Conmutacion Mecanica vs Electronica

Asignatura: Elementos de MecatrnicaDr. Jos Sebastin Gutirrez CaldernUniversidad [email protected]

1

Temas

1. Conceptos bsicos2. Caractersticas principales de los transductores3. Sensores y sistemas de medicin4. Actuadores y mandos5. Mecanismos para la automatizacin6. Control por computadora

2

Tema 4. Actuadores y mandos

3

Existen tres tipos de actuadores: Neumticos Hidrulicos Elctricos

Actuadores elctricos

4

Actuadores

NeumticosFuente de

energa: aire a presin

Pistones, motores, vlvulas

Hidrulicos Fuente de energa: fluidoPistones,

motores, vlvulas

ElctricosFuente de energa:

electricidad

Motores AC, DC, paso a paso, servomotores

Elctricos

Al estudiar sistemas elctricos que se emplean como actuadores de controldebern tenerse en cuenta los siguientes dispositivos y sistemas:

Dispositivos de conmutacin, como interruptores mecnicos(relevadores) e interruptores de estado slido (diodos, tiristores ytransistores), en los que la seal de control enciende o apaga undispositivo electrnico, que puede ser un calentador o un motor


5

Elctricos


Dispositivos tipo solenoide, en los cuales una corriente que pasa por unsolenoide acciona un ncleo de hierro, por ejemplo una vlvulaneumtica/hidrulico operada por solenoide, donde la corriente decontrol que pasa por el solenoide se utiliza para regular el flujoneumtico/hidrulico


6

Elctricos


Sistemas motrices, por ejemplo, motores de DC y AC, en los cuales lacorriente que pasa por el motor produce una rotacin


7

Elctricos - relevadores

El relevador tambin llamado rel es un dispositivo electromecnico.Los relevadores son interruptores operados electrnicamente, en los que elcambio de corriente en un circuito hace que circule o no una corriente enotro circuito.Permite controlar circuitos de salida que posean mayor potencia que los deentrada, oficiando de amplificador elctrico.


8

Elctricos - relevadoresFuncionamientoEn un relevador cuando fluye corriente a travs del solenoide del relevador,se produce un campo magntico que atrae la armadura metlica, mueve lavarilla de empuje , cierra los contactos del interruptor normalmente abierto(NO, normally open) y abre los contactos del interruptor normalmentecerrado (NC, normally closed)


9

Elctricos - relevadoresFuncionamiento


10

Elctricos - relevadoresLos relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control; la salidadel controlador es relativamente pequea y para encender o apagar elelemento final de correccin se necesita una corriente mucho ms grande,por ejemplo la corriente requerida en un motor.En tal situacin es posible que se utilicen relevadores en conjunto contransistores, la figura muestra el tipo de circuito que se utilizara.


11

1N4148

1N4148

Relevador

Transistor

Elctricos - relevadoresDebido a que los relevadores son inductivos, pueden generar un contravoltaje cuando deja de fluir la corriente de energizacin o cuando susinterruptores de entrada van de un estado alto a uno bajo. Como resultadose puede presentar dao en el circuito de conexin.

Para solucionar el problema, se conecta un diodo a travs del relevador;cuando se presenta la fuerza electromotriz, el diodo conduce y la extingue.


12

Elctricos - Interruptores de estado slidoPara realizar la conmutacin electrnica de los circuitos se utilizan diversosdispositivos de estado slido. Entre estos figuran los siguientes:

1. Diodos2. Tiristores y triacs3. Transistores bipolares4. MOSFET de potencia


13

Elctricos - Interruptores de estado slido - MOSFETHay dos tipos de MOSFET (transistores de efecto de campo desemiconductor de xido metlico, metal-oxide field effect transistors) decanal n y de canal p.

La diferencia principal en el uso de un MOSFET para conmutacin y untransistor bipolar para el mismo propsito es que no entra corriente a lacompuerta para lograr dicho control

El voltaje de compuerta es la seal de control. Por lo tanto, los circuitosde excitacin se simplifican dado que no es necesario ocuparse de lamagnitud de la corriente

Con los MOSFET son posibles las conmutaciones a muy altas frecuencias,de hasta 1 MHz; la interconexin con un microprocesador es mucho mssencilla que con transistores bipolares


14

Motores

15

Elctricos MotoresLos motores elctricos con frecuencia se usan como elemento de controlfinal en los sistemas de control por posicin o de velocidad.

Los motores se pueden clasificar en dos categoras principales: Motores de DC Motores de AC

La mayora de los motores que se emplean en los sistemas de controlmodernos son motores de DC.


16

Elctricos MotoresLos principios bsicos del funcionamiento de un motor son los siguientes:

1. Se ejerce una fuerza sobre un conductor en un campo magntico cuandopasa una corriente por el conductor. Para un conductor de longitud L quelleva una corriente I en un campo magntico con densidad de flujo Bperpendicular al conductor, la fuerza ejercida F es igual a BIL


17

I

Fuerza F

Longitud L

B

Elctricos Motores

La fem inducida, e, es igual a la velocidad con la que cambia el flujomagntico F que cubre el conductor (ley de Faraday), es decir, e= -dF /dt.El signo menos significa que la direccin de la fem es en sentido opuesto alcambio que lo produce (ley de Lenz); es decir, la direccin de la fem inducidaes tal que produce una corriente que crea campos magntico asociado aldevanado que produjo la fem.

Por lo tanto, cualquier motor es al mismo tiempo un generador. De acuerdoa lo citado en la ley de Lenz, tenemos que la fem inducida en un motor se lellama fuerza contra - electromotriz.


18

B

Movimiento producido por cambios en el flujo

Flujo

V2. Cuando un conductor se desplazadentro de un campo magntico, seinduce una fem sobre l.

N S

Elctricos Motores Principio bsico Motor DC

Una espira de alambre que gira de manera libre en medio del campo de unimn permanente. Cuando por el devanado pasa una corriente, las fuerzasresultantes ejercidas en sus lados y en ngulo recto al campo provocanfuerzas que actan a cada lado produciendo una rotacin.Para que la rotacin contine, cuando el devanado pasa por la posicinvertical se debe de invertir la direccin de la corriente.


19

Elctricos Motores Principio bsico

En un motor convencional, los devanados de alambre se montan en lasranuras de un cilindro de material magntico conocido como armadura. Estaarmadura esta montada en cojinetes y puede girar (Rotor).


20


Se monta la armadura en el campo magntico producido por los polos decampo que puede ser para pequeos motores, imanes permanentes oelectroimanes, cuyo magnetismo se obtiene mediante una corriente quecircula por los devanados del campo


21


La figura anterior muestra el principio bsico del funcionamiento de unmotor de DC de cuatro polos, cuyo campo magntico se produce por losdevanados que transportan corriente.


22

Armadura

Polo de campo

Conductores de la armadura

Devanado de campo


Los extremos del devanado de la armadura se conectan con los segmentosadyacentes de un anillo segmentado conocido como conmutador y elcontacto elctrico con los segmentos se logra mediante contactos de carbnconocidos como escobillas.


23

Conmutador

Escobillas


Conforme la armadura gira, el conmutador invierte la corriente de cada unode los devanados al desplazarse por los polos de campo.Esto es necesario para que las fuerzas que actan en el devanado siganactuando en la misma direccin y la rotacin contine. La direccin derotacin del motor de DC se invierte al invertir la corriente de armadura o lacorriente de campo.


24

Motor Imn permanente

25

Elctricos Motor DC Imn permanenteEn los motores de imn permanente (PM) los campos del estator sonproporcionados mediante imanes permanentes.


26

Elctricos Motor DC Imn permanenteLos motores de imn permanente no requieren fuente de alimentacinexterna y por lo tanto no producen calentamiento I2R.Un motor de imn permanente es ms ligero y ms pequeo que otrosmotores DC equivalentes debido a que la intensidad del campo del imnpermanente es alta.Los motores de imn permanente son fciles de invertir al conmutar ladireccin del voltaje aplicado, pues la corriente y el campo cambian dedireccin slo en el rotor.


27

Imn permanente

Rotor

Elctricos Motor DC Imn permanente

Consideremos un motor DC con imn permanente, que tiene una densidadde flujo de valor constante.

Para un conductor de armadura de longitud L y corriente i, la fuerzaproducida por una densidad de flujo magntico B perpendicular alconductor es BiL.


28

b

LL

Fi

B


Si hay N conductores, la fuerza producida es NBiL.Las fuerzas dan por resultado un par T en el eje del devanado con un valorde Fb, donde b es el ancho de la espira. Por lo tanto:

= = donde kt es la constante del par.

Dado que la espira de una armadura gira en un campo magntico, seproduce una induccin electromagntica y se induce una fuerza contra-electromotriz, vb , que es proporcional a la velocidad angular de la rotacinw. Por lo tanto:


29


= = donde kv es la constante de la fuerza contra-electromotriz.

Ahora podemos considerar que el circuito equivalente de un motor de DC escomo se muestra a continuacin:


30

R L

V vb


La espira de la armadura se representa por una resistencia R en serie conuna inductancia L que esta en serie con una fuente de fuerza contra-electromotriz.Si se desprecia la inductancia de la espira de la armadura, el voltaje queorigina la corriente i, que circula por la resistencia es igual al voltaje aplicadoV menos la fuerza contra-electromotriz, es decir, V- vb. Por lo tanto:

=

=

El par de rotacin T es, entonces:

= = ( )


31


El par de rotacin inicial, es decir, el par cuando w=0 es proporcional alvoltaje aplicado, tambin la velocidad sin carga es proporcional al voltajeaplicado, por lo que el par de rotacin disminuye al aumentar la velocidad.

En motores elctricos, si se mantiene constante el voltaje, cuando laresistencia al giro aumenta, el par deber aumentar para mantener lasrevoluciones, mediante el aumento de la corriente consumida.


32


Los motores de imn permanente pueden ser motores con escobillas, sinescobillas o de pasos

Motores de imn permanente sin escobillasUn problema con los motores DC es que requieren un colector y escobillaspara invertir en forma peridica la corriente que pasa por cada uno de susdevanados de la armadura.

Las escobillas establecen contacto deslizante con el colector; las chispas quesaltan entre ambos van desgastando las escobillas. Por ello, las escobillasdeben remplazarse de manera peridica y recubrirse el colector. Para evitarestos problemas se han diseado sin escobillas.


33


Motores de imn permanente sin escobillasEstos motores consisten en una secuencia de devanados de estator y unrotor de imn permanente.Un conductor por el que pasa corriente elctrica en un campo magnticoexperimenta una fuerza; asimismo, como consecuencia de la tercera ley deNewton, el imn tambin experimenta una fuerza opuesta de igualmagnitud.En un motor DC convencional, el imn esta fijo y los conductores por los quepasa la corriente presentan movimiento.En cambio en el motor DC de imn permanente sin escobillas sucede locontrario: los conductores por los que pasa la corriente estn fijos y el imnse mueve


34


Motores de imn permanente sin escobillas


35

Rotor imn permanente

Devanados


Motores de imn permanente sin escobillasLa corriente que llega a los devanados del estator se conmuta en formaelectrnica mediante transistores en secuencia alrededor de los devanados;la conmutacin se controla con la posicin del rotor, de manera que siemprehaya fuerzas actuando en el imn provocando que rote en la mismadireccin.Los sensores de efecto Hall por lo general se usan para detectar la posicindel rotor e iniciar la conmutacin de los transistores; estos sensores secolocan alrededor del estator.

Estos motores se utilizan cada vez ms cuando se necesita alto rendimientoaunado a gran confiabilidad y poco mantenimiento. Gracias a que no tienenescobillas, estos motores no producen ruido y permite alcanzar altasvelocidades.


36


Motores de pasoEs un dispositivo que produce una rotacin en ngulos iguales,denominados pasos, por cada pulso digital que llega a su entrada.Por ejemplo, si en el caso de un motor un pulso produce un giro de 6,entonces 60 pulsos producirn una rotacin de 360 .Los motores paso a paso son ideales para la construccin de mecanismos endonde se requieren movimientos muy precisos.


37


Motores de paso - funcionamientoBsicamente estos motores estn constituidos normalmente por un rotorsobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un ciertonmero de bobinas excitadoras bobinadas en su estator.Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imn permanente.Toda la conmutacin (o excitacin de las bobinas) deber ser externamentemanejada por un controlador.

Los motores paso a paso de imn permanente se dividen a su vez endistintos tipos, diferenciados por el tipo de bobinado. Existen entoncesmotores paso a paso de imn permanente unipolares (tambin llamados"unifilares"), bipolares (tambin llamados "bifilares)


38


Motores de paso - Diferentes tipos de cableado de las bobinas

Cada uno de estos tipos requerir un diferente circuito de control.


39

4 cables 5 cables 6 cables 8 cables

Elctricos Motor DC Imn permanenteMotores de paso - Motores paso a paso unipolaresLos motores unipolares son relativamente fciles de controlar, gracias a queposeen devanados duplicados.Tienen dos bobinas en cada eje del estator, que estn unidas por extremosopuestos, de tal modo que al ser alimentada una u otra, generan cada unaun campo magntico inverso al de la otra.


40

Nunca se energizan juntas: por eso locorrecto es decir que tienen una doblebobina

Elctricos Motor DC Imn permanenteMotores de paso - Motores paso a paso bipolaresLos motores bipolares requieren circuitos de control y de potencia mscomplejos.Como no tienen el doble bobinado de los unipolares, los motores bipolaresofrecen una mejor relacin entre torque y tamao/peso.


41

La configuracin de los motores bipolaresrequiere que las bobinas reciban corrienteen uno y otro sentido, y no solamente unencendido-apagado como en losunipolares. Esto hace necesario el uso deun Puente H (un circuito compuesto por almenos seis transistores) sobre cada uno delos bobinados.

Elctricos Motor DC Imn permanentePWMPara el control de motores en DC provenientes de microprocesadores, seutiliza la tcnica de modulacin por ancho de pulsos (PWM, pulse widthmodulation), debido a que la velocidad de giro es directamenteproporcional a una tensin (o voltaje) aplicado.

Esta tcnica de modulacin modifica el ciclo de trabajo de una sealperidica, es decir, el ancho relativo de su parte positiva en relacin alperodo. Cuando mas tiempo pase la seal en estado alto, mayor ser lavelocidad del motor.


42

Elctricos Motor DC Imn permanentePWMUna seal PWM tiene dos caractersticas importantes:

- Frecuencia: Las seales PWM que se utilizan para regular motores sonnormalmente ondas cuadradas peridicas de 24V, como las de la figura:


43

Se puede apreciar que la seal se repitecontinuamente.

El tiempo de cada repeticin (nivel alto +nivel bajo de seal) se conoce comoperiodo de la seal y el inverso de estetiempo es lo que se conoce comofrecuencia y se mide en herz (Hz).

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20% ciclo de trabajo



Elctricos Motor DC Imn permanentePWMPor ejemplo, si el periodo de la seal es de 50 ms. (microsegundos),entonces la frecuencia correspondiente de esa seal es 1/50 ms = 20 KHz(kilohertzio).

- Ciclo de trabajo (duty cycle): La proporcin del tiempo que est la seala nivel alto con respecto al tiempo que est a nivel bajo en cada periodo eslo que se conoce como ciclo de trabajo.

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor. Un regulador PWMde velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad esvariar el ciclo de trabajo.


44

Elctricos Motor DC Imn permanentePWM


45

Manteniendo una frecuencia constante(representada por el Perodo) de la sealde salida de cualquiera de los puertos deun microcontrolador, podemos aplicaruna variacin del tiempo de duracin dela mencionada salida en estado alto(referencias de color rojo).

De esta manera, si la variacin es enaumento, incrementar el valor promediodel voltaje aplicado en el dispositivoconectado (referencias de color verde).

Elctricos Motor DC Imn permanentePWMEl uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajassobre un circuito analgico, como lo son la precisin y un mejor control delas variables involucradas; adems de espacio y ahorro de energa.

Como el micro trabaja a 5V, puede usarse un transistor de potencia paracontrolar cargas mayores.


46

Elctricos Motor DC Imn permanentePWMHay muchos circuitos analgicos para el uso del PWM, por ejemplo, losbasados en el famoso timer LM555, que por medio de voltaje hacemos queel pulso cambie su ancho.


47

Elctricos Motor DC Imn permanentePuente HPara utilizar el motor en direccin directa e inversa se utiliza un circuito concuatro transistores, llamado Puente H.El L293 es un circuito integrado que se usa para el control de dos motorespequeos que pueden ser controladores simultneamente y, adems, enforma bidireccional.


48

Prctica de Laboratorio 5

49

Prctica de Laboratorio 5

50

El objetivo de la prctica consiste en controlar mediante un actuadorelctrico (motor DC) un concentrador solar, el cual es capaz de concentrar laenerga solar en un rea reducida, aumentando as la intensidad energtica.El equipo tiene que saber principalmente el funcionamiento de esteconcentrador solar.El concentrador se tiene que mover dependiendo de la orientacin del sol,se va a simular esta orientacin utilizando sensores de luz o de presencia.Adems es importante que por medio de Visual Basic se pueda movermanualmente y de forma automtica.Importante de tener una representacin Grfica - animada (Visual) realizadaprofesionalmente.

Entregable:Documentacin del proyecto en formato de artculo IEEE en doble columna.www.robotica-up.org/Formato_Articulos_IEEE.pdf

Fin

51

Conmutacion Mecanica vs Electronica

Documents

Transcript of Conmutacion Mecanica vs Electronica