CONTROL DE UN MOTOR DC CON IGBT
OBJETIVO: El
presente
funcionamiento
trabajo de
un
tiene
circuito
como
objetivo
implementado
para
describir el
control
el 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
características del dispositivo
también
IGBT
como
en
primera
describir opción
en
las 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: y
Estator
y
Rotor
Dentro de los cuales se pueden distinguir otros componentes:
ESTATOR
ROTOR
ARMAZON
EJE
IMAN PERMANENTE
NUCLEO Y DEVANADO
ESCOBILLAS Y
COLECTOR
PORTAESCOBILLAS TAPAS
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
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
especialmente
en
para
carretillas
tracción, 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 MO SFET.
Para altas y medianas potencias (> 5KW) y tensiones (>1000 volt), se recomienda usar igbt ya que tienen menos perdidas en conmutación que los MO SFET.
REPRESENTACION Y CURVAS CARACTERISTICAS DEL IGBT (CANAL N)
a) Símbolo característico del igbt b) Corte transversal igbt c) Curva v-i
CARACTERISTICAS: y
CONTROL DE PUERTA COMO EL MO SFET Y S ALIDA CARACTERISTICA TIPO BJT.
y
VELOCIDAD INTERMEDIA (MO SFET-BJT).
y
TRABAJA CON TEN SIONES Y CORRIENTE S MAYORES QUE LOS MOSFET (1400V ± 500A).
y
GEOMETRIA Y DOPADO
SIMILARES
AL MOSFET (CAPA N - MENOS
DOPADA Y MA S ANCHA). y
SOPORTA
A DIFERENCIA DE LO S BJT TENSIONES INVERS AS YA
QUE NO TIENEN DIODO ANTIPARALELO. y
EXISTEN EN CANAL N Y CANAL P.
y
Alta impedancia entre los terminales G S, GD y más alta aun entre D S.
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
Sistemas de soldadura
Iluminación de baja frecuencia (<100 kHz) y alta potencia
de alimentación ininterrumpida
CONSIDERACIONES AL SELECCIONAR UN IGBT: y
Tensión a la cual se va a trabajar, si es a tensiones menores de 500v, se recomienda usar MO SFET, si son tensiones mayores de 1000v, el igbt es una buena opción ya que tiene menos perdidas por conmutación que un mosfet.
y
y
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).
y
Velocidad de conmutación del igbt.
y
Tipo de paquete de igbt: tipo transistor, encapsulados o módulos.
y
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 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.
y
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 I RG4BC30K 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: y
EL CIRCUITO TIPO PUENTE CON IGBT TRABAJAR
MAS
AUN
SI
SE
T RATA
RESULTO
CON
SER MUY COMODO PA RA
CI RRIENTES
Y
TENSIONES
ELEVADAS.
y
FACIL
MANEJO DE LA ACTIVACION DE LOS IGBT, PO R VOLTAJE EN
COMPUERTA AL IGUAL QUE LOS MOS FET.
y
MENOS PE RDIDA EN CONMUTACION QUE LOS MOS FET Y MAS LOS BJT, SIN DUDA LOS IGBT
RESULTAN
RAPIDOS
QUE
ATRACTIVOS PARA TRABAKAR
CON POTENCIAS MEDIAS Y P ROXIMAMENTE CON POTENCIAS ALTAS.
y
CUANDO
SE
RECOMENDABLE
T RABAJA
CON
POTENCIAS
MEDIAS
Y
ALTAS
ES
USAR ALGUN TIPO DE AISLADO R ENTRE LA ETAPA DE
POTENCIA Y LA ETAPA DE CONT ROL, EN ESTE CASO EL OPTOCOPLADO R FUE
y
DE GRAN AYUDA.
LA SEÑAL PWM
FUE
GENERADA EN
FORMA
FACIL
POR EL PIC Y SE TOMO
ALGUNAS CONSIDE RACIONES PARA SU GENE RACION, COMO EL VOLTAJE NOMINAL QUE NO VENCE LA INE RCIA DEL MOTOR Y LA CONMUTACION DE LOS IGBT.
DISEÑO DEL CIRCUITO COMPLETO:
FRECUENCIA
DE
