibles de control de un propulsor por convertidor DC-DC son:
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MARCO TEORICO - 19 -
- Control de potencia o por aceleración.
- Control por freno regenerativo.
- Control por freno reostatico.
- Control combinado por freno regenerativo y reostatico.
2.3 Principio de control por potencia.
El convertidos DC-DC se usa para controlar el voltaje de la armadura de un motor
de DC. El arreglo del circuito de un motor de DC alimentado por convertidor y con
excitación separada se ve en la figura 2.11(a). El interruptor del convertidor DC-
DC podría ser un transistor o un convertidor DC-DC de conmutación forzada con
tiristor. Es un propulsor de un cuadrante como se ve en la figura 2.11(c)
suponiendo que la carga es altamente inductiva.
El voltaje promedio de la armadura es: ⋁ .
Donde k es el ciclo de trabajo del convertidor DC-DC. La potencia del motor
alimentada al motor es .
Donde es la corriente promedio en la armadura del motor y no contiene rizo.
Suponiendo que el convertidor DC-DC es sin perdida, la potencia de entrada es
. El valor promediop de la corriente de entrada es .
Figura 2.11 Propulsor por convertidor DC-DC.
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MARCO TEORICO - 20 -
La resistencia equivale de entrada al propulsor por convertidor DC-DC, vista desde
la alimentación, es
………………………………………………. (16)
Si varia el ciclo de trabajo k, se puede controlar el flujo de la potencia al motor (y
su velocidad). Para una inductancia infinita del circuito de armadura, se puede
aplicar la ecuación para determinar el rizo máximo pico a pico de corriente como
sigue:
…………………………………………. (17)
Donde Rm y Lm son la resistencia y la inductancia total del circuito de armadura
respectivamente. Para un motor con excitación separada, + toda la
resistencia en serie, y + cualquier inductancia en serie. Para un motor serie,
+ cualquier resistencia en serie y + cualquier inductancia en
serie.
2.3.1 Principio de control por freno regenerativo.
En el frenado regenerativo, el motor funciona como un generador y la energía
cinética del motor y de la carga se regresa a la alimentación. El principio de
transferencia de energía de una fuente de DC a otra de mayor voltaje se puede
aplicar en el frenado regenerativo de los motores de DC.
La aplicación de los convertidores DC-DC en el frenado regenerativo se puede
explicar con la figura 2.12(a). Requiere rearreglar el interruptor del modo de
potencia al modo de frenado regenerativo. Supongamos que la armadura de un
motor con excitación separada está girando por la inercia del motor y de la carga;
y en el caso de un sistema de transporte, la energía cinética del vehículo haría
girar el eje de la armadura. Entonces, si se activa el transistor, la corriente de la
armadura aumenta debido a la puesta en corto de las terminales del motor. Si se
desconecta el convertidor DC-DC, el diodo se activara y la energía
almacenada en las inductancias del circuito de la armadura seria transferida a la
fuente, siempre y cuando la fuente sea receptiva. Es un propulsor de un
cuadrante, que opera en el segundo cuadrante, como se ve en la figura 2.12(b).
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MARCO TEORICO - 21 -
La figura 2.12(c) muestra las formas de onda del voltaje y corriente, suponiendo
que la corriente en la armadura es continua y sin rizo.
El voltaje promedio a través del convertidor DC-DC es.
( ) ………………………………………………………. (18)
Si es la corriente promedio de armadura, la potencia regenerada se puede
determinar con
( )……………………………………………………….. (19)
El voltaje generado por el motor, cuando funciona como generador, es.
( ) ………………..… (20)
Donde es la constante de la maquina y es la velocidad de la maquina en
rads/s. por consiguiente la resistencia equivalente de carga del motor, cuando
funciona como generado es.
( ) …………………………………………….. (21)
Figura 2.22 Principio de control por frenado regenerativo.
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MARCO TEORICO - 22 -
Al variar el ciclo de trabajo k, se puede variar la resistencia equivalente de carga,
vista por el motor, desde hasta ( ), y se puede controlar la potencia
regenerativa.
El frenado regenerativo es efectivo solo si la velocidad del motor está entre esos
dos límites es decir . En cualquier velocidad menor que se
necesitaría un arreglo alternativo para frenar.
Aunque los motores serie de DC se usan en forma tradicional para aplicaciones de
tracción debido a su alto par de arranque, un generador excitado en serie es
inestable cuando trabaja con una fuente de voltaje fijo así, para funciona como
suministro de tracción se requiere un control separado de excitación, y ese arreglo
del motor serie, en el caso normal, es sensible a las fluctuaciones del voltaje de
suministro, y se requiere una respuesta dinámica rápida para proporcionar un
control adecuado de frenado. La aplicación de un convertidor de DC-DC permite el
frenado regenerativo de motores serie de DC, debido a su rápida respuesta
dinámica.
Un motor de DC con excitación separada es estable en el frenado regenerativo. La
armadura y el campo se pueden controlar en forma independiente para
proporcionar el par requerido durante el arranque. Los motores serie alimentados
por convertidor DC-DC y los motores DC con excitación separada son adecuados
para aplicaciones de tracción.
2.3.2 Principio del convertidor por freno reostatico.
En el frenado reostatico la energía se disipa en un reóstato lo cual podría no ser
una propiedad deseable. El frenado reostatico también se llama frenado dinámico.
En la figura 2.13(a) se muestra un arreglo de frenado reostatico de un motor de
DC con excitación separada. Es un propulsor de un cuadrante, que opera en el
segundo cuadrante, como se ve en la figura 2.13(b). La figura 2.13(c) muestra las
formas de onda de corriente y voltaje, suponiendo que la corriente en la armadura
es continua y sin rizo.
La corriente promedio en el resistor de frenado es.
( )
Y el voltaje promedio a través del resistor de frenado es.
( )
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MARCO TEORICO - 23 -
La resistencia equivalente de carga del generador es.
( )
La potencia disipada en el resistor es.
( )
Figura 2.13 Principio de control por freno reostatico.
Al controlar el ciclo de trabajo k se puede variar la resistencia efectiva de carga
desde hasta , y se puede controlar la potencia de frenado. La
resistencia de frenado determina la especificación de voltaje máximo del
convertidor DC-DC.
2.3.3 Principio de control combinado por freno regenerativo y
reostatico.
El frenado regenerativo es eficiente respecto a la energía. Por otra parte en el
frenado reostatico la energía se disipa en forma de calor. Si la fuente es
parcialmente receptiva, que es el caso normal en los sistemas prácticos de
tracción, lo más eficiente respecto a la energía seria un control combinado por
freno regenerativo y reostatico. La figura 2.14 muestra un arreglo en el que el
frenado reostatico se combina con el frenado regenerativo.
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MARCO TEORICO - 24 -
Figura 2.14 Principio de control combinado por freno regenerativo y reostatico.
Durante los frenados regenerativos, el voltaje de línea se detecta en forma
continua. Si es mayor que cierto valor predeterminado, que en el caso normal el
20% mayor que el voltaje de línea, se remueve el frenado regenerativo y se aplica
uno reostatico. Permite una transferencia casi instantánea de frenado regenerativo
a reostatico si la línea se vuelve no receptiva, aunque sea en forma momentánea.
En cada ciclo, el circuito lógico determina la receptividad de la fuente. Si es no
receptiva, se activa el tiristor para desviar la corriente del motor al resistor . El
tiristor es autoconmutado cuando se activa el transistor en el siguiente ciclo.
3.3.4 Propulsores por convertidor DC-DC de dos y cuatro cuadrantes.
Durante el control de la potencia, un propulsor por convertidor DC-DC opera en el
primer cuadrante, donde el voltaje de armadura y la corriente de armadura son
positivos.
En un frenado regenerativo, el propulsor por convertidor DC-DC opera en el
segundo cuadrante, donde el voltaje de armadura es positivo y la corriente de
armadura es negativa. Se requiere la operación de dos cuadrantes, que se ven en
la figura 2.15(a), para permitir el control de la potencia y el frenado regenerativo. El
arreglo de circuito de un propulsor transistorizado de dos cuadrantes se ve en la
figura 2.15(b).
Control de potencia. Operan el transistor y el diodo . Cuando se activa, el
voltaje de suministro se conecta a las terminales del motor. Cuando se
desactiva, disminuye la corriente de armadura que pasa por el diodo de corriente
libre .
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MARCO TEORICO - 25 -
Figura 2.15 Propulsores por convertidor DC-DC de dos y cuatro cuadrantes.
Control regenerativo. Opera en el transistor y el diodo . Cuando se activa ,
el motor funciona como generador y aumenta la corriente en la armadura. Cuando
se desactiva, el motor funcionando como generador, regresa energía a la
fuente a través del diodo regenerativo . En aplicaciones industriales se requiere
operación en cuatro cuadrantes, como se muestra la figura 2.16(a) y en la figura
2.16(b) se ve un propulsor transistorizado de cuatro cuadrantes.
Figura 2.16 Propulsor transistorizado de cuatro cuadrantes.
Control de potencia en avance. Operan los transistores y . Los transistores
y están desactivados. Cuando y se activan juntos aparece el voltaje de
alimentación a través de las terminales del motor y aumenta la corriente en la
armadura. Cuando se desactiva y sigue activando, la corriente en la
armadura disminuye a través de y . En forma alternativa se puede desactivar
y a la vez, mientras que la corriente en la armadura es forzada a disminuir a
través de y .
Regeneración en avance. Los transistores , y están desactivados. Cuando
se activa el transistor la corriente en la armadura aumenta y pasa por y .
Cuando se desactiva, el motor como generador y regresa energía a la fuente, a
través de y .
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MARCO TEORICO - 26 -
Control de potencia en reversa. Operan los transistores y . Loa transistores
y están desactivados. Cuando se activan juntos y , la corriente en la
armadura sube y pasa en dirección inversa. Cuando esta desactivado y esta
activado, la corriente en la armadura disminuye, pasando por y . En forma
alternativa, se puede desactivar tanto como mientras la corriente en la
armadura es forzada a decaer a través de y .
Regeneración en reversa. Los transistores , y están desactivados.
Cuando se activa , la corriente n la armadura aumenta pasando por y .
Cuando se desactiva, la corriente en la armadura decrece y el motor regresa
energía a la fuente a través de y .
2.3.5 Convertidores DC-DC polifásicos.
Si se operan en paralelo dos o más convertidores DC-DC y su fase esta
desplazada entre sí en / , como se ve en la figura 2.17(a) la amplitud de los rizos
de la corriente de carga disminuye y la frecuencia de rizo aumenta. El resultado es
que se reducen las corrientes armónicas generadas en el convertidor DC-DC
hacia la alimentación. También se reducen los tamaños de los filtros de entrada.
La operación polifásica permite reducir los inductores de aplanamiento, que en el
caso normal se conectan en el circuito de la armadura de los motores de DC. Los
inductores separados en cada fase se usan para compartir la corriente. La figura
2.17(b) muestra las formas de onda de corriente con ( ) convertidores de DC-DC.
Para ( ) convertidores de DC-DC en operación polifásica, se puede demostrar que
se satisface la ecuación cuando K=1/2u y el rizo máximo de corriente de carga,
pico a pico, viene a ser
…………………………………………………..…. (22)
Donde y son la inductancia y la resistencia total de la armadura,
respectivamente. Para se puede aproximar el rizo máximo de
corriente en la carga, pico a pico, a.
.....................................................................................(23)
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Figura 2.17 Convertidores DC-DC polifásicos.
Las operaciones polifásicas son adecuadas para propulsores de motores grandes,
en especial si la corriente requerida por la carga es grande. Sin embargo, si se
considera la complejidad adicional implicada al aumentar la cantidad de
convertidores DC-DC no hay mucha reducción en las armónicas generadas por el
convertidor DC-DC en la línea de alimentación, si se usan más de dos
convertidores de DC-DC. En la práctica son factores importantes tanto la magnitud
como la frecuencia de las armónicas en la corriente de línea, para determinar el
nivel de interferencias en circuitos de señalización. En muchos sistemas de
transporte rápido asta comparten una línea común. Los circuitos de señalización
son sensibles a determinadas frecuencias y la reducción de magnitud de
armónicas al emplear una operación polifásica de convertidores DC-DC podría
generar frecuencias dentro de la banda de sensibilidad, lo cual podría causar más
problemas de los que se resuelven con esa operación.
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MARCO TEORICO - 28 -
2.4 MOSFET de potencia.
Un BJT es un dispositivo controlado por corriente y requiere corriente de base
para que pase corriente en el colector. Como la corriente en el colector es
independiente de la corriente de entrada, la ganancia de corriente depende de la
temperatura en la unión.
Un MOSFET de potencia es un dispositivo controlado por voltaje, y solo requiere
una pequeña corriente de entrada. La velocidad de conmutación es muy alta, y los
tiempos de conmutación son de nanosegundos. Los MOSFET de potencia están
encontrando cada vez más aplicaciones en convertidores de alta y baja potencia.
Los MOSFET no tienen los problemas de fenómenos de segunda avalancha,
como los BJT. Sin embargo, los MOSFET tienen los problemas de descarga
electrostática y requieren cuidados especiales en su manejo. Además es
relativamente difícil protegerlos en fallas de corto circuito.
Figura 2.18 MOSFET del tipo de agotamiento.
Los dos tipos de MOSFET son.
- MOSFET decrementales
- MOSFET incrementales.
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MARCO TEORICO - 29 -
Un MOSFET de tipo decremental con canal n se forma sobre un substrato de
silicio tipo p, como se ve en la figura 2.18(a), con dos regiones de silicio n muy
dopado para formar conexiones de baja resistencia. La compuerta está aislada del
canal por una capa muy delgada de oxido. Las 3 terminales son compuerta
drenaje y fuente. En el caso normal, el sustrato se conecta a la fuente. El voltaje
de compuerta a fuente es y puede ser positivo o negativo. Si es negativo,
algunos electrones en el área del canal n son repelidos, y se crea una región de
agotamiento debajo de la capa de oxido, dando como resultado un canal efectivo
más angosto y una alta resistencia del drenaje a la fuente . Si se hace que
sea suficientemente negativo, el canal se decrementa hasta desaparecer, por
completo y presenta un valor muy alto de y no pasa corriente del drenaje a la
fuente = 0. El valor cuando eso sucede se llama voltaje de estrechamiento
. Por otra parte, si se hace positivo, el canal se incrementa haciéndose más
ancho y aumenta , debido a la reducción de . Con un MOSFET de tipo
decremental de canal n se invierten las polaridades de , y , como se ve
en la figura 2.18(b).
Un MOSFET de canal n tipo incremental no tiene canal físico, como se ve en la
figura 2.19(a), si en positivo, un voltaje inducido atrae a los electrones del
sustrato p y los acumula en la superficie, bajo la capa de oxido. Si es igual o
mayor a un valor llamado voltaje umbral o voltaje de entrada, se acumula una
cantidad suficiente de electrones para formar un canal n virtual, y la corriente
circula del drenaje a la fuente. Se invierten las polaridades de , y en un
MOSFET de tipo incremental de canal p como se ve en la figura 2.19(b).
Figura 2.19 MOSFET del tipo incremental.
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Figura 2.19 MOSFET del tipo incremental.
Ya que un MOSFET de decremental permanece activo con 0 voltaje de compuerta
mientras que un MOSFET de tipo incremental permanece apagado con cero
voltaje de compuerta, en general los MOSFET de tipo incremental se usan como
dispositivos de conmutación en la electrónica de potencia.
Cuando la compuerta tiene un voltaje lo bastante positivo con respecto a la fuente,
el efecto de su campo eléctrico atrae los electrones de la capa n+ hacia la capa p.
con esto forma un canal vecino a la compuerta, el cual a su vez permite el flujo de
la corriente del drenaje a la fuente. Hay una capa de dieléctrico de oxido de silicio
entre el metal de la compuerta y la unión n+ y p. el MOSFET está muy dopado en
el lado del drenaje, para formar un acoplamiento debajo de la capa de
desplazamiento n. este acoplamiento evita que la capa de decremental llegue al
metal, distribuye el esfuerzo dieléctrico a través de la capa n y también reduce la
calidad de voltaje en sentido directo durante la conducción. También la capa de
acoplamiento hace que sea un dispositivo asimétrico, con una capacidad bastante
baja de voltaje en sentido inverso. Los MOSFET requieren poca energía de
compuerta, y tienen una velocidad muy grande de conmutación además de bajas
perdidas por conmutación. La resistencia de entrada en muy alta, sin embargo la
desventaja de los MOSFET es su alta resistencia en sentido directo en estado
activo y por consiguiente altas perdidas en sentido activo, eso los hace más
atractivos como dispositivos de potencia, aunque son excelentes como
dispositivos amplificadores de compuerta para transistores.
2.4.1 Características en estado permanente.
Los MOSFET son dispositivos controlados por voltaje y tienen una impedancia de
entrada muy alta. La compuerta toma una corriente de fuga muy pequeña, del
orden de los nanoamperes. La ganancia de corriente, que es la relación entre
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MARCO TEORICO - 31 -
corriente de drenaje y la corriente de compuerta suelen ser del orden de .
Sin embargo, la ganancia de corriente no es un parámetro importante. La
transconductancia, que es la relación de la corriente de drenaje al voltaje de
compuerta, define las características de transferencias, y es un parámetro muy
importante.
En la figura 2.20 se muestran características de transferencia de MOSFET de
canal n y de canal p. la figura 2.21 muestra las características de salida de un
MOSFET de canal n incremental.
El modelo de estado permanente para los MOSFET tipo decremental y tipo
incremental. La transconductancia se define como
………………………………………………………. (24)
Figura 2.20 Grafica de las características en estado permanente.
Figura 2.21 Características de salida de un MOSFET.
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La resistencia de salida, se define como
………………………………………………….. (25)
Y en el caso normal es muy alta en la región de estrechamiento, del orden de los
megaohms y en la región lineal es muy pequeña, normalmente del orden de los
miliohms.
Para los MOSFET tipo decremental el voltaje de compuerta o entrada podría ser
positivo o negativo sin embargo los MOSFET tipo incremental responden solo a un
voltaje de compuerta positivo. En general los MOSFET de potencia son de tipo
incremental y tienen al configuración que muestra en la figura 2.22, sin embargo
los tipos decremental tendrían algunas ventajas y simplifican el diseño lógico en
algunas aplicaciones que requieren alguna forma de interruptor de lógica
compatible para DC o AC que permaneciera cerrado cuando la fuente falla.
Figura 2.22 Conexión de un MOSFET de potencia del tipo incremental.
2.4.2 Características de conmutación.
Si no tiene señal de compuerta, un MOSFET de tipo incremental se puede
considerar como dos diodos conectados espalda con espalda o como un transistor
NPN. La estructura de la compuerta tiene las capacitancias parasitas respecto
a la fuente y respecto al drenaje. El transistor npn tiene una unión con
polarización inversa, el drenaje de la fuente, y forma una capacitancia .La
figura 2.23(a) muestra el circuito equivalente de un transistor bipolar parasito en
paralelo con un MOSFET. La región de base emisor de un transistor NPN se pone
en corto en el dado del microcircuito, al metalizar la terminal de la fuente y la
resistencia de la base al emisor, se puede considerar que un MOSFET tiene un
diodo interno, y el circuito equivalente se ve en la figura 2.23(b). Las capacitancias
parasitas dependen de sus voltajes respectivos.
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MARCO TEORICO - 33 -
Figura 2.23 Características de conmutación.
El modelo de conmutación de los MOSFET se ve en la figura 2.24. Las formas de
onda y los tiempos típicos de conmutación se ven en la figura 2.24. El retardo de
encendido es el tiempo necesario para cargar la capacitancia de entrada hasta el
valor de voltaje umbral. El tiempo de subida , es el tiempo de carga de la
compuerta, desde el nivel hasta el voltaje total de compuerta , que se requiere
para activar al transistor hasta la región lineal. El tiempo de retardo de apagado es
necesario para que para que la capacitancia de entrada se descargue desde el
voltaje de sobresaturación hasta la región de estrechamiento. El voltaje debe
disminuir en forma considerable antes de que comience a subir. El tiempo de
caída es necesario para que la capacitancia de entrada se descargue des de la
región de estrechamiento hasta el voltaje umbral.
Figura 2.24 Formas de onda y los tiempos típicos de conmutación.
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DESARROLLO - 34 -
3 DESARROLLO
Diagrama de bloques de la tarjeta de control, para el alimentador de microalambre.
Figura 3.1 Diagrama de bloques de la tarjeta
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DESARROLLO - 35 -
3.1 Fuente de Alimentación
Figura 3.2 Diagrama de bloques de la fuente de alimentación
El circuito diseñado, en su mayoría se necesita de una alimentación, de diferentes
voltajes, pero con corriente directa
La corriente de la cual se nos proporciona, para alimentar a nuestro circuito, es
una derivación de la planta, esta derivación nos entrega un voltaje de 24 volts de
AC.
Lo primero que debe de tomar en cuenta, es, que nuestra fuente tiene que ser
capaz de soportar la demanda de corriente de todo el circuito, tenemos que
considerar picos de corriente en cargas que a la hora de su arranque generan
respuestas transitorias en lo que se refiere a la corriente, y que en ocasiones
causa un mal desempeño de la fuente de alimentación, entre las cuales se
encuentran, caída de tensión, calentamiento de transformador, oscilaciones de
alimentación, tanto de corriente como de voltaje.
Para poder elegir la adecuada fuente de alimentación, se debe de cuantificar la
corriente total de nuestro sistema eléctrico, en primer caso consideramos el motor
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DESARROLLO - 36 -
eléctrico, el cual será el que mayor demanda de corriente solicitara, como se sabe,
trabaja con una corriente nominal de 3.5 amperes, y que además
Esto se sabe por mediciones realizadas, que alcanza una respuesta transitoria de
corriente de entre 5 y 6 amperes, también cabe comentar, otras cargas a
considerar son lo relevadores, que en comparación a la corriente demandada por
nuestro motor, resultan ínfimas, pues, según tablas proporcionadas y mediciones
realizadas, demandan corrientes del orden de microamperes.
En la siguiente figura se observa un bloque del circuito, que entre otros bloques
mas conforman el circuito completo, pero en el cual, podemos ver los
componentes de la fuente, desde la rectificación, pasando por el filtrado, y
llegando hasta por ultimo a la regulación de voltaje, la cual resulto ser adecuada
para la alimentación de nuestro circuito.
Figura 3.3 Tarjeta de control completa
Como podemos observar, el encapsulado inmediato, donde se conecta
alimentación de corriente alterna, es un dispositivo, el cual realiza la etapa de
RECTIFICACIÓN, en el cual en el mercado se encuentra con la nomenclatura
KBU8B , este componente internamente está compuesto de un puente de diodos,
y como podemos ver en la siguiente figura, tiene 4 terminales, de las cuales, 2 son
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DESARROLLO - 37 -
de entrada de corriente alterna y las otras 2 son para dar como salida corriente
directa, tal cual como conectaríamos un puente de diodos normal. Las
indicaciones de conexión en el encapsulado físico las podemos encontrar como:
~ Para las entradas en alterna
+ Para la salida positiva
-Para la salida negativa o Tierra.
Es tan común usar este tipo de rectificadores que se venden ya preparados los
cuatro diodos en un solo componente. Suele ser recomendable usar estos puentes
rectificadores, ocupan menos espacio, que poner los cuatro diodos y para
corrientes grandes vienen ya preparados para ser montados en disipadores de
calor.
Dentro de puntos relevantes a tomar en cuenta, y por el cual nos convenció para usarlo, es que.
- Máxima corriente promedio de hasta 8 amperes, a una temperatura de 75°C - Voltaje RMS máximo de entrada de hasta 70 volts
El valor que se obtenido en los cálculos y corroborado con las mediciones, nos indican que tenemos que tener un valor de tensión de salida continua de
Vm = √
En donde:
Vm = Voltaje máximo de salida, obtenida, inmediatamente después del diodo Vin = Voltaje de entrada de Corriente Alterna
Figura 3.4 Imagen física del dispositivo rectificador
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DESARROLLO - 38 -
D = Voltaje restado debido a que hay una caída de tensión en cada par de diodos que conducen respectivamente, y que se considera, con una valor de 1 volt por cada diodo.
Sustituyendo los valores que nosotros tenemos:
Vm = = 31.94 volts
De forma inmediata conectamos un capacitor de 4700µF de 50 volts, que en si es
la etapa de FILTRACIÓN, y esta servirá para eliminar los rizos que resulten, o
mejor dicho las oscilaciones en el voltaje, que nos puedan afectar a nuestros
dispositivos que el circuito, porque de este valor, según pudimos investigar, entre
mayor capacitancia, mayor continuidad, pero en contra parte tenemos que la
corriente a la hora de encender la fuente es mayor, debido a que se tiene que
cargar todo el capacitor desde cero.
Como nuestro rectificador y nuestra alimentación, son capaces de soportar el pico
de encendido, optamos, por este capacitor, ya que preferimos tener la mayor
continuidad posible en nuestro suministro, de energía y así evitar daños en
nuestros demás dispositivos del circuito que en cierto modo pudieran resultar más
endebles a las variaciones de voltaje.
Después de esto se empieza con lo que es la REGULACIÓN de tensión, pues
utilizamos un micro controlador, el cual se debe de alimentar con una tensión de 5
volts, y un driver que genera la señal al gate del MOSFET, y la cual debe ser
alimentado de entre 12 o a 14 volts, para tener una adecuada excitación del
MOSFET, y así pues, provocar un correcto funcionamiento del dispositivo de
potencia, no se toma en cuenta la regulación del motor, pues la tomaremos
inmediatamente después de la rectificación, que según los cálculos realizados,
obtendremos un voltaje de aproximadamente de entre 31 a 32 volts, que aunque
es mayor al que requiere el motor, lo podemos utilizar, gracias al control del motor
que vamos a utilizar, el cual será por medio de modulación de ancho de pulso.
Para la regulación existen varios dispositivo, de diversas marcas, y los cuales se
diferencian solo en la potencia que son capaz de soportar y disipar, y de la cual,
depende estrechamente cual es la corriente que llegar a soportar.
Los reguladores que se usaron en los dos casos para obtener el voltaje adecuado,
fueron los reguladores que se encuentran en el mercado, con la nomenclatura de
LM317T, que tienen como características relevantes.
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DESARROLLO - 39 -
- Voltajes de salida, de rangos desde 1.2 hasta 37 volts
- Corriente de salida de hasta 1.5 amperes
Dentro de las características relevantes a mencionar, es una regular de voltaje
ajustable, y cuáles fueron las causas de optar por usar este tipo de regulador, en
los dos casos en los cuales necesitábamos de la regulación.
Este dispositivo cuenta con tres terminales:
- ADJ: En la cual típicamente se le conecta un potenciómetro, el cual se usa
para regular la tensión.
- VIN: En el cual se conecta la tensión de entrada
- VOUT: Salida de voltaje regulada
En el primer caso en donde necesitamos una tensión de 5 volts, utilizamos este
regulador en especial , es porque aunque existen reguladores de voltaje fijos de 5
volts, como el LM7805, no nos resulto útil por su poca corriente de corriente que
tienen, pues aunque nos es mucha la carga a la cual está sometida, si es mucha
la caída de tensión que debe realizar, y por consecuencia, es mucha potencia a
que tiene que disipar, y que se ve reflejado en un excesivo calentamiento, hasta
llegar al punto de que ocasione un daño en el regulador, y después como
consecuencia, daños en los dispositivo que se encuentran conectados a él. En el
segundo caso, el punto concluyente por el cual se uso el mismo regulador, fue que
la tensión a la cual se excita correctamente el MOSFET, varía entre el rango de 12
a 14 volts, entonces no resultaría eficaz un regulador fijo, debido a que entre mejor
excitación del MOSFET, menor calentamiento de este.
Figura 3.5 Imagen física del dispositivo regulador de voltaje
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DESARROLLO - 40 -
3.2 Procesamiento de señales
Figura 3.6 Diagrama de bloques del procesamiento de señales
El procesamiento de señales, en este proyecto es requerido, para realizar la rutina
de control adecuada, pues se deben de obedecer ciertas señales, y generar
también señales, para tener el control tanto de la válvula, como del motor.
El dispositivo que deberá cumplir con esta tarea, debe de contar con, entradas y
salidas digitales, tener un modulo de conversión analógico/digital ADC, generador
de PWM, además de ser flexible en lo que respecta a lo que tiene que ver con la
programación.
El microcontrolador MC9S08SH8CPJ de 20 pines de la marca Freescale, tiene
características adecuadas, a continuación mencionaremos las cualidades del
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DESARROLLO - 41 -
dispositivo, para después, describir el papel que juega en el desarrollo de la tarjeta
de control
Características del CPU
- Procesador de 8 bits
- Frecuencia del procesador de 40 MHz
Memoria interna
- Memora FLASH lectura/programa/borrador
- Memoria de acceso aleatorio(RAM)
Modos de ahorro de energía
- Dos modos de potencia muy baja parada
- Reducción de modo de poder esperar
- Tiempo de baja potencia real de interrupción para el uso en ejecución,
esperar y dejar.
Sistema de Protección
- Watchdog para revisar el correcto funcionamiento, dedicada a correr a partir
de 1 kHz de la fuente de reloj interno o reloj de bus
- Detección de baja tensión con reajuste o la interrupción
- Detección de código ilegal, y operación de rearme ilegal de detección de la
dirección con reajuste
- Bloque para proteger memoria FLASH
Periféricos
- 12 canales de ADC, con una resolución de 10 bits, tiempo de conversión de
hasta 2.5µseg, y con sensor de temperatura.
- 8 contadores, con 8 bits de pre escalado, y además con interrupción por
desbordamiento
- 2 canales independientes generadores de PWM
Entradas/Salidas
- 17 pines de propósito general input/output, y un único pin exclusivo de salida
- 8 pines de interrupción, con la polaridad seleccionable
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DESARROLLO - 42 -
La figura 3.6 que le corresponde al microcontrolador que vamos a utilizar, es la
siguiente, en la cual se puede observar, cuales son los pines, y que es lo que
pueden llegar a realizar en un momento dado.
Figura 3.7 Distribución de pines del microcontrolador
Este dispositivo se debe de alimentar con una tensión entre VDD y VSS de 5 volts,
y de la misma magnitud es como acepta las entradas y como proporciona las
salidas, incluyendo PWM
Su modo de programación es versátil, pues acepta tres tipos de programación,
desde lenguaje ensamblador, Programación en C y Procesador experto.
Basándonos en la figura de diagrama de bloques del procesamiento de señales,
es como describiremos, el porqué de la programación y como es que funciona el
programa, y cuáles fueron los criterios para hacer así el programa.
En primera estancia como vemos, del lado de las entradas, tenemos tres de ellas.
1. El gatillo
2. Dmic Drenador de microalambdre
3. Entrada de convertidor analógico/digital
La entrada con lo que respecta al gatillo y la cual está en la parte de la que
nosotros denominamos antorcha. Cuando el gatillo es apretado, se deben de
cumplir dos situaciones, la primera es que debe de trabajar el motor y la segunda
es que la válvula se abra para que deje pasar el gas.
Esto implica que lo que debe de realizar el microprocesador, es que debe de leer
la señal que le manda el gatillo, al obtener la señal, inmediatamente debe de
realizar la lectura del potenciómetro, por medio del convertidor analógico/digital,
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DESARROLLO - 43 -
para obtener una cuantificación digital, y poder usar esa medición en nuestro
programa, la cual tendrá como objetivo, modificar el valor del ciclo de trabajo del
nuestro PWM, el cual a su vez modificara la velocidad del motor,
simultáneamente, el microcontrolador debe de proporcionar una salida digital, el
será requerida para accionar un relevador, el cual usamos como mediador para
poner en funcionamiento al válvula, que como recordamos es de corriente alterna.
La otra entra al microcontrolador, nosotros la nombramos Drenador de
microalambre, cuando esta entrada esté presente en nuestro microcontrolador, lo
único que debe de suceder, es que el motor funcione como en el caso anterior,
pero esta vez la válvula no debe de activarse. Esta función se utiliza cuando hay
que cambiar el rollo de microalambre, y es necesario hacer llegar el extremo del
microalambre hasta la punta de la antorcha, para así poder empezar a soldar.
En el caso de que ni uno de los de las dos entradas estén presentes, lo que debe
de suceder, es que tanto el motor, como la válvula, deben de estar inactivos.
Prácticamente lo que se escribió anteriormente, es como se hará la programación,
tal cual, solo que en el lenguaje de programación, el cual nos permita desarrollar la
rutina descrita anteriormente.
A continuación, en la figura 3.7 se presente el programa desarrollado, realizado en
el software CODEWARRIOR, en opción de programación de procesador experto,
junto con programación en C.
Figura 3.8 Ventana donde se desarrollo el programa
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DESARROLLO - 44 -
Figura 3.9 Rutina que realiza el microcontrolador
void main(void)
/* Write your local variable definition here */
bool ValuesAvaible = FALSE;
byte values[3];
int a,gatillo,Dmic;
/*** Processor Expert internal initialization. DON'T REMOVE THIS CODE!!! ***/
PE_low_level_init();
/*** End of Processor Expert internal initialization. ***/
/* Write your code here */
for(;;)
gatillo=Bit1_GetVal();
Dmic=Bit2_GetVal();
AD1_Measure(TRUE);
AD1_GetValue8((byte*)values);
if(ValuesAvaible)
ValuesAvaible=FALSE;
AD1_Measure(FALSE);
a=values[0];
if(gatillo == 128 || Dmic == 64)
Bit4_PutVal(1);
PWM1_SetRatio8(a);
if(gatillo == 0 && Dmic == 0)
Bit4_PutVal(0);
PWM1_SetRatio8(0);
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DESARROLLO - 45 -
Bean: capsula o rutinas que tiene integrado el software, para realizar programas
en modo de Procesador experto
En primer instancia se encuentran las librerías, las cuales son necesarias para
poder usar ciertos comandos en el programa, además que cada bean agrega sus
propias librerías, para poder realizar
#include "PE_Types.h"
#include "PE_Error.h"
#include "PE_Const.h"
#include "IO_Map.h"
Declaración de las variables locales que se van a utilizar.
bool ValuesAvaible = FALSE;
byte values[3];
int a, gatillo, Dmic;
De manera inmediata se empieza con lo que es el desarrollo del programa.
void main(void)
/*** Processor Expert internal initialization. DON'T REMOVE THIS CODE!!! ***/
Inicialización de todas las variables declaradas.
PE_low_level_init();
for(;;)
Asignación de los valores obtenidos, de los pines de entrada, a nuestras variables
globales del programa.
gatillo=Bit1_GetVal();
Dmic=Bit2_GetVal();
Obtención de los valores analógicos, desde nuestra entrada de convertidor ADC
AD1_Measure(TRUE);
AD1_GetValue8((byte*)values);
if(ValuesAvaible)
ValuesAvaible=FALSE;
AD1_Measure(FALSE);
Asignación del valor analógico, a nuestra variable global ‘a’-
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DESARROLLO - 46 -
a=values[0];
Condición para saber si la variable gatillo o Dmic está presente, y de ser así,
mandar las variables de salida correspondientes a lo que se debe de realizar.
if( gatillo == 128 || Dmic == 0)
Bit4_PutVal(1);
PWM1_SetRatio8(a);
Condición, para verificar, si las dos variables de entrada están ausentes, el cual
será indicativo de que no se está soldando.
if(gatillo == 0 && Dmic == 0)
Bit4_PutVal(0);
PWM1_SetRatio8(a);
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DESARROLLO - 47 -
3.3 Etapa de potencia
Figura 3.10 Diagrama de bloques de la etapa de potencia
En el diagrama de bloques expuesto anteriormente, se desglosa en forma simple,
los componentes que conforman el circuito, que realizan la etapa de potencia, la
cual es la que se encarga de controlar la velocidad del motor.
A continuación se desglosara, como es que interactúan los componentes entre sí,
y como en conjunto conforman la etapa, la cual es capaz de mover a placer el
motor.
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DESARROLLO - 48 -
El control, que se va a realizar es por medio de modulación por ancho de pulso,
para eso necesario un dispositivo que nos genere el PWM. Para esto se usa el
microcontrolador MC9S08SH8CPJ, el cual nos lo proporcionara.
Después de ya haber obtenido la señal de PWM, lo que procede, es que esta
señal que nos genera el microcontrolador, y que además tiene una amplitud de 5
volts, la obedezca nuestro dispositivo de estado sólido, que como ya hemos
mencionado anteriormente, es un MOSFET, y el cual tiene como detalle, que para
tener una correcta excitación, se deben de aplicar tensiones de entre 12 a 15 volts
en la terminal del gate del MOSFET, es decir, necesitamos amplificar la señal
procedente del microcontrolador, a la tensión adecuada para que nuestro
MOSFET, realice un buen desempeño.
El circuito de lograr esta amplificación, y que denominaremos driver del gate del
MOSFET, es de la marca de STsemiconductor, y el cual esta denominado como,
L6384, este dispositivo es un controlador de medio puente de alto voltaje, y que a
continuación se muestra su esquemático, para entender su funcionamiento y así
dejar más claro su papel en esta etapa.
Figura 3.11 Diagrama interno del dispositivo L6384
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DESARROLLO - 49 -
Los pines que conforman el dispositivo son:
Pin 1. IN: este pin sirve de entrada, y es el cual acepta la señal del PWM.
Pin2. Vcc: Es el voltaje, al cual se desea amplificar la señal de microcontrolador, y
que servirá como señal excitadora del gate del MOSFET .
Pin3. DT/SD: Este pin es el encargado de generar el tiempo muerto entre las
señales LVG y HVG.
Pin 4. GND
Pin5. LVG: Genera el lado bajo del driver del gate del MOSFET, y es el
complemento de la señal HVG.
Pin6. Vout: Genera una tierra flotante, para la señal HVG
Pin7. HVG: Genera el lado alto del driver del gate del MOSFET, y se puede decir
que es un seguidor de la señal de entrada en el pin1.
Pin8. Vboot: entre este pin y el pin6 se conecta un capacitor, el cual proporcionara
la parte flotante de suministro, para HVG.
Como se sabe el driver que uso, es capaz, realizar, la excitación del MOSFET, y
además que cuenta, no solo con una salida, si no con dos, y las cuales con
complementos entre ellas, las cuales son identificadas como LVG y HVG. En este
caso se uso la terminal LVG, pues resulto más estable, que VGH, debido a que no
depende de la generación de la tierra flotante.
Ya habiendo obtenido la señal que será proporcionada a la terminal gate del
MOSFET, que es la causante del correcto switcheo de este. A lo que se prosigue
es a la conexión del motor junto con el switch, que en nuestro caso será el
MOSFET.
El MOSFET utilizado es de la marca International Rectifier, y que se encuentra con
el nombre de IRFIZ48V, el cual cuenta con cualidades a destacar como son:
VDSS = 60 volts (Voltaje entre terminales Drain-Source que soporta el dispositivo)
RDS(ON) = 12 mΩ (Resistencia entre terminales Drain- Source)
ID = 39 A
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DESARROLLO - 50 -
El dispositivo anteriormente mencionado, fue conectado, con gran similitud a como
se conectaría la configuración de un transistor de modo Emisor común, solo
tomando en cuenta como homologas a las terminales, que en este caso quedaría
así.
MOSFET = Transistor
Gate = Base
Drain = Colector
Source = Emisor
Y tal como se ve en la figura 3.11, queda nuestra conexión en la tarjeta de control,
para poder accionar el motor y también es posible modificar su velocidad.
Figura 3.12 Conexión homologa a emisor común del transistor
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DESARROLLO - 51 -
3.4 Frenado dinámico.
Figura 3.13 Diagrama de bloques del frenado dinámico realizado
Para el funcionamiento adecuado del alimentador se requiere que cuando el
usuario suelte el gatillo el motor realice un frenado total, esto para evitar que el
microalambre salga por la inercia que genera el motor, con un freno total al
momento de soltar el gatillo se beneficia al usuario debido a que se elimina un
excedente de microalambre en la antorcha reduciendo tiempo de operación y
desperdicio del microalambre.
Para esto se recurre al uso del frenado reostatico o frenado dinámico, debido a
que no se cuenta con una fuente receptiva por eso se descarto el freno
regenerativo y esto imposibilita que la energía almacenada pueda ser transferida a
la fuente.
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DESARROLLO - 52 -
Con el frenado dinámico lo que se hace es disipar la energía en una resistencia, el
frenado dinámico se puede dividir en las siguientes bloques; etapa de potencia,
señal de control, amplificación de señal relevador, resistencia y moto como se
muestra en la figura 38. Lo que tenemos en la etapa de potencia es un propulsor
de un cuadrante colocado en la parte baja el cual ya ha sido descrito
anteriormente, la señal de control que necesitamos es obtenida del
microcontrolador el cual procesa la señal de entrada del gatillo y nos da un pulso
de 5V de DC que se ocupa para accionar la bobina del relevador, que en este
caso es un relevador de la marca sunhold de 5V DC 10A de un polo y dos tiros.
La amplificación de la señal se lleva a cabo mediante el arreglo de un transistor
2N2222 y una resistencia de 5.6kΩ esto se hace para aumentar la corriente ya
que el microcontrolador no brinda ni mantiene la corriente necesaria para
mantener excitada la bobina del relevador
Activando el relevador se consigue cambiar las entradas del motor por las de la
resistencia es decir, la salida del drain del MOSFET que va a una parte del motor
se cambia el contacto por la misma parte del motor con un extremo de la
resistencia. La otra parte del motor al igual que la resistencia van conectados a
+24V DC.
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DESARROLLO - 53 -
3.5 Control de la Válvula.
Figura 3.14 Diagrama de bloques del control de la válvula.
La válvula que accionamos es una válvula solenoide de 24V de AC de todo o
nada, lo que se necesite es que esta no se accione si no hasta que se presione el
gatillo de la antorcha, lo que se necesita para accionar una válvula solenoide es
energizar la solenoide para que esta rompa la inercia del muelle y se habrá el
paso al gas que se ocupa.
El accionamiento de la válvula solenoide lo llevamos a cabo mediante el uso de un
relevador de 24V DC de dos polos dos tiros, este relevador lo utilizamos para
mandar una señal de 5V de DC al micro controlador que sale del regulador de
voltaje; y la otra es para cerrar el contacto con una línea de AC para alimentar a la
válvula solenoide.
El relevador se acciona con el contacto del gatillo cada vez que este se presiona
acciona el gatillo, la conexión se realizo de la siguiente manera, una terminal de la
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DESARROLLO - 54 -
bobina del relevador se conecto a tierra y la otra terminal se conecto a una parte
del contacto del gatillo, la otra parte de este contacto fue conectado a la 24V DC.
Con esto se consigue energizar la bobina del relevador cada vez que se presione
el gatillo y así completar los otros contactos. El contacto que manda la señal de
accionamiento del gatillo al microcontrolador se conecto de un pin del regulador de
5V DC a un polo del relevador y del contacto normalmente abierto se conecto al
pin número 5 del microcontrolador el cual procesa la señal; y segundo contacto
que cierra el circuito para el accionamiento de la válvula solenoide, este se
conecta de una salida a la válvula solenoide al polo del relevador y el contacto
normalmente abierto va a la alimentación de AC que se toma de la entrada del
rectificador, la otra salida de la válvula se mantiene conectada al otro pin del
rectificador que también es alimentado con 24V AC.
Esta conexión anteriormente la realizamos mandando la señal al microcontrolador
directamente desde el gatillo pero en el gatillo de la antorcha es donde pasa toda
la corriente que se necesita para la fundición del microalambre esto hacia que se
creara ruido y generaba problemas de variación de voltaje en el microcontrolador
por eso se decidió adicionar este otro relevador de dos tiro y utilizarlo para separar
la señal que entra al microcontrolador.
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DESARROLLO - 55 -
3.6 Fabricación del circuito.
La fabricación de un circuito se realiza para tener un medio donde sostener y
conectar electrónicamente los componentes electrónicos, existen distintas
técnicas, software pero estos van de acuerdo a costos y cantidad de muestras que
se piensan fabricar, nosotros solo fabricamos el prototipo, y esencialmente para la
fabricación del circuito impreso se tienen que completar 2 etapas que es el
diseño del circuito y la otra etapa trata de la impresión y armado.
3.6.1 Diseño
El diseño electrónico se realiza bajo ciertas normas buscando que este funcione
bien y sea barato de fabricar. Este diseño electrónico lo llevamos acabó mediante
Altium designer es una herramienta de diseño en todas las fases y para todas las
disciplinas, ya sea esquemas, simulación, circuitos impresos de circuitos el cual
nos permite tener todo esto en un ambiente que nos permite comunicarnos con el
editor de esquemáticos y el editor de PCB en el mismo programa.
En la creación del esquemático se agregan los componentes de las librerías
predeterminadas además se pueden importar librerías desde la red lo cual amplia
en número de componentes de los cuales podemos echar mano, se agregan los
componentes que requerimos a nuestra hoja de trabajo y se realizan las
conexiones tal cual como en un diagrama, así generamos el esquemático el cual
está representado en la figura 3.15.
Figura 3.15 Esquemático del circuito completo obtenido
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DESARROLLO - 56 -
En la imagen anterior se muestra la pantalla que nos ofrece el programa para la creación del esquemático, se muestran las herramientas del software y se muestra la hoja de trabajo la cual ilustra los componentes y nodos de nuestro circuito.
Lo siguiente es convertir el esquemático en una lista de nodos. Esto es una lista de las terminales y nodos del circuito, a los que se conectan los pad de los componentes. Este es generado por el programa de forma automática se asignan dimensiones que va tener el pcb anchos de pistas los cuales van en relación a la cantidad de corriente que conducirán el área de estas el grosor la temperatura máxima que tendrán, también se asignan reglas como distancia mínima entre pad y pista, entre pista posteriormente a esto; la lista es importada en el programa a la etapa de generación del pcb importando lista de nodos, componentes y redes.
A continuación se determina la posición de cada componente. Esto se puede hacer mediante el uso del asistente del programa o se puede realizar manualmente, nosotros lo realizamos manualmente para aprovechar el espacio a nuestra conveniencia creando el espacio necesario para disipadores de calor y creando un acomodo en los circuitos que permita se acoplamiento en la carcasa del alimentador del microalambre, esto es ya sea para optimizar el desempeño del circuito, o para poner componentes, según lo requiere el diseño mecánico del sistema.
El programa importa todos los componentes con sus respectivos footprints estos contienen el mapa de los pines de cada componente la distribución de los pad tamaño de estos para las perforaciones recomendadas; los footprints pueden ser editados o creados en otra parte del mismo programa para así poder contar con nuestra propia librería de componentes, así tenemos mayor exactitud al momento de impresión y armado del circuito.
Después de esto se tiene en la pantalla una representación de nuestra placa la cual puede ser editada asignándole distintas características que son; dimensiones, especificación del tipo de componentes que se ocuparan haciendo referencia a componentes through-hole o montaje superficial además se especifica las caras o cara en donde trabajaremos; nosotros realizamos nuestro circuito con componentes through-hole utilizando solo un plano el plano superior. También se tienen en esa pantalla todos los footprints de los componentes que requerimos con las referencias de nodos y redes que se importaron. En la figura 3.16 se ilustra el pcb con los componentes, nodos, redes y lista de pines ya importados. Lo que se ve son los footprints acomodados y las líneas indican su conexión de cada pin del componente.
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DESARROLLO - 57 -
Figura 3.16 Imagen de la tarjeta en el programa Altium
El ruteado en el programa que utilizamos se pude realizar de dos maneras una, es utilizando el asistente de el programa el cual trata de rutear cada nodo en la lista de de pines de cada componente, encontrando secuencias de conexión en las capas disponibles. Mediante el uso de algoritmos el cual por lo regular es un algoritmo práctico de ruteo es elegir el pin más lejana del centro de la tarjeta, y luego usar un algoritmo codicioso para seleccionar la siguiente pin más cercana con la señal del mismo nombre; y la otra forma es realizar el ruteado manualmente pin a pin lo cual dependiendo de la habilidad de quien manipula el programa nosotros ruteamos de esta manera ya que así nos permite lograr conexiones un tanto más lógicas que provean al circuito del orden que requerimos de acuerdo a las características eléctricas y mecánicas del sistema.
En la figura 3.17 se muestra el circuito ya ruteado se pueden apreciar la diferencia de anchos en las pistas como mencionamos esto depende de las características de cada pista también se observan las pistas en color azul esto va en relación a la superficie donde se está trabajando.
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Figura 3.17 Diseño completo de la tarjeta
Ya por último se generan el archivo final o gerber, esto nos da una serie de
imágenes que necesitamos para poder realizar la impresión en nuestro circuito, se
tienen diferentes vistas de acuerdo a las necesidades, a continuación en la figura
3.18 se muestra la imagen que se imprimió de nuestro circuito final.
Figura 3.18 Imagen final impresa
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3.6.2 Manufactura.
Para realizar un circuito impreso se necesita una tarjeta de cobre virgen estas pueden tener cobre en las dos caras o en caras internas pero la nuestro circuito es de una sola cara, y luego se retira el cobre no deseado, dejando sólo las pistas de cobre deseado. Algunos pocos circuitos impresos son fabricados al agregar las pistas al sustrato, a través de un proceso complejo de electro recubrimiento múltiple. Algunos circuitos impresos tienen capas con pistas en el interior de éste, y son llamados circuitos impresos multicapas. Éstos son formados al aglomerar tarjetas delgadas que son procesadas en forma separada. Después de que la tarjeta ha sido fabricada, los componentes electrónicos se soldán a la tarjeta.
Hay varios métodos típicos para la producción de circuitos impresos:
1. La impresión serigrafía. 2. El fotograbado. 3. El fresado de circuitos impresos 4. La impresión en material termosensible.
Se ocuparon dos métodos de transferencia de circuitos impresos el método de
transferencia de calor y por el método de foto sensibilidad, pero resulto mas
practico el método de transferencia por calor. Para poder transferir un circuito de
impreso a nuestra placa de cobre se requiere que esta se encuentre preparada es
decir lijada con una lija fina y libre de grasas con la ayuda de algún solvente para
lograr una mejor transferencia del circuito. El circuito se imprime en papel couche
esta impresión se realiza con una impresora laser con base a la figura obtenida en
el programa; para hacer la transferencia se humedece la placa con alcohol
isopropilico se ajusta la imagen a la placa de cobre.
Se utiliza una plancha a su máxima temperatura, inmediatamente después de que
se ajuste la imagen a la placa se plancha la imagen y se aplica un poco de presión
esto es por 5 minutos, al terminar se deja enfriar la placa después de esto solo se
retira en papel de la placa tallando suavemente solo quitando el papel sin tallar
demasiado sobre las pistas transferidas
El atacado de la placa de cobre se puede realizar de diferentes maneras. La mayoría de los procesos utilizan ácidos o corrosivos para eliminar el cobre excedente. Existen métodos de galvanoplastia que funcionan de manera rápida, pero con el inconveniente de que es necesario atacar al ácido la placa después del galvanizado, ya que no se elimina todo el cobre.
Los químicos más utilizados son el cloruro férrico, el sulfuro de amonio, el ácido clorhídrico mezclado con agua y peróxido de hidrógeno. Existen formulaciones de
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ataque de tipo alcalino y de tipo ácido. Según el tipo de circuito a fabricar, se considera más conveniente un tipo de formulación u otro.
Nosotros utilizamos el acido clorhídrico diluido en agua para corroer el cobre que
no está cubierto por el circuito impreso este procedimiento lo realizamos
depositando la mescla del acido con agua en una charola de plástico después se
sumerge la placa de cobre y se utiliza una pequeña bomba para que cree burbujas
en el acido y el movimiento incremente la velocidad del proceso esto puede durar
7 minutos. Después de esto se retira la placa de cobre y se enjuaga con agua
corriente.
Al finalizar esta parte del proceso ya se tiene la placa de cobre con las pistas lo
único que se necesita es perforar y montar los componentes. El perforar se realiza
mediante el uso de un taladro de banco la impresión del circuito nos marca el
lugar de los pad y así que solo se sigue las marcas que sirven como guía y se
perfora. El montado de los componentes solo se hace metiendo los pines en sus
lugares correspondientes se soldán cada pin con estaño. Al final tenemos un
circuito como el que se muestra en la figura 3.19.
Figura 3.19 Tarjeta física obtenida
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PRUEBAS Y RESULTADOS - 61 -
4 PRUEBAS Y RESULTADOS
Antes de llegar al diseño final, se tiene que probar con dispositivos que parecía
que cumplían con las necesidades que teníamos. Dentro de todo el sistema, la
etapa que resulto más difícil de conseguir, fue la del control del motor, pues
aunque no era mucha la potencia que se maneja, resulta difícil encontrar
integrados que cumplan con la tarea y además atiendan a la necesidad de ser
económicos.
Dentro del mercado electrónico existen diversos dispositivos capaces de controlar
la velocidad y sentido de giro de ciertos motores de DC, pero la mayoría manejan
corrientes relativamente pequeñas, el motor con el que se piensa trabajar es de
una corriente continua nominal de 3.5 amperes, a una tensión de 24 volts, en lo
que respecta al voltaje no hubo problema encontrar integrados que cumplieran
este requisito, pero en lo que respecta a la corriente, que mayor se acerco a estas
características fue el L6203, en la siguiente figura se muestra el diagrama de
bloques.
Figura 4.1 Diagrama interno del dispositivo L6203.
Del diagrama podemos ver que, es puente H completo conformado con 4 mosfet,
cuenta con dos entradas digitales, las son utilizadas para tener el control del
sentido de giro del motor, dependiendo de la combinación que se tenga entre
ellas, y una entrada mas, en la cual al proporcionarle un PWM, es capaz de
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PRUEBAS Y RESULTADOS - 62 -
modificar la velocidad del motor, y por ultimo cuenta con dos salidas en las cuales
generalmente se conectan las terminales del motor. Dentro de los rangos que este
driver permite, es un voltaje máximo de 48 volts y una corriente directa de hasta 4
amperes, y como características adicionales tiene.
Conducción de protección cruza, es decir tiene un generador de tiempo
muerto entre las señales generadas, para evitar corto circuito entre las
ramas de puente.
RDS(ON)0.3 en condiciones normales de temperatura, este punto es
relevante, pues nos indica en lo que respecta a los MOSFET internos
del dispositivo, la resistencia con la que trabajan al momento de
conducción, ya que entre más pequeña mejor, debido a que el
MOSFET, tendrá que disipar menor potencia, cuando esté trabajando,
lo cual es crucial para su mayor desempeño y tiempo de trabajo.
Compatible con tecnología TTL. Es decir que acepta valores lógicos
comprendidos desde 0.2 hasta 0.8 para el nivel lógico bajo, y 2.4 para
el nivel lógico alto.
Suministro lógico interno, para poder tener referencia con los valores de
entrada del exterior
Frecuencias de operación de hasta de 100 KHz, esto es con referencia
al periodo máximo de PWM con el cual puede trabajar, para tener un
optimo desempeño, y para evitar posibles aumentos de temperatura
Apagado térmico, el cual sirve como protección del dispositivo, por
posibles cortos circuitos, o incremento excesivo de la temperatura
Alta Eficiencia.
Como sabemos el motor con el que se quiere trabajar, tiene valores un poco
menores a los máximos permitidos por el dispositivo, al parecer hasta el momento,
es un buen candidato para poder cumplir con la tarea de, controlar el motor, pues
como sabemos el motor al momento del arranque tiene un transitorio de corriente
mayor al nominal, conforme a las mediciones adquiridas por cuenta propia,
alcanzaba una corriente pico de 5 amperes.
El circuito con el que hicimos pruebas iníciales fue el que se muestra en la figura,
y el cual estaba compuesto por el circuito mencionado al principio
Dentro de las pruebas iníciales con un ancho de pulso positivo de 50% del periodo
total del PWM, trabajaba en condiciones normales, y el dispositivo adquiría un
calentamiento moderado y aceptable.
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PRUEBAS Y RESULTADOS - 63 -
Pero conforme se fue incrementando el ancho de pulso positivo del PWM
generado, el integrado se fue calentando a una mayor velocidad, hasta llegar al
punto en el que el dispositivo dejaba de funcionar correctamente.
Dentro de los resultados a destacar, son prioridad mostrar las señales obtenidas,
por medio de un osciloscopio, las señales de la generación de PWM, que a
continuación se mostraran detalles e imágenes que sustenten los datos
proporcionados.
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PRUEBAS Y RESULTADOS - 64 -
En primera instancia se presenta los valores de un ciclo de trabajo útil dominante.
Tabla 4.1 Valores obtenidos de PWM con un ciclo de trabajo útil dominante.
Figura 4.2 Graficas de PWM con un ciclo de trabajo útil dominante.
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En segunda instancia se presenta los valores de un PWM, casi equilibrado entre el
ciclo de encendido y el ciclo de trabajo.
Tabla 4.2 Valores obtenidos de PWM con un ciclo de trabajo equilibrado, entre apagado y
encendido
Figura 4.3 Grafica de PWM con un ciclo de trabajo equilibrado.
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En el tercer caso ponemos un periodo del PWM en donde el ciclo de trabajo, es
mayormente apagado.
Tabla 4.3 Valores obtenidos de PWM con un ciclo de trabajo mayormente apagado.
Figura 4.4 Grafica de PWM con un ciclo de trabajo apagado dominante.
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PRUEBAS Y RESULTADOS - 67 -
En las figuras y tablas anteriores, observamos que se realiza adecuadamente la
variación del ancho de pulso, es cual se modifica por medio del potenciómetro que
se encuentra en el panel de, gracias al microcontrolador, que es el que hace
posible esto.
Después de haber obtenido todas las etapas del sistema, el resultado del circuito
integrado y diseñado en altium se muestra a continuación, el resultado final de la
tarjeta de control y además el precio de lo que constaría fabricar una solo tarjeta,
pues como recordamos, uno de los motivos expuestos al principio, era la
obtención de una tarjeta que realizara la tarea y además fuera viable
económicamente.
Figura 4.5 Circuito concluyente de el proyecto.
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PRUEBAS Y RESULTADOS - 68 -
En esta etapa de pruebas y resultados ya teniendo el circuito que controla el motor
se llevo acabo una prueba para conocer la relación que existe entre la variación
del ciclo del trabajo del PWM y la velocidad del motor. Para llevar acabo esta
prueba se requiere de medir la velocidad del motor, el recurso que utilizamos fue
la adaptación de un sensor de efecto hall al engrane que el motor mueve, aquí se
muestra el circuito del sensor este es un circuito adicional que utilizamos para que
levar acabó esta medición.
Figura 4.6 circuito del sensor de efecto Hall.
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PRUEBAS Y RESULTADOS - 69 -
Este sensor como su nombre lo indica funciona de acuerdo a las leyes de este
efecto. El sensor, se alimenta con 5V DC se hace uso de un imán el cual al
cuando el diente del engrane se acerca se censa la presencia del campo
magnético, y se manda una señal digital de 5V DC. En la siguiente imagen se
ilustra esto.
Figura 4.7 sensor de efecto Hall con campo magnético.
En esta figura se ve que el diente del engrane pasa por encima del imán y del
sensor, se crea un campo magnético y es cuando se manda la seña.
Figura 4.8 sensor de efecto Hall sin campo magnético.
En esta imagen el diente no se encuentra por encima del sensor y del imán no
existe campo magnético no se manda ninguna señal.
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PRUEBAS Y RESULTADOS - 70 -
En las siguientes tablas y graficas que se muestran a continuación hacen
referencia al PWM y a la señal del sensor de efecto hall con la siguiente
correspondencia, las graficas amarilla y los valores mostrados en CH1
corresponden a la señal obtenida del sensor de efecto Hall; y las graficas de color
azul y valores que se muestran en CH2 corresponden al PWM.
Tabla 4.4 Valores obtenidos de PWM y señal del sensor, en la máxima velocidad.
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PRUEBAS Y RESULTADOS - 71 -
Figura 4.9 Grafica comparativa máxima velocidad.
En la tabla e imagen anterior se tiene al motor en su máxima velocidad con el ciclo
de trabajo más bajo del PWM pero recordemos que estamos utilizando el
complemento de este; ya que el driver del MOSFET tiene dos salidas que son
LVG y HVG, la salida HVG se puede decir que es un seguidor de la señal de
entrada y el LVG que es terminal que nosotros estamos ocupando, la cual genera
una señal complemento, de la entrada, por esto se tiene que a la entrada del
dispositivo excitador de la terminal gate, se manda un PWM con el ciclo de trabajo
más bajo, pero a la salida del driver se tiene, el PWM con el ciclo de trabajo
completo. Se puede observar que este tiene una frecuencia de 91.41 Hz pulsos
medidos en 1s, pero se considera que el engrane consta de 20 dientes entonces
se tiene que
, se entiende que el engrane da 4.57 vueltas por
segundo, es decir 283 rpm.
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Tabla 4.5 Valores obtenidos de PWM y señal del sensor, en velocidad media.
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Figura 4.10 Grafica comparativa en velocidad media.
En esta grafica y tabla se muestra que el ciclo de trabajo del PWM se encuentra
exactamente a la mitad es decir el motor está trabajando a la mitad de su
velocidad media, a esta velocidad el engrane del motor da 269rpm.
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PRUEBAS Y RESULTADOS - 74 -
Tabla 4.6 Valores obtenidos de PWM y señal del sensor, en velocidad mínima.
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PRUEBAS Y RESULTADOS - 75 -
Figura 4.11 Grafica comparativa en velocidad mínima.
En la grafica y tabla anterior se manda el ciclo de trabajo más grande el cual, hace
que el motor trabaje a si velocidad mínima, pues hay que recordar, que el
dispositivo que nos excita la terminal gate del MOSFET maneja dos salidas, las
cuales se complementan entre sí, que son LVG y HVG, en donde HVG se puede
decir que es un seguidor de señal mientras que LVG es su complemento de la
señal de entrada de PWM, y para que este pueda funcionar se obtuvo una
frecuencia de 54.41 que de acuerdo al cálculo se tiene 163 rpm.
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PRUEBAS Y RESULTADOS - 76 -
Por último se tiene la tabla 4.7, en la cual se enumeran la lista de los
componentes, y el precio, para así sacar la cotización final de la tarjeta de control.
Tabla 4.7 Cotización de componentes
*CW PRO SUITE; ANNL SUB este corresponde al precio de la licencia del
software que se ocupara para llevar acabo la programación del microcontrolador,
con la cual se puede llevar acabó la programación de varios microcontroladores.
En esta cotización solo se cotiza el precio de los componentes y software sin
sumar las horas de ingeniería y el costo de la manufactura en serie.
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CONCLUSIONES - 77 -
5 CONCLUSIONES
El uso de un switch de alta frecuencia o de estado sólido, en este caso un
MOSFET, es un dispositivo eficaz y eficiente, para el control de velocidad de un
motor de corriente directa, pues además de cumplir con la tarea, es de tamaño
compacto, el cual nos permite reducir el tamaño del circuito y además de ser
relativamente barato.
Encontramos varios métodos, para realizar el frenado del motor de DC, existen
unos más complejos que otros, en nuestro caso optamos por el frenado dinámico,
el cual resulto más cómodo de realizar además de que se adecuo más a las
características mecánicas del sistema y requerimientos de funcionamiento, el cual
resulto efectivo en nuestro caso. Consideramos que este tipo de frenado es
recomendable para cargas pequeñas, pues en el proceso del frenado, se realiza
un corto circuito, ese corto lo deberá de soportar el dispositivo que realice la
conmutación, para el frenado.
En la actualidad, el uso de microcontroladores ha incrementado
exponencialmente, ahora se entiende el motivo, pues son capaces de realizar
varias funciones simultáneamente, y sin duda en los sistemas de control, son
imprescindibles, como en nuestro sistema este realiza la función de control del
circuito.
Un punto relevante en el desarrollo del proyecto, es que se pudieron aplicar
conocimientos previos que se obtuvieron a lo largo de la carrera, adquirir otros
tantos nuevos y comprender mejor otros tantos que no se tenían bien digeridos.
Por último, es de bueno mencionar que esta tarjeta puede tener mejoras en lo que
respecta a su desempeño práctico, pues se considera en un futuro, realizar un
puente completo, para que además de realizar el control de velocidad del motor,
también se tenga el control de giro, teniendo como base la tarjeta actual.
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BIBLIOGRAFIA. - 78 -
6 BIBLIOGRAFIA.
Muhammad H. Rashid.
Electrónica de potencia. Circuitos dispositivos y aplicaciones.
Tercera edición, México Pearson Prentice Hall.
Thomas L. Floyd.
Dispositivos electrónicos.
Octava edición México Pearson Prentice Hall.
B. E. Taylor.
Power mosfet design.
Tercera edición, Inglaterra John Wiley & sons.
Joseph Vithayathil.
Power elerctronic.
Estados unidos de Norteamérica McGraw Hill.
INFRA.
Manual de conceptos básicos en soldadura y corte.
http://www.infra.com.mx/
Arturo Bastías.
Sistema MIG.
Apuntes por la universidad tecnológica metropolitana de chile.
http://www.elprisma.com/