Investigación final “Electrónica Industrial"

2 de junio

2010Control automático de la velocidad de un motor de

C.C. por tiristor (SCR).

Objetivo

Estudiar el funcionamiento de un circuito de control automático de velocidad por tiristor.

Materiales necesarios

Fuente de alimentación: Fuente de 120 Volts, 60 Hz; transformador variable de separación (RCS isotap o equivalente).

Equipo: Osciloscopio; voltímetro electrónico; amperímetro de 0-5 ampers; tacómetro capaz de indicar cambio de velocidad de hasta 25 rpm en el margen de 50 a 5,000 rpm.

Motor: De c.c. excitación shunt 16 hp, devanado de

campo o inductor 100 volts, inducido 1.8 ampers 90

volts; velocidad nominal 1,725 rpm, tipo GE 5BCD56BA6

o equivalente; dispositivo de carga. Resistores: 0.5 watts, 47 ohms, 1,000 ohms, 47,000

ohms. Condensadores: 2 de 0.1 µF 200 volts. Semiconductores: Diodos rectificadores, 5 1N5625, 2

1N5059 o equivalente; tiristor (SCR), GE C20B ó C20D, o equivalente; diac GE-ST2 ó equivalente; varistor de tirita, GE-71D-7000 ó equivalente.

Diversos: Conmutador unipolar (2 ampers); potenciómetro 250,000 ohms, 2 watts.

Información preliminar

La disposición de un reóstato en serie con el devanado del inducido para regular la velocidad de un motor tiene inconvenientes. Una de sus limitaciones es la mala regulación de velocidad con las variaciones de la carga. Un aumento de la carga produce un aumento de la corriente de carga y por tanto mayor caída de tensión en el reóstato en serie con el devanado del inducido.

La caída de tensión entre los extremos del reóstato se resta de la salida de c.c. del rectificador y reduce la tensión aplicada al inducido. En consecuencia el motor tiende a desacelerar cuando se aumenta la carga. Hay también una pérdida de potencia PR en el reóstato.

Regulación de velocidad del motor mediante el control del punto de disparo de un tiristor

Las limitaciones que impone un reóstato sobre la regulación de velocidad de un motor se pueden superar utilizando circuitos de control electrónico del motor. Hay muchos tipos de controles electrónicos. El diagrama de bloques de una de las disposiciones está representado en la figura 1. En éstas se utiliza un tiristor en serie con el devanado del inducido. El circuito de control de puerta del tiristor, no representado, se utiliza para ajustar el punto de disparo del tiristor. La tensión de c.c. pulsatoria de salida que aparece entre los terminales del inducido depende del punto en que se dispara el tiristor. La máxima tensión de salida tiene lugar cuando no hay retardo en el tiempo de disparo. La tensión de salida disminuye cuando aumenta este retardo. De esta manera podemos regular la velocidad del motor variando el tiempo de disparo del tiristor. Con esta disposición, un aumento de la carga no afecta apreciablemente a la tensión de c.c. aplicada al inducido por el tiristor. Veremos que el circuito de control puede ser diseñado de modo que se obtenga no sólo el control de la velocidad del motor, sino también la regulación automática de esta velocidad. Es decir, se puede conseguir que la velocidad del motor sea relativamente independiente de las variaciones de la carga y de las variaciones de la tensión de la línea, dentro de un margen especificado. Esto se consigue realimentando la información de velocidad al circuito de control de puerta del tiristor.

La figura 2 representa un control de estado sólido de un motor de c.c. de devanado shunt. Un rectificador puente de onda completa suministra tensión de c.c. pulsatoria al inductor del motor, el cual está conectado en paralelo con la salida del rectificador. También la tensión del inducido está tomada del rectificador, pero el nivel de esta tensión está controlado por el tiristor, cuyo circuito ánodo-cátodo está conectado en serie con el devanado del inducido. El circuito de control de puerta determina los diversos puntos de cada semiciclo en que el tiristor conduce, fijando así el nivel de la tensión del inducido y por tanto la velocidad del motor.

El tiristor se pone en corte al final de cada semiciclo. El diodo rectificador D3, en paralelo con el devanado del inducid, provee un camino de descarga para la energía almacenada en la inductancia del devanado del inducido cuando el tiristor está bloqueado o en corte, al final de cada ciclo. Sin D3 se desarrollaría una alta tensión entre los extremos del inducido al final de cada semiciclo, que impediría la conducción del

tiristor, con lo que fallaría el efecto de control de puerta (y también el control de velocidad) del circuito.

Circuito de control de velocidad por puerta de tiristor

En esta práctica se utiliza un <<diac>>

conjuntamente con un circuito de carga-descarga de C1

para disparar la puerta del circuito de la figura anterior. Un diac es un diodo bidireccional de avalancha de tres capas y dos terminales, que se puede conmutar entre el estado el estado de corte y el de conducción, aplicando entre sus terminales el nivel correcto de tensión positiva o negativa. El diac conduce cuando esta tensión alcanza VBR, que es el nivel de ruptura. La manera de conseguirlo es la siguiente: El rectificador puente de onda completa entrega dos semiciclos de c.c. pulsatoria positivos por cada ciclo de la tensión de entrada de la línea de c.a. Al final de cada semiciclo el condensador C1 comienza a cargarse cuando empieza cada semiciclo, a través de la resistencia R2 (control de velocidad), diodo D2 y devanado del inducido. Cuando C1 se ha cargado hasta la tensión directa del diac ST2 de aproximadamente 32

volts, es entregado un impulso de disparo por el diac a la puerta del tiristor, poniendo a éste en conducción y completando el circuito del inducido. Luego es aplicada la tensión pulsatoria al inducido durante el resto del semiciclo. El tiempo de carga de C1 determina el ángulo de fase en que es conmutado en conducción el tiristor.

El tiristor es bloqueado prácticamente al final de cada semiciclo, cuando la corriente de ánodo del tiristor disminuye por debajo del nivel de mantenimiento. En este punto el campo magnético existe alrededor del devanado del inducido se extingue y la energía almacenada se descarga por el diodo D3. Al final de cada semiciclo, el condensador C1

se descarga a través del devanado del inductor, el resistor limitador de corriente R1 y el diodo D1. La constante de tiempo de descarga C1 es suficientemente corta para que C1 esté completamente descargado cuando comienza el semiciclo siguiente. Sin embargo, la constante de tiempo no puede ser tan corta que la corriente de descarga llegue a ser mayor que la corriente del devanado inductor. Se consigue el equilibrio utilizando un resistor R1 de 1,000 ohms en el circuito de la figura 2.

El intervalo de tiempo que tarda C1 en cargarse hasta la tensión directa de ruptura del diac es controlado por la resistencia de R2. Cuando menor sea el valor de R2, es decir, más corta sea la constante del tiempo de carga, más rápida es la carga, permitiendo que el tiristor dispare al principio del semiciclo. La potencia entregada al inducido se mantiene durante el intervalo de conducción del tiristor. Por tanto, cuando mayor sea el intervalo de potencia, más rápidamente gira el motor. Por consiguiente, una R2 baja, aumenta la velocidad del motor. Una resistencia R2 alta disminuye. De acuerdo con esto, a R2 se le denomina control de velocidad.

Regulación de la velocidad por variaciones de la carga

El tiempo necesario para que C1 se cargue hasta la tensión de ruptura del diodo depende no sólo de la resistencia de R2 sino también del nivel de la tensión existente entre los terminales del tiristor, hasta la cual se carga C1. La tensión entre los terminales del tiristor es la diferencia entre la tensión de salida del rectificador puente y la fuerza contraelectromotriz del inducido. Puesto que esta fuerza contraelectromotriz depende de la velocidad del motor, la tensión entre los terminales del tiristor está gobernada parcialmente por la velocidad del motor. Así pues, la velocidad de carga de C1 está gobernada por la fuerza contraelectromotriz y en consecuencia por la velocidad del motor. A velocidades bajas del motor, cuando la fuerza contraelectromotriz es baja, la tensión entre los terminales del tiristor es alta y C1 se puede cargar hasta la tensión directa de ruptura del diac más rápidamente. A velocidades más altas del motor, la fuerza contraelectromotriz es más alta, la tensión entre los terminales del tiristor es más baja, y la velocidad de carga de C1 es pues menor.

La velocidad del motor, que se traduce en la fuerza contraelectromotriz, proporciona pues un medio de realimentación del motor al cual responde C1. Esta retroalimentación es la base de la característica de control automático de velocidad del circuito, manteniendo el motor a velocidad relativamente constante, a pesar de las variaciones de la carga. Para

explicar cómo se consigue esto, supongamos que R2

esté ajustado para que el motor funcione a una velocidad dada, por ejemplo 1,500 rpm para una carga en particular. Supongamos ahora que la carga se aumente, tendiendo a retardar el motor hasta 1,400

rpm. La velocidad reducida del motor da por resultado menor fuerza contraelectromotriz y por tanto una tensión más alta entre los terminales del tiristor. De aquí que C1 se cargue más rápidamente y ponga en el estado de conducción al tiristor algo antes de que aumente la carga. El aumento del tiempo de conducción del tiristor aumenta la potencia entregada al inducido, acelerando el motor hasta que alcanza 1,500 rpm. Análogamente, una reducción de la carga, que tenderá a acelerar al motor, da por resultado la realimentación en un sentido tal que reduce la velocidad del motor hasta su nivel inicial. De esta manera se obtiene la regulación de velocidad con cambios de carga.

Además de la regulación que resulta de la realimentación de velocidad del motor, la regulación también depende de la corriente del inducido. La energía almacenada en la inductancia del devanado del inducido hace que la corriente pase por el rectificador D3 al principio de cada semiciclo. Durante este intervalo de conducción, el rectificador actúa como cortocircuito entre los terminales del devanado del inducido y no puede parecer fuerza contraelectromotriz entre estos terminales, en consecuencia, la tensión entre los terminales del tiristor a la cual se carga C1 durante este tiempo es la tensión total entregada por el rectificador puente. El

intervalo de tiempo que tardará en disiparse la energía inductiva del inducido, y por consiguiente en pasar la corriente a través de D3 hasta que dicha energía se extinga, depende de la corriente del inducido y de la velocidad del motor.

D3 permanece conduciendo durante un intervalo más largo que al principio de cada semiciclo para corrientes más intensas del inducido y menores velocidades del motor. por tanto el condensador C1 se puede cargar más rápidamente a causa de que la tensión de carga es más alta, con lo que se regula la velocidad del motor mediante la realimentación resultante de la corriente del inducido y de la velocidad del motor.

Regulación de velocidad por variaciones de la tensión de alimentación

El circuito de la figura 2 provee una compensación parcial para las variaciones de la tensión de alimentación que de otra manera afectarían directamente a la velocidad del motor. Así, un aumento de la tensión de alimentación afecta al circuito del inducido y al circuito inductor. Consideremos primero el circuito del inducido. Como C1 se carga hasta la tensión existente entre los terminales del tiristor, que es la diferencia de tensión entre la salida del rectificador puente y la fuerza contraelectromotriz entre los extremos del inducido, un aumento de la tensión de la línea de alimentación dará por resultado una tensión de carga más alta y el

motor tenderá a acelerar. Esta tendencia es parcialmente contrarrestada por el hecho de que la tensión incrementada aparece también entre los extremos del devanado inductor, aumentando la corriente de éste. Un aumento de la corriente del inductor tenderá a disminuir la velocidad del motor. Hay pues un equilibrio entre los circuitos del inducido y el inductor.

Cuando R2 está ajustado para máxima velocidad, es

decir, cuando R2 = 0 ohm, el retardo introducido por la carga de C1 desaparece, por lo que la constante de tiempo de carga de C1 es ahora muy corta. En consecuencia es aplicada la plena potencia al inducido a causa de que ahora queda eliminado el circuito sensible a la realimentación, que contribuía a regular la velocidad. Sin embargo, a velocidades reducidas del motor, o sea cuando la resistencia R2 se ha aumentado, la compensación de las variaciones de tensión de la línea de alimentación o red está provista eficazmente por el circuito de la figura 3. Obsérvese que este circuito es casi igual al de la figura 2, salvo la adición de R3, R4, R5 y C2. De estos componentes R3

requiere alguna explicación. Es un resistor dependiente de la tensión (VDR) o varistor. La resistencia de un varistor varía con la tensión aplicada entre sus terminales. Su resistencia es muy alta para tensiones bajas y baja para tensiones altas. La curva característica de un varistor muestra que su resistencia disminuye exponencialmente con un aumento de la tensión. Por tanto, el gráfico de corriente de un VDR en función de la tensión indica que la corriente aumenta exponencialmente en función de

la tensión.

Consideremos a red formada por R5, C2 y R3. Si prescindimos de la resistencia muy baja de R5, C2 se cargará a través de R3 hacia la tensión de salida entregada por el rectificador puente. El efecto de un aumento de la tensión de la red es disminuir exponencialmente la resistencia de la R3. Por tanto hay también un aumento exponencial de la corriente de carga de C2. A causa del aumento exponencial de la corriente de carga, la velocidad de la carga de C2, es relativamente más que la velocidad del incremento de la tensión de la red.

Ahora observemos el efecto de C2 sobre la carga del condensador C1. En la figura 2 el tiristor es conmutado en el estado de conducción cuando C1 se ha cargado hasta la tensión de ruptura del diac. Sin embargo, en la figura 3 el tiristor es conmutado en conducción cuando C1 se ha cargado hasta la tensión de ruptura del diac más la tensión entre los extremos de R4. Pero esta última tensión es la misma que la existente entre los terminales de C2. Por tanto C1 debe alcanzar la

tensión de ruptura del diac más la tensión entre los terminales de C2 antes de que se dispare el tiristor. Como la corriente de carga de C2 aumenta o disminuye exponencialmente con un aumento o una disminución de la tensión de la red, cualquier variación de esta tensión producirá una variación aún mayor que la tensión desarrollada en C2. La variación resultante de tensión entre las placas de C1 necesaria para disparar al tiristor provee la necesaria compensación para mantener una velocidad relativamente constante del motor, a pesar de las variaciones de tensión de la red.

Consideremos otra vez el efecto de un aumento de la tensión de la red. Al principio de cada semiciclo, el condensador C1 se cargará a mayor velocidad, a causa de que se carga hacia una tensión más alta. Sin embargo, a causa de que la variación entre los terminales de C2 es aún mayor que la variación de tensión de la red, C1 alcanzará una tensión mucho más alta antes de que el tiristor se vuelva a disparar. El instante de disparo queda pues retrasado, reduciendo la potencia aplicada al inducido, y por consiguiente contrarrestando la tendencia del motor a aumentar su velocidad cuando aumenta la tensión de la red. Por el mismo razonamiento se puede demostrar que los circuitos de carga C2 y C1 también compensan la reducción de la tensión de la red.