CONTROL DE UN MOTOR DCCON IGBT

OBJETIVO:

El presente trabajo tiene como objetivo describir el

funcionamiento de un circuito implementado para el control de

velocidad y giro de un motor DC, utilizando la técnica de PWM para

el control de velocidad e IGBT para la etapa de potencia que en

este caso es un puente con el cual se puede controlar el sentido

de giro del motor y nos permite manejar corrientes y voltajes

considerables mayor de las que podríamos manejar con transistores

bipolares o mosfet. Se enfatizo también en describir las

características del dispositivo IGBT como primera opción en la

realización de circuitos de potencia y su respectiva comparación

con otras tecnologías similares.

MARCO TEORICO:

Para empezar con este trabajo monográfico describiremos los

componentes más importantes en el diseño de nuestro circuito que

son el motor DC y el IGBT, que necesitamos conocer para realizar

un buen control de velocidad y giro.

EL MOTOR DC

El motor de corriente continua es una máquina que convierte la

energía eléctrica en mecánica, principalmente mediante el

movimiento rotatorio.

Esta máquina de corriente continua es una de las más versátiles

en la industria por los diferentes usos que se le puede dar. Su

fácil control de posición, parada y velocidad la han convertido en

una de las mejores opciones en aplicaciones de control y

automatización de procesos. Pero con la llegada de la electrónica

su uso ha disminuido en gran medida, pues los motores de corriente

alterna (tipo asíncrono), pueden ser controlados de igual forma a

precios más accesibles para el consumidor, ya que requieren menos

mantenimiento y el coste del motor AC es menor que un motor DC. A

pesar de esto los motores de corriente continua se siguen

utilizando en muchas aplicaciones de potencia (trenes y tranvías)

o de precisión (máquinas, micro motores, etc.)

La principal característica del motor de corriente continua es la

posibilidad de regular la velocidad desde vacío a plena carga.

El motor de corriente continua se compone principalmente de 2

elementos:

Estator

Rotor

Dentro de los cuales se pueden distinguir otros componentes:

Para entender el funcionamiento del motor describiremos cada parte del motor DC.

ESTATOR O INDUCTOR:

Es un elemento inmóvil del circuito magnético en el que se

bobina un arrollamiento para producir un campo magnético. El

electroimán así construido tiene una cavidad cilíndrica entre sus

polos. Este flujo magnético será usado por el rotor para realizar

el movimiento giratorio.

EL INDUCIDO O ROTOR:

Es un cilindro de chapas magnéticas, aisladas entre sí y

perpendiculares al eje del cilindro. El inducido es móvil y gira

alrededor de su eje separado del inductor por un entrehierro. los

ESTATOR ROTOR

ARMAZON EJE

IMAN PERMANENTE NUCLEO Y DEVANADO

ESCOBILLAS Y

PORTAESCOBILLAS

COLECTOR

TAPAS

conductores están regularmente repartidos. Esta parte del motor es

la que genera el torque para mover la carga.

EJE:

Formado por una barra de acero fresada. Imparte la rotación

al núcleo, devanado y al colector.

NUCLEO:

Se localiza sobre el eje. Fabricado con capas laminadas de

acero, su función es proporcionar un trayecto magnético entre

los polos para que el flujo magnético del devanado circule.

Las laminaciones tienen por objeto reducir las corrientes

parásitas en el núcleo. El acero del núcleo debe ser capaz de

mantener bajas las pérdidas por histéresis. Este núcleo

laminado contiene ranuras a lo largo de su superficie para

albergar al devanado de la armadura (bobinado).

DEVANADO:

Consta de bobinas aisladas entre sí y entre el núcleo de la

armadura. Estas bobinas están alojadas en las ranuras, y

están conectadas eléctricamente con el colector, el cual

debido a su movimiento rotatorio, proporciona un camino de

conducción conmutado.

COLECTOR:

Denominado también conmutador, está constituido de láminas de

material conductor (delgas), separadas entre sí y del centro

del eje por un material aislante, para evitar cortocircuito

con dichos elementos. El colector se encuentra sobre uno de

los extremos del eje del rotor, de modo que gira con éste y

está en contacto con las escobillas. La función del colector

es recoger la tensión producida por el devanado inducido,

transmitiéndola al circuito por medio de las escobillas

(llamadas también cepillos)

ARMAZON:

Denominado también yugo, tiene dos funciones primordiales:

servir como soporte y proporcionar una trayectoria de retorno

al flujo magnético del rotor y del imán permanente, para

completar el circuito magnético.

IMAN PERMANENTE:

Compuesto de material ferro magnético, se encuentra fijado al

armazón o carcasa del estator. Su función es proporcionar un

campo magnético uniforme al devanado del rotor o armadura, de

modo que interactúe con el campo formado por el bobinado, y

se origine el movimiento del rotor como resultado de la

interacción de estos campos.

ESCOBILLAS Y PORTAESCOBILLAS:

Las escobillas están hechas de carbón, y son las encargadas

de mantener contacto con el colector y proporcionar la

tensión y corriente hacia el rotor. Su dureza es menor que la

del colector, esto se debe para evitar el desgaste de las

escobillas que además se encuentran albergadas en las porta

escobillas y ambas al estator. La función del porta

escobillas es mantener el contacto de la escobilla con los

segmentos del colector mediante unos resortes, el contacto

debe tener una presión moderada ya que si la presión es

mucha, tanto las escobillas como el colector se desgastarían

y si la presión es poca o débil el contacto entre estos no se

daría del todo bien ocasionando problemas en el

funcionamiento del motor. Justamente estos dos componentes

(escobillas y colector) son los que se tienen que dar

mantenimiento o en todo caso reemplazarlos por desgaste, de

ahí el coste excesivo en mantenimiento de los motores DC en

comparación con los motores AC.

Estructura del motor DC:

Funcionamiento del motor DC

• Cuando se alimentan con electricidad los cables de

entrada, las bobinas del rotor forman un campo magnético

con una polaridad dada. Por tal motivo y debido a la

atracción de los polos contrarios el rotor gira para

colocar los polos contrarios de frente.

Antes de colocarse frente a frente las escobillas dejan

de hacer contacto eléctrico con el colector y el campo

magnético del rotor desaparece, no obstante, la inercia

del rotor hace que se sobrepase la posición de polos

enfrentados y de nuevo se establece el contacto

escobilla-colector, pero en este caso con la polaridad

intercambiada. Esta hace que se formen polos iguales

colocados muy cerca, la repulsión de ellos hace que se

prosiga el movimiento en la dirección iniciada. Este

ciclo de atracciones- repulsiones se produce

infinitamente y el rotor gira de manera permanente

mientras tenga conecta la electricidad.

Producción de par de un motor DC

Tipos de funcionamiento:

El motor de corriente continua tiene un funcionamiento

reversible, veamos:

• Cuando la carga se opone al movimiento de rotación,

generando un par, el funcionamiento es la de un motor.

• Si la carga hace girar a la maquina (denominada carga de

arrastre), el aparato genera energía eléctrica

(generador).

Tipos de motores DC:

1. Excitación paralelo (independiente)

Los arrollamientos, inducido e

inductor, se conectan en paralelo

o alimentados a fuentes de

tensiones diferentes para

adaptarse a las características

del motor. La inversión del

sentido de giro se obtiene por la

inversión de conexión de uno u otro arrollamiento; en

general la inversión de la tensión se hace en el

inducido debido a que sus constantes de tiempo son mucho

menores. La mayoría de los variadores bidireccionales

para motor de corriente continua trabajan de este modo.

2. Excitación serie

El bobinado inductor se conecta

en serie con el bobinado inducido.

La inversión de giro se obtiene

indistintamente invirtiendo la

polaridad del inducido o del

inductor. Este motor se utiliza principalmente para

tracción, especialmente en carretillas alimentadas

mediante baterías de acumuladores. En tracción

ferroviaria.

3. Excitación serie-paralelo

Este motor tiene dos arrollamientos en el inductor. Uno

está en paralelo con el inducido y está recorrido por

una corriente baja respecto a la corriente de trabajo.

El otro está en serie. Los flujos en el motor se suman

si los amperios-vueltas de ambos

arrollamientos tienen el mismo

sentido. En caso contrario, los dos

flujos se restan, pero este montaje

se utiliza muy pocas veces porque

lleva a un funcionamiento inestable para grandes cargas.

DISPOSITIVO DE POTENCIA (IBGT)

Para el desarrollo de nuestro proyecto se utilizo el igbt

como dispositivo de potencia con la finalidad de construir un

puente H, lo cual nos proporciona el control de giro del

motor. Una razón por la cual se trabaja con igbt es su fácil

manejo de activación por tensión en compuerta, al igual que

los mosfet y razón por la cual podemos controlar la velocidad

del motor aplicando una señal PWM a cada par de compuertas de

igbt’s. A continuación describiremos las propiedades de este

dispositivo.

IGBT (transistor bipolar de puerta aislada)

El igbt es un hibrido que combina las características de los

transistores bipolares y de los mosfet. Su similitud con los

mosfet es que se controla por tensión V(gs) y no por

corriente como los transistores bipolares. Los igbt’s

trabajan a mayores frecuencias que los transistores bipolares

pero a menores que los MOSFET.

Para altas y medianas potencias (> 5KW) y tensiones (>1000

volt), se recomienda usar igbt ya que tienen menos perdidas

en conmutación que los MOSFET.

REPRESENTACION Y CURVAS CARACTERISTICAS DEL IGBT (CANAL N)

a) Símbolo característico del igbtb) Corte transversal igbtc) Curva v-i

CARACTERISTICAS:

CONTROL DE PUERTA COMO EL MOSFET Y SALIDA

CARACTERISTICA TIPO BJT.

VELOCIDAD INTERMEDIA (MOSFET-BJT).

TRABAJA CON TENSIONES Y CORRIENTES MAYORES QUE LOS

MOSFET (1400V – 500A).

GEOMETRIA Y DOPADO SIMILARES AL MOSFET (CAPA N- MENOS

DOPADA Y MAS ANCHA).

SOPORTA A DIFERENCIA DE LOS BJT TENSIONES INVERSAS YA

QUE NO TIENEN DIODO ANTIPARALELO.

EXISTEN EN CANAL N Y CANAL P.

Alta impedancia entre los terminales GS, GD y más

alta aun entre DS.

USADO EN DETERMINADAS CIRCUNSTANCIAS:

Bajo ciclo de trabajo

Baja frecuencia (< 20 kHz)

Aplicaciones de alta tensión (>1000 V)

Alta potencia (>5 kW)

APLICACIONES:

Control de motores

Sistemas de alimentación ininterrumpida

Sistemas de soldadura

Iluminación de baja frecuencia (<100 kHz) y alta potencia

CONSIDERACIONES AL SELECCIONAR UN IGBT:

Tensión a la cual se va a trabajar, si es a

tensiones menores de 500v, se recomienda usar

MOSFET, si son tensiones mayores de 1000v, el igbt

es una buena opción ya que tiene menos perdidas por

conmutación que un mosfet.

La corriente con la cual se va a trabajar, ya que los igbt varían su precio de acuerdo a la corriente que soportan.

El voltaje de caída Vds. en modo de conducción (saturación).

Velocidad de conmutación del igbt.

Tipo de paquete de igbt: tipo transistor, encapsulados o módulos.

Voltaje Vds. A altas temperaturas.

PRESENTACIONES DE LOS IGBT’S:

DIAGRAMA DE BLOQUES DEL CIRCUITO A IMPLEMENTAR

DIAGRAMA ANALOGO ESPECIFICANDO LOS COMPONENTES A USAR:

FUNCIONAMIENTO DEL CIRCUITO:

En esta sección se detallara cada bloque del circuito y su respectivo funcionamiento.

ETAPA DE CONTROL

GENERACION

PWM

AMPLIFICACION DE SEÑAL Y PROTECCION DE CIRCUITO DE CONTROL

CIRCUITO DE

POTENCIA

MOTOR DC

CAMBIO DE GIRO

PIC 16F84A

OPTO-TRANSISTOR

4N35

PUENTE-IGBTIRG4BC30K

MOTOR DC

(24V—2A)

CAMBIO GIRO PORTTL

Esta etapa del diseño es la encargada de generar las señales

PWM, para el control de velocidad del motor DC, el cambio de

giro y el aislamiento de la etapa de control con la de

potencia mediante optocopladores y la generación de tiempos

muertos para evitar el cortocircuito entre pares

complementarios de IGBT.

GENERACION DEL PWM:

Para la generación de la señal PWM se uso el PIC

16f84, su funcionamiento es que por cada pulso

positivo que reciba el PIC por RB0 cambie el duty

de la señal, teniendo 5 velocidades (5 tamaños

diferentes de duty). para la señal se tuvo ciertas

consideraciones:

Consideraciones a tomar para generar la señal PWM:

1. velocidad de conmutación del dispositivo a usar, en este

caso igbt.

2. Generar 5 tipos de señales, de igual periodo pero

diferente duty cycle.

3. El duty de la primera señal debe ser lo suficientemente

pequeña como para no vencer la inercia del motor y

mantenerlo apagado.

4. La segunda señal debe poder vencer la inercia del motor

y mostrar un movimiento de este a una velocidad cte.

5. El duty de la última señal debe cubrir casi todo el

periodo (90%).

• Para el proyecto se tomaron las siguientes parámetros:

1. Periodo de la señal : 25ms

2. Duty de la primera señal : 2ms (suficiente para no

vencer la inercia del motor)

3. Duty de la 2da, 3er, 4ta, 5ta señal respectivamente: 7,

10, 15, 22 (ms).

CAMBIO DE GIRO Y ON/OFF:

Para el cambio de giro se uso un flip flop J-K (7476),

modificado para que funcione como un biestable, uniendo el

terminal J y el terminal K y colocándolos a 1 lógico(5

volt.) ya modificado al recibir un flanco de bajada en su

clock, que será proporcionada por un pulsador, las señales

de Q y /Q del flip flop J-K son direccionadas a unas

compuertas AND (7404), Q en una entrada de la compuerta

AND(1) y /Q a otra entrada de la compuerta AND(2), luego

se une los otros terminales de ambas compuertas AND ya que

en esta unión será donde llegue la señal PWM generada por

el PIC, la función de este circuito es conmutar la señal

entre los pares complementarios de igbt’s antes pasando

por el optocoplador como protección del circuito de

control. Para realizar la función de encendido y apagado se tiene el pulsador ON/OFF que se encargara por medio de

software de activar y desactivar la generación de la señal

de control.

Circuito generador de PWM, cambio de giro y ON/OFF

AMPLIFICACION DE LAS SEÑALES Y PROTECCION DEL CIRCUITO DE

CONTROL.

Ya que las compuertas de los igbt’s se activan con 15 voltios

y las señales del PIC son de 5 voltios, se necesita

amplificar la señal y a la vez proteger el circuito de

control (PIC y cambio de giro), para esto se hace pasar la

señal por optocopladores (4N35) que están alimentadas con 15

voltios para la etapa de potencia. Se debe tener en cuenta

que para activar cada igbt se tiene que tener 4

optocopladores uno para cada igbt, una recomendación es que

cada señal de salida (salida del optocoplador) tenga su

propia fuente independiente de alimentación. Y comparta la

misma tierra que los source de los igbt.

CIRCUITO DE POTENCIA.

• Para la etapa de potencia se utilizo un puente conformado por

IGBT, se utilizo el modelo IRG4BC30K que soporta hasta 16

Amp. y una tensión de 600 volt. y caída Vce de 2.21 volt en

saturación, este igbt es de tipo canal n, tener en cuenta

que los 4 igbt deben ser del mismo canal (n) ya que un igbt

de canal p invertiría el sentido de la corriente.

• La secuencia de conmutación se da de la siguiente manera:

Q1 y Q3 (activados) ---- Motor gira en sentido horario

Q2 y Q4 (activados) ---- Motor gira en sentido anti horario

Se coloca diodos en paralelo a los 4 igbt para proteger a estos

de la corriente que proviene del inducido del motor al

descargarse, ya que esta corriente puede dañar el dispositivo. El

circuito tipo puente es muy utilizado ya que maneja grandes

corrientes y alto voltaje, pudiendo controlar el giro y velocidad

del motor.

La tensión recibida por el motor sera proporcional al duty de la

señal que se aplique a las compuertas de los igbt.

Vmotor = Vd * (duty/T)

Obteniéndose así diferentes velocidades.

COSTE DEL MATERIAL:

4 IGBT’S (G4BC30K) ------------- S/27.00

4 DIODOS (1N4148) -------------- S/0.80

PIC 16F84A --------------------- S/9.50

TTL (7476) --------------------- S/1.50

TTL (7408) --------------------- S/1.00

(4N35) x4 -------------------- S/6.00

MOTOR DC (24V) ----------------- S/9.00

TOTAL: ------------------------------- S/54.00

CONCLUSIONES:

EL CIRCUITO TIPO PUENTE CON IGBT RESULTO SER MUY COMODO PARA

TRABAJAR MAS AUN SI SE TRATA CON CIRRIENTES Y TENSIONES

ELEVADAS.

FACIL MANEJO DE LA ACTIVACION DE LOS IGBT, POR VOLTAJE EN

COMPUERTA AL IGUAL QUE LOS MOSFET.

MENOS PERDIDA EN CONMUTACION QUE LOS MOSFET Y MAS RAPIDOS QUE

LOS BJT, SIN DUDA LOS IGBT RESULTAN ATRACTIVOS PARA TRABAKAR

CON POTENCIAS MEDIAS Y PROXIMAMENTE CON POTENCIAS ALTAS.

CUANDO SE TRABAJA CON POTENCIAS MEDIAS Y ALTAS ES

RECOMENDABLE USAR ALGUN TIPO DE AISLADOR ENTRE LA ETAPA DE

POTENCIA Y LA ETAPA DE CONTROL, EN ESTE CASO EL OPTOCOPLADOR

FUE DE GRAN AYUDA.

LA SEÑAL PWM FUE GENERADA EN FORMA FACIL POR EL PIC Y SE TOMO

ALGUNAS CONSIDERACIONES PARA SU GENERACION, COMO EL VOLTAJE

NOMINAL QUE NO VENCE LA INERCIA DEL MOTOR Y LA FRECUENCIA DE

CONMUTACION DE LOS IGBT.

DISEÑO DEL CIRCUITO COMPLETO: