INSTITUTO TECNOLÓGICO DE LA PIEDAD

MAQUINAS ELÉCTRICAS

INGENIERÍA ELECTRÓNICA

MOTOR DE CORRIENTE DIRECTA

ALUMNOS:

ENRIQUE BARAJAS ORTIZ IVÁN AGUILERA RODRÍGUEZ

MARCO

La Piedad Michoacán Miercoles 27 de abril de 2010

INTRODUCCIÓN

En nuestra carrera hay posibilidad de terminar en alguna empresa resolviendo

problemas con la maquinaria. Quizá ocupemos de manipular motores de corriente

eléctrica, para que tenga un mejor rendimiento. En lo siguiente viene explicada una

práctica que simula el proceso que se lleva acabo para manipular un motor de corriente

directa usando el PWM. Haremos una práctica usando el 555 para hacer un PWM y así

lograr manipular el funcionamiento de un motor de corriente directa. También

lograremos entender lo que sucede con el circuito, dándonos experiencia para poder

resolver tipos de problemas con maquinaria.

MARCO TEÓRICO

PWM

La modulación por anchura de pulsos (ó PWM, del ingles pulse-width modulation)

es una técnica de modulación en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal

periódica para, entre otras cosas, variar la velocidad de un motor.

El ciclo de trabajo de una señal periódica es el ancho relativo de su parte positiva en

relación al período. Cuando más tiempo pase la señal en estado alto, mayor será la

velocidad del motor.

Este tren de pulsos, en realidad, hace que el motor marche alimentado por la tensión

máxima de la señal durante el tiempo en que esta se encuentra en estado alto, y que pare

en los tiempos en que la señal esta en estado bajo.

FRECUENCIA DE LA SEÑAL PORTADORA

La frecuencia de la señal portadora no debe ser elegida alegremente, si no que se

debe tener en cuenta que la relación de amplitudes entre la señal portadora y la

moduladora sean tales, que la relación entre la frecuencia de la portadora y la de señal

sea de 10 a 1 como mínimo.

APLICACIONES

El abanico de aplicaciones en las que se puede utilizar esta técnica es muy amplio,

incluyendo el control de fuentes conmutadas, controles de motores, controles de

elementos termoeléctricos, choppers para sensores en ambientes ruidosos y algunas

otras aplicaciones, tales como el manejo de servos de modalismo. En la actualidad

existen muchos circuitos integrados que integran la función PWM, tales como los

microcontroladores PIC que hemos utilizado en otros proyectos. Se distinguen por

fabricar este tipo de integrados compañías como Texas Instruments, National

Semiconductor, Maxim, y algunas otras más.

PWM utilizado para generar una onda cuasi sinusoidal.

En relación a los motores, que es de lo que trata este documento, podemos decir

que la modulación por ancho de pulsos es una técnica utilizada para regular la velocidad

de giro de los motores eléctricos. Mantiene el par motor constante y no supone un

desaprovechamiento de la energía eléctrica. Se utiliza, como su nombre lo indica, al

controlar mediante algún circuito de potencia el momento alto (encendido o alimentado)

y el momento bajo (apagado o desconectado) del motor.

Otros sistemas para regular la velocidad modifican la tensión eléctrica, con lo que

disminuye el par motor; o interponen una resistencia eléctrica, con lo que se pierde

energía en forma de calor en esta resistencia.

CICLO DE TRABAJO

Recibe este nombre la relación de tiempos entre el estado alto y bajo de la señal

utilizada. Se expresa como un porcentaje entre el periodo y el ancho del pulso. Cuando

el ciclo de trabajo es cercano al 100%, el motor girara a una velocidad cercana a la

máxima, ya que la tensión promedio aplicada en sus bornes será casi igual a V. Si el

ciclo de trabajo se aproxima a 0%, el motor girara muy despacio, ya que la tensión

promedio será casi cero.

PWM utilizado para generar una onda cuasi sinusoidal.

MOTOR DE CORRIENTE DIRECTA

Un motor CC está compuesto de un estator y un rotor. En muchos motores c.c.,

generalmente los más pequeños, el estator está compuesto de imanes para crear un

campo magnético.

En motores corriente continua más grandes este campo magnético se logra con

devanados de excitación de campo.

El rotor es el dispositivo que gira en el centro del motor cc y está compuesto de

arrollados de cable conductores de corriente continua. Esta corriente continua es

suministrada al rotor por medio de las "escobillas" generalmente fabricadas de carbón.

Nota: un devanado es un arrollado compuesto de

cables conductores que tiene un propósito específico

dentro de un motor

Principio básico de funcionamiento de un motor cc.

Cuando un conductor por el que fluye una corriente continua es colocado bajo la

influencia de un campo magnético, se induce sobre él (el conductor) una fuerza que es

perpendicular tanto a las líneas de campo magnético como al sentido del flujo de la

corriente. Ver la figura. Ver la Primera ley de la

mano derecha

- Campo magnético en azul -

Corriente continúa en rojo -

Dirección de la fuerza en violeta

- Imanes: N (norte) y S (sur)

Para que se entienda mejor, ver como se tiene que colocar este conductor con

respecto al eje de rotación del rotor para que exista movimiento. En este caso la

corriente por el conductor fluye introduciéndose en el gráfico.

- Par motor en azul

- Fuerza en violeta

- Conductor con corriente entrante en el gráfico azul y rojo

- Imanes: N (norte) y S (sur)

Pero en el rotor de un motor cc no hay solamente un conductor sino muchos. Si se

incluye otro conductor exactamente al otro lado del rotor y con la corriente fluyendo

en el mismo sentido, el motor no girará pues las dos fuerzas ejercidas para el giro del

motor se cancelan.

- Par motor en azul

- Fuerza en violeta

- Conductor con corriente entrante en el gráfico azul y rojo

- Imanes: N (norte) y S (sur)

Es por esta razón que las corrientes que circulan por conductores opuestos deben

tener sentidos de circulación opuestos. Si se hace lo anterior el motor girará por la

suma de la fuerza ejercida en los dos conductores.

Para controlar el sentido del flujo de la corriente en los conductores se usa un

conmutador que realiza la inversión del sentido de la corriente cuando el conductor

pasa por la línea muerta del campo magnético.

La fuerza con la que el motor gira (el par motor) es proporcional a la corriente que

hay por los conductores. A mayor tensión, mayor corriente y mayor par motor.

CIRCUITO

DESARROLLO DE LA PRÁCTICA.

MATERIALES.

1 Motor de corriente Directa.

1 Osciloscopio Digital Instek 1062

1Circuito Modulador por Ancho de Pulso Basado en el NE555

1Fuente de poder regulable

PROCEDIMIENTO.

Primero que nada a continuación presentamos las características técnicas

del osciloscopio que utilizamos en esta practica.

VERTICAL

Channels 2

Bandwidth DC ~ 60MHz (-3dB)

Rise Time <5.8ns Approx.

Sensitivity 2mV/div ~ 5V/div (1-2-5 increments)

Accuracy ±(3% x |Readout|+0.1 div + 1mV)

Input Coupling AC, DC & Ground

Input Impedance 1M±2%, ~16pF Polarity Normal & Invert

Maximum Input 300V (DC+AC peak), CATII

Waveform Signal Process + , - , FFT

Offset Range 2mV/div ~ 50mV/div : ±0.4V

100mV/div ~ 500mV/div : ±4V

1V/div ~ 5V/div : ±40V

Bandwidth Limit 20MHz (-3dB)

HORIZONTAL

Range 1ns/div ~ 10s/div (1-2-5 increments); ROLL : 250ms/div ~ 10s/div Modes Main, Window, Window Zoom, Roll, X-Y Accuracy ±0.01% Pre-Trigger 10 div maximum Post-Trigger 1000 div

X-Y MODE

X-Axis Input Channel 1 Y-Axis Input

Channel 2 Phase Shift ±3° at 100kHz

DISPLAY

TFT LCD Type 5.6 inch

Display Resolution 234 (Vertically) x 320 (Horizontally)

Dots Display Graticule 8 x 10 divisions

Display Brightness Adjustable.

Ahora presentamos el esquemático del circuito utilizado que corresponde a un Modulador por Ancho de Pulso o PWM.

El circuito es muy sencillo. Actuando sobre VR1 se modifica la tensión

presente en el pin 2, cambiando el tiempo de disparo. El diodo D3 sirve para

evitar que la corriente generada por el motor cuando esta girando pero no

alimentado destruya el transistor. Este montaje sirve perfectamente para

pequeños motores de corriente continua, de entre 6V y 12V, con un consumo

no mayor a los 300mA o 350 mA.

A continuación una imagen de la tarjeta de circuito ya terminada y que

utilizamos para la practica.

Básicamente este circuito es un oscilador atable, esto quiere decir que por

el pin 3 del NE555 nos genera una señal cuadrada de la misma amplitud que la

alimentación.

En este circuito nosotros modulamos el tiempo de duración de los

semiciclos positivos y negativos, variando el valor de VR1 en este caso

conectado al pin 2 del NE555. Al variar la duración del semiciclo positivo dentro

del periodo T controlamos la velocidad del motor, mientras más tiempo dure el

semiciclo positivo mas rápido ira el motor y mientras mas corto el semiciclo

positivo mas lento ira el motor.

A continuación una simulación del circuito en cuestión que también muestra

las señal medida a la salida conforme variamos el valor de VR1:

La anterior es una foto del circuito esquemático hecha en el software para

diseño y simulación Proteus, este circuito esta listo para simularse a

continuación unas imágenes.

La imagen anterior nos muestra en color azul la señal de salida del PWM

para un 59% del valor de VR1 que tiene un valor total de 500k igual que el

circuito real.

Abajo se muestra otra imagen de la simulación, pero esta vez hemos

variado el valor de VR1 al 100% por lo tanto la duración del semiciclo positivo

es lo mas corta posible y por ende el motor está prácticamente detenido.

Ahora variamos en la simulación el valor de VR1 al mínimo, como se puede

observar en la grafica la salida por el pin 3 del NE555 el semiciclo negativo esta

en la menor duración posible, en estas condiciones en que el semiciclo positivo

tiene la mayor duración dentro del periodo T el moto consigue su máxima

velocidad.

Posterior a la simulación de nuestro circuito procedimos a probar el circuito

real para lo cual lo alimentamos con 5V procedentes de una fuente regulable, y

procedemos a conectar el osciloscopio a la salida del circuito que en este caso

seria el pin 3 del NE555.

Imagen del circuito impreso real.

Motor de corriente directa 6-12V

Señal producida en la salida de nuestro oscilador Astable

Ahora ajustamos el valor de VR1 a su máximo con lo que el ciclo de trabajo

será el menor posible, y esta es la señal que obtuvimos y el % del ciclo de

trabajo correspondiente con respecto al periodo.

Señal de salida para el valor máximo de VR1.

Ciclo de trabajo correspondiente para la señal anterior.

Por ultimo ajustamos el valor de VR1 al su minimo valor con lo que el ciclo

de trabajo alcanza la duración máxima dentro del periodo T y el motor está a su

máxima velocidad.

Señal generada por el oscilador astable para VR1=0

Valor máximo del ciclo de trabajo para VR1=100%

A continuación una tabla con algunas mediciones de los parámetros del

motor:

RESISTENCIA DEL MOTOR 11.05Ω

CORRIENTE A PLENA CARGA (5v-12v)

250mA

CORRIENTE SIN CARGA 90.6mA

Conclusión (por Iván Aguilera Rodríguez):

Si hizo una práctica para ver el comportamiento y funcionamiento de un PWM que

también nos sirve como experiencia al toparnos con alguna maquinaria que requiera ser

manipulada. También aprendemos de los errores que cometamos para no hacerlos al aplicar el

circuito en el trabajo. Siempre es mejor aplicar también la teoría para poder saber lo que

ocurre con el circuito en funcionamiento. Al haber terminado la práctica adquirimos

conocimientos que quizá con la teoría no era suficiente como para saber. Por tales razones

pienso que esta práctica fue de gran importancia.

Conclusión: Enrique Barajas Ortiz

En esta práctica se observa una de las muchas aplicaciones que tiene el 555. Que

consiste en la modulación por ancho de pulsos (PWM) es una técnica de modulación en la que

se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica. Bueno esto es precisamente lo que se

implemento en esta práctica ya que con un motor de corriente directa de 5v se hiso que

trabajara a diferentes velocidades, la variación de velocidad se hacía con una potenciómetro

de 500K. Bueno eso fue el objetivo de esta práctica la variación de la velocidad de un motor de

corriente directa.

CONCLUSION.

Concluimos que podemos controlar la velocidad de un motor de corriente

directa manipulando el tiempo de duración del ciclo de trabajo de la señal de

control dentro del periodo T correspondiente a esta señal.

Por tanto a mayor duración del ciclo de trabajo mas velocidad ganará el

mientras menos tiempo dure el ciclo de trabajo menor será la velocidad del

motor.