instituto politÉcnico nacional...instituto politécnico nacional iii figura 3.16 imagen de la...

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL “ADOLFO LÓPEZ MATEOS”

“DISEÑO DE UN SISTEMA ELÉCTRICO PARA EL CONTROL

DE VELOCIDAD DE UN ALIMENTADOR DE MICRO-ALAMBRE”

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE

INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

PRESENTAN:

C. EDUARDO LÓPEZ ESLAVA

C. ALAN MARTÍNEZ DOMÍNGUEZ

ASESORES:

DR. JUAN JOSÉ MUÑOZ CESAR

M. EN C. IVONE C. TORRES RODRÍGUEZ

México D.F., Septiembre 2011

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELECTRICA

UNIDAD PROFESIONAL "ADOLFO LÓPEZ MATEOS"

TEMA DE TESIS

QUE PARA OBTENER ELTITlJLO DE INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

POR LA OPCIÓN DE TITULACiÓN TESIS COLECTIVA Y EXAMEN ORAL INDIVIDUAL

DEBERA(N) DESARROLLAR C. EDUARDO LÓPEZ ESLAVA C. ALAN MARTÍNEZ DOMÍNGUEZ

"DISEÑO DE UN SISTEMA ELÉCTRICO PARA EL CONTROL DE VELOCIDAD DE UN ALIMENTADOR DE MICRO-ALAMBRE"

UTILIZAR UN CUADRANTE DE UN SWITCH PARA CONTROLAR UN MOTOR EN MODO MOTOR, DE ACUERDO A LOS REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA. ~

UTILIZAR LA PARTE ALTA DEL CUADRANTE PARA GENERAR EL FRENADO DINÁMICO DEL MOTOR. INTEGRAR LAS ETAPAS DE RECTIFICACIÓN, CONTROL Y POTENCIA.

.:. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA . • :. OBJETIVOS . • :. HlPOTESIS . • :. INTRODUCCiÓN . • :. JUSTIFICACiÓN . •:. MARCO TEÓRICO. • :. DESARROLLO . • :. PRUEBAS y RESULTADOS . • :. CONCLUSIONES.

MÉXICO D. F., A 04 DE AGOSTO DE 2011.

ASESORES

I

\.'j. \,/ ,

M. EN C. IVONE C. TORRES RODRIGUEZ --- )

Instituto Politécnico Nacional

i

ÍNDICE DE FIGURAS Páginas

Figura 2.1 (a) Propulsión alimentada por rectificador controlado----------------- Figura 2.1 (b) Propulsión alimentada por pulsador----------------------------------- Figura 2.2 Circuito Equivalente para motores de DC con excitación

independiente-------------------------------------------------------------------- Figura 2.3 (a) Motor con excitación separada----------------------------------------- Figura 2.3 (b) Frenado Regenerativo---------------------------------------------------- Figura 2.3 (c) Frenado Dinámico---------------------------------------------------------- Figura 2.3 (d) Freno Invirtiendo Rotación----------------------------------------------- Figura 2.4 Grafica de los cuatro cuadrantes de un motor-------------------------- Figura 2.5 Control en el primer cuadrante---------------------------------------------- Figura 2.6 (a) Inversión de armadura---------------------------------------------------- Figura 2.6 (b) Inversión de campo-------------------------------------------------------- Figura 2.7 Convertidor monofásico de media onda---------------------------------- Figura 2.8 Propulsor monofásico por semiconvertidor------------------------------ Figura 2.9 Propulsor monofásico por convertidor completo----------------------- Figura 2.10 Propulsor monofásico por convertidor dual----------------------------- Figura 2.11 Propulsor por convertidor DC-DC----------------------------------------- Figura 2.12 Principio de control por frenado regenerativo-------------------------- Figura 2.13 Principio de control por freno reostatico--------------------------------- Figura 2.14 Principio de control combinado por freno regenerativo y

reostatico------------------------------------------------------------------------ Figura 2.15 Propulsores por convertidor DC-DC de dos y cuatro cuadrantes- Figura 2.16 Propulsor transistorizado de cuatro cuadrantes-----------------------

7

7

8 10

10

11

11

12

13

13

13

14

16

17

18

19

21

23

24

25

25


ii

Figura 2.17 Convertidores DC-DC polifásicos----------------------------------------- Figura 2.18 MOSFET del tipo de agotamiento---------------------------------------- Figura 2.19 MOSFET del tipo incremental---------------------------------------------- Figura 2.20 Grafica de las características en estado permanente--------------- Figura 2.21 Características de salida de un MOSFET------------------------------ Figura 2.22 Conexión de un MOSFET de potencia del tipo incremental------- Figura 2.23 Características de conmutación------------------------------------------- Figura 2.24 Formas de onda y los tiempos típicos de conmutación------------- Figura 3.1 Diagrama de bloques de la tarjeta------------------------------------------ Figura 3.2 Diagrama de bloques de la fuente de alimentación-------------------- Figura 3.3 Tarjeta de control completa--------------------------------------------------- Figura 3.4 Imagen física del dispositivo rectificador---------------------------------- Figura 3.5 Imagen física del dispositivo regulador de voltaje---------------------- Figura 3.6 Diagrama de bloques del procesamiento de señales----------------- Figura 3.7 Distribución de pines del microcontrolador utilizado------------------- Figura 3.8 Ventana del software donde se desarrollo el programa--------------- Figura 3.9 Rutina que realiza el microcontrolador------------------------------------ Figura 3.10 Diagrama de bloques de la etapa de potencia------------------------- Figura 3.11 Diagrama interno del dispositivo L6384--------------------------------- Figura 3.12 Conexión homologa a emisor común, del transistor------------------ Figura 3.13 Diagrama de bloques del frenado dinámico realizado--------------- Figura 3.14 Diagrama de bloques del control de la válvula------------------------ Figura 3.15 Esquemático del circuito completo obtenido --------------------------

27

28

30

31

31

32

33

33

34

35

36

37

39

40

42

43

44

47

48

50

51

53

55


iii

Figura 3.16 Imagen de la tarjeta en el programa Altium---------------------------- Figura 3.17 Diseño completo la tarjeta.------------------------------------------------- Figura 3.18 Imagen final impresa---------------------------------------------------------- Figura 3.19 Tarjeta física obtenida------------------------------------------------------- Figura 4.1 Diagrama interno del dispositivo L6203----------------------------------- Figura 4.2 Gráficas de PWM con un ciclo de trabajo útil dominante------------- Figura 4.3 Gráfica de PWM con un ciclo de trabajo equilibrado------------------ Figura 4.4 Gráfica de PM con un ciclo de trabajo apagado dominante------ Figura 4.5 Circuito concluyente de el proyecto---------------------------------------- Figura 4.6 circuito del sensor de efecto Hall-------------------------------------------- Figura 4.7 sensor de efecto Hall con campo magnético-----------------------------

57

58

58

60

61

64

65

66

67

68

69

Figura 4.8 sensor de efecto Hall sin campo magnético----------------------------- 69

Figura 4.9 Grafica comparativa máxima velocidad----------------------------------- 71

Figura 4.10 Grafica comparativa en velocidad media-------------------------------- 73

Figura 4.11 Grafica comparativa en velocidad mínima------------------------------- 75


iv

ÍNDICE DE TABLAS Páginas

Tabla 4.1 Valores obtenidos de PM con un ciclo de trabajo útil dominante- Tabla 4.2 Valores obtenidos de PWM con un ciclo de trabajo equilibrado,

entre apagado y encendido--------------------------------------------------- Tabla 4.3 Valores obtenidos de PWM con un ciclo de trabajo mayormente

apagado---------------------------------------------------------------------------

65

66

67

Tabla 4.4 Valores obtenidos de PWM y señal del sensor, en la máxima

velocidad---------------------------------------------------------------------------------------- 70

Tabla 4.5 Valores obtenidos de PWM y señal del sensor, en velocidad

media.-------------------------------------------------------------------------------------------- 72

Tabla 4.6 Valores obtenidos de PWM y señal del sensor, en velocidad

mínima.------------------------------------------------------------------------------------------ 74

Tabla 4.7 Cotización del costo de la tarjeta de control------------------------------ 77


v

ÍNDICE GENERAL Páginas

ÍNDICE DE FIGURAS----------------------------------------------------------------

ÍNDICE DE TABLAS------------------------------------------------------------------

OBJETIVOS----------------------------------------------------------------------- HIPÓTESIS------------------------------------------------------------------------ JUSTIFICACIÓN------------------------------------------------------------------ PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA---------------------------------------

1 1 INTRODUCCIÓN-----------------------------------------------------------------

I

IV

V

V

VI

VII

1 2 MARCO TEÓRICO---------------------------------------------------------------

2.1 PROPULSORES DE DC-----------------------------------------------------

2.1.1 CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DE LOS DE DC------------------ 2.1.1.1 MODOS DE OPERACIÓN------------------------------------------ 2.2 PROPULSORES MONOFÁSICOS---------------------------------------- 2.2.1 CONVERTIDOR MONOFÁSICO DE MEDIA ONDA------------- 2.2.2 PROPULSORES MONOFÁSICOS POR

SEMICONVERTIDOR---------------------------------------------------- 2.2.3 PROPULSORES MONOFÁSICOS POR CONVERTIDOR

COMPLETO----------------------------------------------------------------- 2.2.4 PROPULSORES MONOFÁSICOS POR CONVERTIDOR

DUAL-------------------------------------------------------------------------- 2.2.5 PROPULSOR POR CONVERTIDOR DC-DC---------------------- 2.3 PRINCIPIO POR CONTROL PORT POTENCIA---------------------- 2.3.1 PRINCIPIO DE CONTROL POR FRENO REGENERATIVO--

2.3.2 PRINCIPIO DEL CONVERTIDOR POR FRENO REOSTATICO

6

6

7

9

12

14

15

16

17

18

19

20

22


vi

2.3.3 PRINCIPIO DE CONTROL COMBINADO POR FRENO REGENERATIVO Y REOSTATICO-----------------------------------

2.34 2.3.4 PROPULSORES POR CONVERTIDOR DC-DC DE DOS Y

CUATRO CUADRANTES-----------------------------------------------

2.3.5 CONVERTIDORES DE DC-DC POLIFÁSICOS------------------- 2.4 MOSFET DE POTENCIA-------------------------------------------------- 2.4.1 CARACTERÍSTICAS DE ESTADO PERMANENTE-------------- 2.4.2 CARACTERÍSTICAS DE CONMUTACIÓN-------------------------

3 DESARROLLO---------------------------------------------------------------------- 3.1 FUENTE DE ALIMENTACIÓN--------------------------------------------- 3.2 PROCESAMIENTO DE SEÑALES---------------------------------------- 3.3 ETAPA DE POTENCIA------------------------------------------------------- 3.4 FRENO DINÁMICO----------------------------------------------------------- 3.5 CONTROL DE LA VÁLVULA----------------------------------------------- 3.6 FABRICACIÓN DEL CIRCUITO-------------------------------------------

3.6.1 DISEÑO---------------------------------------------------------------------- 3.6.2 MANUFACTURA-----------------------------------------------------------

4 PRUEBAS Y RESULTADOS---------------------------------------------------- 5 CONCLUSIONES------------------------------------------------------------------- 6 BIBLIOGRAFIA----------------------------------------------------------------------

23

24

26

28

30

32

34

35

40

47

51

53

55

55

59

61

78

79


INTRODUCCIÓN - 1 -

1 INTRODUCCIÓN

En lo que se refiere a soldar, existen varios métodos para lograr este fin, cada

método tiene sus características propias, pero a su vez, a todos los une un mismo

fin, el cual tiene como propósito la unión de dos materiales, que generalmente son

metales.

Los métodos son diversos, desde el método de soldadura de fragua, en el cual el

herrero por medio de golpes y del calentamiento de los materiales, es como

lograba la amalgama de las dos partes en cuestión, soldadura por arco, soldadura

a gas, soldadura por resistencia, hasta los más avanzadas tecnológicamente,

entre ellos, soldadura por rayo laser, soldadura con rayo de electrones, llegando

hasta la soldadura robotizada.

Para hacer un poco de énfasis, debido a que nuestro proyecto involucra este

proceso, la soldadura por arco eléctrico se caracteriza, por la creación y

mantenimiento de un arco eléctrico, entre una varilla metálica llamada electrodo, y

la pieza a soldar. El electrodo recubierto está constituido por una varilla metálica a

la que se le da el nombre de alma o núcleo, generalmente de forma cilíndrica,

recubierta de un revestimiento de sustancias no metálicas, cuya composición

química puede ser muy variada, según las características que requieren en el uso.

El revestimiento puede ser básico, rutilico y celulósico. Para realizar una soldadura

por arco eléctrico se induce una diferencia de potencial entre el electrodo y la

pieza a soldar, con lo cual se ioniza el aire entre ellos y pasa a ser conductor, de

modo que se cierra el circuito. El calor del arco funde parcialmente el material de

base y funde el material de aporte, el cual se deposita y crea el cordón de

soldadura.

Cabe mencionar que dentro de método de soldadura por arco eléctrico,

necesitamos acotar mas nuestro tema de estudio debido a que dentro de este

método de soldadura, existen variantes de este, que usan el mismo principio, pero

que se diferencian por pequeñas cualidades.

Solo los mencionaremos, y no explicaremos todas las variantes de los métodos, y

si, el que nos interesa, pues resultaría, superfluo mencionar todos, si no serán

requeridos, ni jugaran un papel en nuestro proyecto, aunque como ya lo

mencionamos, cumplen con el mismo principio, todos.


INTRODUCCIÓN - 2 -

- Soldadura por arco manual con electrodos revestidos

- Soldadura por electrodo no consumible protegido

- Soldadura por electrodo consumible protegido

- Soldadura por arco sumergido

Soldadura por electrodo consumible protegido

Este método, se derivan dos tipos de soldadura por electrodo consumible

protegido, MIG (Metal Inert Gas) y MAG (Metal Active Gas), es este electrodo el

alimento del cordón de soldadura. El arco eléctrico está protegido, por un flujo

continuo de gas que garantiza una unión limpia y en buenas condiciones.

En la soldadura MIG, como su nombre indica, el gas es inerte; no participa en

modo alguno en la reacción de soldadura. Su función es proteger la zona crítica de

la soldadura de oxidaciones e impurezas exteriores. Se emplean usualmente los

mismos gases que en el caso de electrodo no consumible, argón, menos

frecuentemente helio, y mezcla de ambos.

En la soldadura MAG, en cambio, el gas utilizado participa de forma activa en la

soldadura. Su zona de influencia puede ser oxidante o reductora, ya se utilicen

gases como el dióxido de carbono o el argón mezclado con oxígeno. El problema

de usar CO2 en la soldadura es que la unión resultante, debido al oxígeno

liberado, resulta muy porosa. Además, sólo se puede usar para soldar acero, por

lo que su uso queda restringido a las ocasiones en las que es necesario soldar

grandes cantidades de material y en las que la porosidad resultante no es un

problema a tener en cuenta.

El uso de los métodos de soldadura MIG y MAG es cada vez más frecuente en el

sector industrial. En la actualidad, es uno de los métodos más utilizados en Europa

occidental, Estados Unidos y Japón en soldaduras de fábrica. Ello se debe, entre

otras cosas, a su elevada productividad y a la facilidad de automatización, lo que

le ha valido abrirse un hueco en la industria automovilística. La flexibilidad es la

característica más sobresaliente del método MIG / MAG, ya que permite soldar

aceros de baja aleación, aceros inoxidables, aluminio y cobre, en espesores a

partir de los 0,5 mm y en todas las posiciones. La protección por gas garantiza un

cordón de soldadura continuo y uniforme, además de libre de impurezas y

escorias. Además, la soldadura MIG / MAG es un método limpio y compatible con

todas las medidas de protección para el medio ambiente.


INTRODUCCIÓN - 3 -

En contra, su mayor problema es la necesidad de aporte tanto de gas como de

electrodo, lo que multiplica las posibilidades de fallo del aparato, además del

lógico encarecimiento del proceso. La soldadura MIG/MAG es intrínsecamente

más productiva que la soldadura MMA (Manual Metal Arc), donde se pierde

productividad cada vez que se produce una parada para reponer el electrodo

consumido. Las pérdidas materiales también se producen con la soldadura MMA,

cuando la parte última del electrodo es desechada. Por cada kilogramo de

electrodo revestido comprado, alrededor del 65% forma parte del material

depositado (el resto es desechado). La utilización de hilos sólidos e hilos tubulares

ha aumentado esta eficiencia hasta el 80-95%. La soldadura MIG/MAG es un

proceso versátil, pudiendo depositar el metal a una gran velocidad y en todas las

posiciones. El procedimiento es muy utilizado en espesores delgados y medios, en

fabricaciones de acero y estructuras de aleaciones de aluminio, especialmente

donde se requiere un gran porcentaje de trabajo manual. La introducción de hilos

tubulares está encontrando cada vez más, su aplicación en los espesores fuertes

que se dan en estructuras de acero pesadas.

Como podemos observar, para realizar la soldadura por electrodo consumible, se

requiere que se concreten dos situaciones, la primera, es, que se suministre el

electrodo consumible, que en el argot de la soldadura se conoce como

microalambre, y que desde este momento a si será como haremos referencia, y la

segunda, es, que se abastezca de gas. El dispositivo que aporta la potencia para

generar el arco eléctrico, es una plante generadora, y que en nuestro caso es

parte excluyente de nuestro proyecto, debido a que es, un parte del proceso de

soldar que se consigue por separado y que además es una máquina en demasía

compleja.

En el mercado se encuentran diferentes tipos de alimentadores de microalambre,

diseñados para realizar el proceso de soldadura por electrodo protegido

consumible, estos son dispositivos, que cuentan con un arreglo de engranes, que

están acoplados mecánicamente a un motor de corriente directa, que juntos

realizar el arrastre del microalambre, una válvula solenoide, que es la que nos

ayuda a obstruir o permitir el paso del gas necesario para el proceso de soldar, y

por ultimo un tablero, en el cual se encuentran instalados dos potenciómetros, y un

botón tipo botón pulsador.


INTRODUCCIÓN - 4 -

Las características de los componentes con los que cuenta el alimentador de

microalambre, con el cual se va a trabajar son las siguientes:

- Un motor de DC, que trabaja con un voltaje con 24 volts y una corriente

nominal de 3.5 amperes

- Una válvula solenoide que trabaja a 24 volts de AC y es del tipo todo o nada.

- Dos potenciómetros de perilla, con un valor de 10 kilohms cada uno.

- Un botón del tipo botón pulsador.

- Un interruptor de tres terminales, el cual se puede configurar como,

normalmente abierto o normalmente cerrado.

En lo que respecta a las tarjetas de control de los alimentadores de microalambre,

pudimos obtener antecedentes de estas, gracias a la examinacion de

alimentadores de microalambre que ya existen. Pudimos observar que ocupan una

encapsulado, única y exclusivamente para la generación de PWM, otro para la

etapa de amplificación la cual es necesaria para la activación de un relevador el

cual trabaja a una tensión mayor, el cual pudimos deducir, lo utilizan para que a su

vez active la válvula solenoide, en lo que respecta a la etapa de potencia para el

control de velocidad del motor, se utiliza un transistor de potencia como elemento

activo de alta frecuencia, de la marca Texas Instruments, mejor conocido como

TIP, el cual se controla por medio de corriente eléctrica, pues funciona como

amplificador de corriente, y dependerá de la relación de la corriente del emisor y la

corriente de la base, mejor conocida como Beta del transistor, tomando en

consideración que la configuración que se toma como referencia es la de emisor

común, que generalmente es la mas común.

En lo que respecta al procesamiento de señales digitales, utilizan un

microcontrolador, el cual cuenta con entradas y salidas digitales, además de un

modulo capaz de realizar conversiones analógicas digitales, adicionando además,

ciertos reguladores de voltaje y un bloque de rectificación, todo esto en conjunto,

forma el sistema capaz de realizar la alimentación tanto del microalambre como

del gas.

Lo que nosotros proponemos es un circuito semejante, el cual está compuesto de

componentes similares, pero en menor cantidad, y con una mayor flexibilidad en lo

que se refiere a la rutina de control que efectúa el microcontrolador, pues el

microcontrolador que usamos nos permite esto, pues como características

relevantes, cuenta con entradas y salidas digitales, generador de PWM, y

convertidor analógico digital, y otras varias cosas, pero las que nos ocupan son las

mencionadas, con lo que respecta a la etapa de potencia, utilizamos un MOSFET,

lo cual nos proporciona una menor demanda de corriente, debido a que este se


INTRODUCCIÓN - 5 -

controla por voltaje, y solo requiere una pequeña inyección de corriente, del orden

de microamperios, y para la etapa de activación de la válvula solenoide,

simplemente se llevo a cabo por medio de un relevador.


v

OBJETIVOS

Objetivo

- Controlar un motor de corriente directa, con un sistema embebido de

potencia, por medio de la modulación de ancho de pulso, para regular la

velocidad de alimentación de microalambre en una maquina de soldar.

Del objetivo general se desprenden los siguientes objetivos específicos

- Diseñar la etapa de potencia, para controlar el motor,

- Programar el microcontrolador, para realizar el control del motor.

- Desarrollar el frenado dinámico del motor.

- Integrar las etapas de rectificación, control y potencia.

HIPÓTESIS

El uso de un cuadrante de un switch para controlar el motor además de la

implementación del frenado dinámico, integrando las etapas del circuito nos

permitirá cubrir los requerimientos del sistema para su buen funcionamiento.


vi

JUSTIFICACIÓN.

En el mercado de los alimetadores de microalambre, las marcas como INFRA y

MILLER, son las que lo dominan, ¿por que mecionar esto? el motivo, es que , se

quiere intorducir en el mercado una alimentador de microalambre con una nueva

marca, con ingenieria nacional, como sabemos muchos clientes se casan con un

solo proveedor, pese a lo que sea, entonces el reto a vencer es ganar terreno en

el mercado, y que mejor estrategia que mejorar el precio en el producto, en

comparación a las marcas lideres, claro esta sin alterar la calidad en el

desempeño de este, es bien sabido que, que mejor señuelo para el mercado que

un precio que llame la atención, para así, generar la curiosidad en el mercado e

invitar a que prueben la calidad de este.

Para lograr la baja del precio del producto, en alguna parte o en todas las etapas

de la elaboración del producto se deben de reducir costos, y como primer paso se

tiene como objetivo, una tarjeta de control económicamente viable, es decir, lo

mas eficiente posible, para que a su ves cumpla con los requerimientos.

Uno de los motivos principales, por la cual se realiza el proyecto, es generar una

alternativa a los demandantes, que no le tiene miedo al cambio y que siempre

buscan la mejor opción, y hacer de esa opción la oportunidad de crecimiento y

expansión del producto.

Crear y generar ingeniería nacional, a buen precio y con buenas utilidades,

satisfaciendo las necesidades y requerimientos de la industria cubriendo las

expectativas de esta, dando pauta al uso de tecnología recientes, las cuales a su

vez sean fáciles de conseguir en grandes cantidades, de mayor desempeño y

confiabilidad, así como también obtener pingües beneficios en la elaboración y

producción, debido a que las tecnologías no lo permiten por su gran flexibilidad y

bajo costo.

Por último queremos mencionar que el motivo primordial de este proyecto es

obtener mayores conocimientos, y unirlos a los ya adquiridos a lo largo de la

carrera, para asi implementarlos en una problemática real.


vii

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

En este proyecto se presenta un alimentador de microalambre, que se intenta

introducir al mercado cubierto por marcas como infra y Miller principalmente las

cuales acaparan el mercado con alimentadores que utilizan electrónica no

resiente sin sacar el máximo provecho de sus componentes ni cubriendo al

máximo las necesidades de la industria en cuanto a prestaciones o requerimientos

establecidos por trabajadores y tipos de trabajos a realizar, además de esto el uso

de tecnologías no apropiadas encarecen el equipo.

Entonces se tiene un alimentador de microalambre que consta de un motor de

imán permanente de 24V DC el cual realiza el arrastre del electrodo consumible

protegido o microalambre una válvula solenoide que permite o obstruye el paso

del gas inerte necesario para la fusión de los materiales, esta válvula solenoide

funciona 24V AC, con una alimentación de 24V AC que viene de una planta

externa la cual solo nos da este suministro y no tenemos que efectuar ningún

cambio o arreglo.

La problemática presentada es ¿Cómo controlar un motor de imán permanente

en modo motor para el arrastre del electrodo consumible protegido, en un

alimentador de microalambre?, además de ¿Cómo realizar la activación de una

válvula solenoide para la obstrucción o paso del gas inerte?, adicionando ¿Cómo

se va llevar a cabo la integración y diseño de todo el sistema que conforma, todas

las etapas involucradas?

Se puede observar lo siguiente para control de la velocidad de un motor de imanes

permanentes se requiere de energizar directamente el estator por medio de un

accionamiento de velocidad variable. Un accionador de velocidad variable mejora

la unidad de control, controlando la velocidad por el voltaje terminal. También se

observa que una válvula solenoide de tipo todo o nada solo requiere de la

alimentación para energizar la solenoide y esta ejerza la fuerza para vencer el

muelle y se logre la apertura para permitir el paso del gas inerte. Para la

integración se requiere de involucrar todas las etapas que consta, es decir, unificar

etapas rectificación control y potencia para lograr el un circuito electrónico que

cumpla con lo requerido.


MARCO TEORICO - 6 -

2 MARCO TEÓRICO

2.1 Propulsores de DC

Los motores de corriente directa tienen características variables, y se usan mucho

en propulsión con velocidad variable. Pueden proporcionar un alto par de

arranque, y también es posible obtener el control de velocidad dentro de márgenes

amplios. En el caso normal, los métodos para controlar la velocidad son más

sencillos y menos costosos que en los propulsores de AC.

Los motores de DC juegan un papel importante en los sistemas de propulsión

industriales modernos. Suelen ser tanto motores de DC excitados en serie como

con excitación independiente, en los propulsores de velocidad variable, pero los

motores en serie son los que se emplean en forma tradicional para aplicaciones de

tracción. Debido a sus conmutadores, los motores de DC no son adecuados para

aplicaciones de muy alta velocidad, y requieren más mantenimiento que los

motores de AC. Con los adelantos recientes en conversiones de potencia, técnicas

de control y microcontroladores, los propulsores con motor de AC se han vuelto

cada vez más competitivos frente a los motores de DC. Aunque la tendencia futura

es hacia propulsores de AC, al presente los DC se usan en muchas industrias.

Podrían pasar algunas décadas para que los propulsores queden sustituidos

totalmente por los AC.

Los rectificadores controlados proporcionan un voltaje de DC de salida variable a

partir de un voltaje AC fijo, mientras que un convertidor DC-DC puede

proporcionar un voltaje variable de DC a partir de un voltaje fijo de DC. Debido a

su capacidad de suministrar un voltaje de DC variable en forma continua, los

rectificadores controlados y los convertidores DC-DC revolucionaron el moderno

equipo de control industrial y los propulsores de velocidad variable, y sus

potencias van desde las fraccionarias hasta varios mega watts. En general, los

rectificadores controlados se usan para controlar velocidad de los motores de DC.

La forma alternativa seria un diodo rectificador seguido de un convertidor DC-DC

como se ve en las imágenes de la figura 2.1


MARCO TEORICO - 7 -

Figura 2.1 Propulsión alimentada por rectificador controlado.

Los propulsores de DC se pueden clasificar en tres tipos:

- Propulsores monofásicos.

- Propulsores trifásicos.

- Propulsores de convertidor de DC-DC.

2.1.1 Características básicas de los motores de DC.

En la figura 2.2 se presenta el circuito equivalente de un motor con DC con

excitación separada. Cuando uno de esos motores es excitado por una corriente

de campo y una corriente de armadura pasa por el circuito de la armadura, el

motor desarrolla la fuera contra electromotriz y un par de torsión para balancear el

par de carga a determinada velocidad. La corriente de campo de un motor con

excitación separada es independiente de la corriente de armadura , cualquier

cambio en la corriente de armadura no tiene efecto sobre la corriente de campo.

En el caso normal, la corriente de campo es mucho menor que la corriente de

armadura. Las ecuaciones que describen las características de un motor con

excitación separada se determinan la corriente instantánea de campo, se

describe con ecuación (1).

……………………………………. (1)


MARCO TEORICO - 8 -

Figura 2.2 Circuito Equivalente para motores de DC con excitación independiente.

La corriente instantánea en la armadura se detiene con ecuación (2).

………………………………………………. (2)

La fem inducida del motor, que también se llama voltaje de velocidad, se expresa

como.

…………………………………………………………. (3)

El par motor, o torque desarrollado por el motor es.

………………………………………………………… (4)

El par motor desarrollado debe ser igual al par de carga:

………………………………………………… (5)

Donde

w = velocidad angular del motor, o frecuencia angular del rotor, rad/s.

B = constante de fricción viscosa, N*m/rad/s.

Kv = constante de voltaje, V/A- rad/s.

Kt = constante de par motor, que es igual a la constante de voltaje, Kv.

La = inductancia del circuito de armadura, H.

Lf = inductancia del circuito de campo, H.

Ra = resistencia del circuito de armadura.

Rf = resistencia del circuito de campo.

TL = par de carga, N*m.

Debido a la saturación magnética, la relación entre la corriente de campo y la

fem inducida es no lineal. Esta relación, se llama característica de


MARCO TEORICO - 9 -

magnetización del motor. De acuerdo con la ecuación, la velocidad de un motor

con excitación separada se determina con ecuación (6).

………………………………………………….. (6)

En la ecuación se puede observar que la velocidad del motor se puede variar

- Controlando el voltaje de la armadura, lo que se llama control de voltaje.

- Controlando la corriente en el campo, lo que se llama control de campo,

- Por demanda de par que corresponde a una corriente de armadura para

una corriente de campo fija .

La velocidad que corresponde al voltaje especificado para la armadura, corriente

especificada para campo, y corriente especificada para armadura, se llama

velocidad nominal o base.

En la práctica una velocidad menor que la velocidad base, se mantienen

constantes las corrientes de armadura t de campo para satisfacer la demanda de

par, y se varía el voltaje de armadura para controlar la velocidad. Para la

velocidad mayor que la velocidad base se mantiene el voltaje de armadura en el

valor nominal, y se varía la corriente en el campo, para controlar la velocidad. Sin

embargo la potencia desarrollada por el motor permanece constante. La figura

muestra las características de par, potencia, corriente de armadura y corriente de

campo en función a la velocidad.

2.1.1.1 Modos de operación

En aplicaciones con velocidad, un motor de DC puede estar funcionando en uno

de los siguientes modos: motorización frenado regenerativo, frenado dinámico o

de recuperación, frenado con reversa y modo de cuatro cuadrantes.

Motorización. La fem inducida es menor que el voltaje de alimentación . Las

corrientes en la armadura y en el campo son positivas. El motor desarrolla un par

de giro para satisfacer la demanda de carga.

En el frenado regenerativo, el motor funciona como generador, y desarrolla un

voltaje inducido , que debe ser mayor que el voltaje de alimentación la

corriente en la armadura es negativa, pero la del campo es positiva. La energía

cinética del motor se regresa a la fuente. En general, un motor serie se conecta

como generador auto excitado. Para tener autoexcitación, es necesario que la


MARCO TEORICO - 10 -

corriente de campo ayude al flujo residual. Esto se hace, en el caso normal,

invirtiendo las terminales de la armadura o las de campo.

Frenado dinámico. Los arreglos que se ven en la figura 2.3 son parecidos a los del

frenado regenerativo, excepto que el voltaje de alimentación esta sustituido por

una resistencia de frenado. La energía cinética del motor se disipa en

Frenado en reversa. Las conexiones para el frenado con reversa se ven en las

figuras 2.3 se invierten las terminales de armadura en funcionamiento. El voltaje

de alimentación y en voltaje inducido actúa en la misma dirección. Se

invierte la corriente en la armadura, y con ello se produce un par de frenado. La

corriente en el campo es positiva. Para un motor serie se deben invertir las

terminales de la armadura o las terminales de campo, pero no ambas.

Figura 2.1 (a) Motor con excitación separada.

Figura 2.3 (b) Frenado Regenerativo.



Figura 2.3 (c) Frenado Dinámico.

Figura 2.3 (d) Freno Invirtiendo Rotación.

Cuatro cuadrantes. La figura 2.4 muestra las polaridades del voltaje de suministro,

la fem inducida, y la corriente en la armadura, para un motor con excitación

separada. En la motorización directa (cuadrante I), e son positivos todos. El

par motor y la velocidad también son positivos en este cuadrante.

Durante el frenado en avance o regenerativo (cuadrante II), el motor trabaja en la

dirección de avance o regenerativo y la fem inducida, continua siendo positiva.

Para que el par motor sea negativo y que el flujo de la dirección de la energía sea

en reversa, la corriente de la armadura debe ser negativa. El voltaje de

alimentación debe mantenerse menor que

En la motorización en reversa (cuadrante III), e son todos positivos. El

par motor y la velocidad también son negativos en este cuadrante. Para mantener

el par motor negativo y el flujo de energía de la fuente al motor, la fem debe

satisfacer la condición I I >I I.



Figura 2.4 Grafica de los cuatro cuadrantes de un motor.

La polaridad de puede invertirse cambiando la dirección de la corriente de

campo o invirtiendo las terminales de la armadura.

Durante el frenado en reversa (cuadrante IV), el motor funciona en dirección

inversa, y continúan siendo negativos. Para que el par sea positivo y la

energía pase del motor a la alimentación, la corriente en la armadura debe de ser

positiva. La fem inducida, debe satisfacer la condición I I ˂I I.

2.2 Propulsores monofásicos.

Si el circuito de la armadura de un motor de DC se conecta a la salida de un

rectificador controlado monofásico, se podrá variar el voltaje de la armadura,

variando el ángulo del retardo del convertidor . Los convertidores AC-DC de

conmutación forzada también pueden usarse para mejorar el factor de potencia

(FP) y reducir las armónicas. La concordancia básica del circuito para un motor

monofásico alimentado por convertidor y con excitación separada se ve en la

figura 2.5 Cuando el ángulo de retardo es pequeño, la corriente en la armadura

puede ser discontinua, y eso puede aumentar las perdidas en el motor. En caso

normal, se conecta un inductor de aplazamiento, en serie con el circuito de la

armadura, para reducir el rizo de la corriente asta una magnitud aceptable.

También se aplica un convertidor en el circuito del campo, para controlar la

corriente en el campo haciendo variar el ángulo de retardo . Para trabajar el

motor en determinado modo, con frecuencia es necesario usar contactores para

invertir el circuito de la armadura, como se ve en la figura 2.6 (a), o en el circuito

del campo, como se ve en la figura 2.6 (b) .



Figura 2.5 Control en el primer cuadrante.

Figura 2.6 (a) Inversión de armadura.

Figura 2.6 (b) Inversión de campo.



Para evitar sobre voltajes inductivos, se hace la inversión del campo o la armadura

a cero corriente en la armadura. El ángulo de retardo(o de disparo) se ajusta en el

caso normal para dar una corriente 0, y además se deja un tiempo muerto,

típicamente de 2 a 10 ms, para asegurar que la corriente en la armadura se vuelva

cero, debido a que la corriente de tiempo del devanado del campo es

relativamente grande, la inversión del campo tarda un tiempo mayor. Se puede

usar un semiconvertidor o un convertidor para variar el voltaje del campo, pero es

preferible un convertidor completo. Debido a su capacidad de inversión de voltaje,

un convertidor completo puede reducir la corriente de campo con rapidez mucho

mayor que un semiconvertidor. Dependiendo del tipo de los convertidores

monofásicos, los propulsores monofásicos, se pueden subdividir en:

- Propulsores monofásicos por convertidor de media onda.

- Propulsores monofásicos por semiconvertidor.

- Propulsores monofásicos por convertidor completo.

- Propulsores monofásicos por convertidor dual.

- Propulsores monofásicos por convertidor de media onda.

2.2.1 Un convertidor monofásico de media onda

Alimenta un motor de DC, como se ve en la figura 2.7(a). La corriente en la

armadura suele ser discontinua, a menos que se conecte un inductor muy grande

en el circuito de la armadura.

Figura 2.7 Convertidor monofásico de media onda.



Siempre se requiere un diodo de corrida libre para una carga de motor de DC y es

propulsor de un cuadrante, como se ve en la figura 2.7(b). Las aplicaciones de

este propulsor se limitan al nivel de potencia de

kW. La figura 2.7(c) muéstralas

formas de onda con una carga muy inductiva. El convertidor en el circuito del

campo puede ser un semiconvertidor. Un convertidor de media onda en el circuito

del campo podría aumentar las perdidas magnéticas del motor, debido a un alto

contenido de rizo en la corriente de excitación del campo.

Con un convertidor monofásico de media onda en el circuito de la armadura, la

armadura define el voltaje promedio de armadura como.

( ) Para 0 ≤ ≤ ……………….. (7)

Donde es el voltaje pico de la fuente AC. Con un semiconvertidor en el circuito

del campo, la ecuación define el voltaje promedio del campo como.

( ) Para 0 ≤ ≤ ………………… (8)

2.2.2 Propulsores monofásicos por semiconvertidor.

Un semiconvertidor monofásico alimenta el circuito de la armadura, como se ve en

las figuras 2.8 (a). Es un propulsor de un cuadrante, como se ve en la figura 2.8

(b), y se limita a aplicaciones hasta de 15kW. El convertidor en el circuito de

campo puede ser un semiconvertidor. Las formas de onda para una carga muy

inductiva se ve en la figura 2.8 (c).

Con un semiconvertidor monofásico en el circuito de la armadura, la ecuación

determina el voltaje promedio de la armadura como.

( ) Para 0 ≤ ≤ ……………… (9)



Figura 2.8 Propulsor monofásico por semiconvertidor.

Con un semiconvertidor en el circuito del campo, la ecuación determina el voltaje

promedio del campo como.

( ) Para 0 ≤ ≤ …………….. (10)

2.2.3 Propulsores monofásicos por convertidor completo.

Se hace variar el voltaje de la armadura con un convertidor monofásico de onda

completa, como se muestra en la figura 2.9 (a). Es un propulsor de dos

cuadrantes, como se ve en la figura 2.9 (b), y se limita a aplicaciones hasta de

15kW. El convertidor de armadura produce + o - , y permite la y permite la

operación en el primero y cuarto cuadrantes. Durante la regeneración para invertir

la dirección de flujo de potencia, la fuerza contra electromotriz del motor puede

cambiarse invirtiendo la excitación del campo. El convertidor en el circuito del

campo podría ser un semiconvertidor, convertidor completo o hasta un convertidor

dual. La inversión de la armadura o del campo permite la operación en el segundo

y tercer cuadrantes. Las formas de onda de corriente para una carga muy

inductiva se ven en la figura 2.9 (c) para la acción de potencia. En un propulsor

monofásico por convertidor completo de 9.5kW, 40A, donde la pila de potencia

esta atrás del tablero, y las señales de control se implementa con circuitos

electrónicos analógicos.

Con un convertidor monofásico de onda completa en el circuito de la armadura, la

ecuación determina el voltaje promedio en la armadura como.

( ) Para 0 ≤ ≤ ……………… (11)



Con un convertidor monofásico completo en el circuito del campo, la ecuación

determina el voltaje promedio en el campo.

( ) Para 0 ≤ ≤ ……………………………. (12)

Figura 2.9 Propulsor monofásico por convertidor completo.

2.2.4 Propulsores monofásicos por convertidor dual.

Se conectan dos convertidores monofásicos de onda completa como se ve en la

figura 2.10. El convertidor 1 funciona para alimentar un voltaje positivo en la

armadura o bien el convertidor opera para alimentar un voltaje negativo - a la

armadura. El convertidor 1 proporciona operación en el primero y cuarto cuadrante

y el convertidor 2 en el segundo y tercer cuadrante.

Es un propulsor de cuatro cuadrantes y permite cuatro modos de operación:

excitación directa, frenado en avance (regeneración), excitación en reversa y

frenado en reversa (regeneración). Se limita a aplicaciones hasta de 15 kW. El

convertidor del campo podría ser un convertidor de onda completa,

semiconvertidor o convertidor dual.

Si el convertidor 1 opera con un ángulo de retardo , la ecuación define el

voltaje de la armadura:

( ) Para 0 ≤ ≤ ……………… (13)



Figura 2.10 Propulsor monofásico por convertidor dual.

Si el convertidor 2 opera con un ángulo de retardo , la ecuación define el

voltaje de la armadura como.

( ) Para 0 ≤ ≤ ………………… (14)

Donde . Con un convertidor completo en el circuito del campo, la

ecuación determina el voltaje del campo como.

( ) Para 0 ≤ ≤ …………………. (15)

2.2.5 Propulsores por convertidor DC-DC.

Los propulsores por convertidor DC-DC se usan mucho en aplicaciones de

tracciones en todo el mundo. Se conecta un convertidor DC-DC entre una fuente

de voltaje fijo de DC y un motor de DC para variar el voltaje de armadura. Además

del control de voltaje de armadura, un convertidor DC-DC puede proporcionar

frenado regenerativo de los motores y puede regresar energía a la fuente. Esta

propiedad de ahorro de energía es atractiva en especial para los sistemas de

transporte con paradas frecuentes, como por ejemplo, transporte masivo rápido.

Los propulsores por convertidor DC-DC también se usan en los vehículos

eléctricos de baterías. Un motor de DC puede operarse en uno de los cuatro

cuadrantes controlando los voltajes en la armadura o en el campo. Con frecuencia

se requiere invertir las terminales de la armadura o de campo para que el motor

opere en el cuadrante deseado.

Si la alimentación no es receptiva durante el frenado regenerativo, el voltaje de

línea aumentaría y ese frenado no se hará. En este caso, es necesaria una forma

alternativa de frenado, como por ejemplo el frenado reostatico. Los modos

posibles de control de un propulsor por convertidor DC-DC son:



- Control de potencia o por aceleración.

- Control por freno regenerativo.

- Control por freno reostatico.

- Control combinado por freno regenerativo y reostatico.

2.3 Principio de control por potencia.

El convertidos DC-DC se usa para controlar el voltaje de la armadura de un motor

de DC. El arreglo del circuito de un motor de DC alimentado por convertidor y con

excitación separada se ve en la figura 2.11(a). El interruptor del convertidor DC-

DC podría ser un transistor o un convertidor DC-DC de conmutación forzada con

tiristor. Es un propulsor de un cuadrante como se ve en la figura 2.11(c)

suponiendo que la carga es altamente inductiva.

El voltaje promedio de la armadura es: ⋁ .

Donde k es el ciclo de trabajo del convertidor DC-DC. La potencia del motor

alimentada al motor es .

Donde es la corriente promedio en la armadura del motor y no contiene rizo.

Suponiendo que el convertidor DC-DC es sin perdida, la potencia de entrada es

. El valor promediop de la corriente de entrada es .

Figura 2.11 Propulsor por convertidor DC-DC.



La resistencia equivale de entrada al propulsor por convertidor DC-DC, vista desde

la alimentación, es

………………………………………………. (16)

Si varia el ciclo de trabajo k, se puede controlar el flujo de la potencia al motor (y

su velocidad). Para una inductancia infinita del circuito de armadura, se puede

aplicar la ecuación para determinar el rizo máximo pico a pico de corriente como

sigue:

…………………………………………. (17)

Donde Rm y Lm son la resistencia y la inductancia total del circuito de armadura

respectivamente. Para un motor con excitación separada, + toda la

resistencia en serie, y + cualquier inductancia en serie. Para un motor serie,

+ cualquier resistencia en serie y + cualquier inductancia en

serie.

2.3.1 Principio de control por freno regenerativo.

En el frenado regenerativo, el motor funciona como un generador y la energía

cinética del motor y de la carga se regresa a la alimentación. El principio de

transferencia de energía de una fuente de DC a otra de mayor voltaje se puede

aplicar en el frenado regenerativo de los motores de DC.

La aplicación de los convertidores DC-DC en el frenado regenerativo se puede

explicar con la figura 2.12(a). Requiere rearreglar el interruptor del modo de

potencia al modo de frenado regenerativo. Supongamos que la armadura de un

motor con excitación separada está girando por la inercia del motor y de la carga;

y en el caso de un sistema de transporte, la energía cinética del vehículo haría

girar el eje de la armadura. Entonces, si se activa el transistor, la corriente de la

armadura aumenta debido a la puesta en corto de las terminales del motor. Si se

desconecta el convertidor DC-DC, el diodo se activara y la energía

almacenada en las inductancias del circuito de la armadura seria transferida a la

fuente, siempre y cuando la fuente sea receptiva. Es un propulsor de un

cuadrante, que opera en el segundo cuadrante, como se ve en la figura 2.12(b).



La figura 2.12(c) muestra las formas de onda del voltaje y corriente, suponiendo

que la corriente en la armadura es continua y sin rizo.

El voltaje promedio a través del convertidor DC-DC es.

( ) ………………………………………………………. (18)

Si es la corriente promedio de armadura, la potencia regenerada se puede

determinar con

( )……………………………………………………….. (19)

El voltaje generado por el motor, cuando funciona como generador, es.

( ) ………………..… (20)

Donde es la constante de la maquina y es la velocidad de la maquina en

rads/s. por consiguiente la resistencia equivalente de carga del motor, cuando

funciona como generado es.

( ) …………………………………………….. (21)

Figura 2.22 Principio de control por frenado regenerativo.



Al variar el ciclo de trabajo k, se puede variar la resistencia equivalente de carga,

vista por el motor, desde hasta ( ), y se puede controlar la potencia

regenerativa.

El frenado regenerativo es efectivo solo si la velocidad del motor está entre esos

dos límites es decir . En cualquier velocidad menor que se

necesitaría un arreglo alternativo para frenar.

Aunque los motores serie de DC se usan en forma tradicional para aplicaciones de

tracción debido a su alto par de arranque, un generador excitado en serie es

inestable cuando trabaja con una fuente de voltaje fijo así, para funciona como

suministro de tracción se requiere un control separado de excitación, y ese arreglo

del motor serie, en el caso normal, es sensible a las fluctuaciones del voltaje de

suministro, y se requiere una respuesta dinámica rápida para proporcionar un

control adecuado de frenado. La aplicación de un convertidor de DC-DC permite el

frenado regenerativo de motores serie de DC, debido a su rápida respuesta

dinámica.

Un motor de DC con excitación separada es estable en el frenado regenerativo. La

armadura y el campo se pueden controlar en forma independiente para

proporcionar el par requerido durante el arranque. Los motores serie alimentados

por convertidor DC-DC y los motores DC con excitación separada son adecuados

para aplicaciones de tracción.

2.3.2 Principio del convertidor por freno reostatico.

En el frenado reostatico la energía se disipa en un reóstato lo cual podría no ser

una propiedad deseable. El frenado reostatico también se llama frenado dinámico.

En la figura 2.13(a) se muestra un arreglo de frenado reostatico de un motor de

DC con excitación separada. Es un propulsor de un cuadrante, que opera en el

segundo cuadrante, como se ve en la figura 2.13(b). La figura 2.13(c) muestra las

formas de onda de corriente y voltaje, suponiendo que la corriente en la armadura

es continua y sin rizo.

La corriente promedio en el resistor de frenado es.

( )

Y el voltaje promedio a través del resistor de frenado es.

( )



La resistencia equivalente de carga del generador es.

( )

La potencia disipada en el resistor es.

( )

Figura 2.13 Principio de control por freno reostatico.

Al controlar el ciclo de trabajo k se puede variar la resistencia efectiva de carga

desde hasta , y se puede controlar la potencia de frenado. La

resistencia de frenado determina la especificación de voltaje máximo del

convertidor DC-DC.

2.3.3 Principio de control combinado por freno regenerativo y

reostatico.

El frenado regenerativo es eficiente respecto a la energía. Por otra parte en el

frenado reostatico la energía se disipa en forma de calor. Si la fuente es

parcialmente receptiva, que es el caso normal en los sistemas prácticos de

tracción, lo más eficiente respecto a la energía seria un control combinado por

freno regenerativo y reostatico. La figura 2.14 muestra un arreglo en el que el

frenado reostatico se combina con el frenado regenerativo.



Figura 2.14 Principio de control combinado por freno regenerativo y reostatico.

Durante los frenados regenerativos, el voltaje de línea se detecta en forma

continua. Si es mayor que cierto valor predeterminado, que en el caso normal el

20% mayor que el voltaje de línea, se remueve el frenado regenerativo y se aplica

uno reostatico. Permite una transferencia casi instantánea de frenado regenerativo

a reostatico si la línea se vuelve no receptiva, aunque sea en forma momentánea.

En cada ciclo, el circuito lógico determina la receptividad de la fuente. Si es no

receptiva, se activa el tiristor para desviar la corriente del motor al resistor . El

tiristor es autoconmutado cuando se activa el transistor en el siguiente ciclo.

3.3.4 Propulsores por convertidor DC-DC de dos y cuatro cuadrantes.

Durante el control de la potencia, un propulsor por convertidor DC-DC opera en el

primer cuadrante, donde el voltaje de armadura y la corriente de armadura son

positivos.

En un frenado regenerativo, el propulsor por convertidor DC-DC opera en el

segundo cuadrante, donde el voltaje de armadura es positivo y la corriente de

armadura es negativa. Se requiere la operación de dos cuadrantes, que se ven en

la figura 2.15(a), para permitir el control de la potencia y el frenado regenerativo. El

arreglo de circuito de un propulsor transistorizado de dos cuadrantes se ve en la

figura 2.15(b).

Control de potencia. Operan el transistor y el diodo . Cuando se activa, el

voltaje de suministro se conecta a las terminales del motor. Cuando se

desactiva, disminuye la corriente de armadura que pasa por el diodo de corriente

libre .



Figura 2.15 Propulsores por convertidor DC-DC de dos y cuatro cuadrantes.

Control regenerativo. Opera en el transistor y el diodo . Cuando se activa ,

el motor funciona como generador y aumenta la corriente en la armadura. Cuando

se desactiva, el motor funcionando como generador, regresa energía a la

fuente a través del diodo regenerativo . En aplicaciones industriales se requiere

operación en cuatro cuadrantes, como se muestra la figura 2.16(a) y en la figura

2.16(b) se ve un propulsor transistorizado de cuatro cuadrantes.

Figura 2.16 Propulsor transistorizado de cuatro cuadrantes.

Control de potencia en avance. Operan los transistores y . Los transistores

y están desactivados. Cuando y se activan juntos aparece el voltaje de

alimentación a través de las terminales del motor y aumenta la corriente en la

armadura. Cuando se desactiva y sigue activando, la corriente en la

armadura disminuye a través de y . En forma alternativa se puede desactivar

y a la vez, mientras que la corriente en la armadura es forzada a disminuir a

través de y .

Regeneración en avance. Los transistores , y están desactivados. Cuando

se activa el transistor la corriente en la armadura aumenta y pasa por y .

Cuando se desactiva, el motor como generador y regresa energía a la fuente, a

través de y .



Control de potencia en reversa. Operan los transistores y . Loa transistores

y están desactivados. Cuando se activan juntos y , la corriente en la

armadura sube y pasa en dirección inversa. Cuando esta desactivado y esta

activado, la corriente en la armadura disminuye, pasando por y . En forma

alternativa, se puede desactivar tanto como mientras la corriente en la

armadura es forzada a decaer a través de y .

Regeneración en reversa. Los transistores , y están desactivados.

Cuando se activa , la corriente n la armadura aumenta pasando por y .

Cuando se desactiva, la corriente en la armadura decrece y el motor regresa

energía a la fuente a través de y .

2.3.5 Convertidores DC-DC polifásicos.

Si se operan en paralelo dos o más convertidores DC-DC y su fase esta

desplazada entre sí en / , como se ve en la figura 2.17(a) la amplitud de los rizos

de la corriente de carga disminuye y la frecuencia de rizo aumenta. El resultado es

que se reducen las corrientes armónicas generadas en el convertidor DC-DC

hacia la alimentación. También se reducen los tamaños de los filtros de entrada.

La operación polifásica permite reducir los inductores de aplanamiento, que en el

caso normal se conectan en el circuito de la armadura de los motores de DC. Los

inductores separados en cada fase se usan para compartir la corriente. La figura

2.17(b) muestra las formas de onda de corriente con ( ) convertidores de DC-DC.

Para ( ) convertidores de DC-DC en operación polifásica, se puede demostrar que

se satisface la ecuación cuando K=1/2u y el rizo máximo de corriente de carga,

pico a pico, viene a ser

…………………………………………………..…. (22)

Donde y son la inductancia y la resistencia total de la armadura,

respectivamente. Para se puede aproximar el rizo máximo de

corriente en la carga, pico a pico, a.

.....................................................................................(23)



Figura 2.17 Convertidores DC-DC polifásicos.

Las operaciones polifásicas son adecuadas para propulsores de motores grandes,

en especial si la corriente requerida por la carga es grande. Sin embargo, si se

considera la complejidad adicional implicada al aumentar la cantidad de

convertidores DC-DC no hay mucha reducción en las armónicas generadas por el

convertidor DC-DC en la línea de alimentación, si se usan más de dos

convertidores de DC-DC. En la práctica son factores importantes tanto la magnitud

como la frecuencia de las armónicas en la corriente de línea, para determinar el

nivel de interferencias en circuitos de señalización. En muchos sistemas de

transporte rápido asta comparten una línea común. Los circuitos de señalización

son sensibles a determinadas frecuencias y la reducción de magnitud de

armónicas al emplear una operación polifásica de convertidores DC-DC podría

generar frecuencias dentro de la banda de sensibilidad, lo cual podría causar más

problemas de los que se resuelven con esa operación.



2.4 MOSFET de potencia.

Un BJT es un dispositivo controlado por corriente y requiere corriente de base

para que pase corriente en el colector. Como la corriente en el colector es

independiente de la corriente de entrada, la ganancia de corriente depende de la

temperatura en la unión.

Un MOSFET de potencia es un dispositivo controlado por voltaje, y solo requiere

una pequeña corriente de entrada. La velocidad de conmutación es muy alta, y los

tiempos de conmutación son de nanosegundos. Los MOSFET de potencia están

encontrando cada vez más aplicaciones en convertidores de alta y baja potencia.

Los MOSFET no tienen los problemas de fenómenos de segunda avalancha,

como los BJT. Sin embargo, los MOSFET tienen los problemas de descarga

electrostática y requieren cuidados especiales en su manejo. Además es

relativamente difícil protegerlos en fallas de corto circuito.

Figura 2.18 MOSFET del tipo de agotamiento.

Los dos tipos de MOSFET son.

- MOSFET decrementales

- MOSFET incrementales.



Un MOSFET de tipo decremental con canal n se forma sobre un substrato de

silicio tipo p, como se ve en la figura 2.18(a), con dos regiones de silicio n muy

dopado para formar conexiones de baja resistencia. La compuerta está aislada del

canal por una capa muy delgada de oxido. Las 3 terminales son compuerta

drenaje y fuente. En el caso normal, el sustrato se conecta a la fuente. El voltaje

de compuerta a fuente es y puede ser positivo o negativo. Si es negativo,

algunos electrones en el área del canal n son repelidos, y se crea una región de

agotamiento debajo de la capa de oxido, dando como resultado un canal efectivo

más angosto y una alta resistencia del drenaje a la fuente . Si se hace que

sea suficientemente negativo, el canal se decrementa hasta desaparecer, por

completo y presenta un valor muy alto de y no pasa corriente del drenaje a la

fuente = 0. El valor cuando eso sucede se llama voltaje de estrechamiento

. Por otra parte, si se hace positivo, el canal se incrementa haciéndose más

ancho y aumenta , debido a la reducción de . Con un MOSFET de tipo

decremental de canal n se invierten las polaridades de , y , como se ve

en la figura 2.18(b).

Un MOSFET de canal n tipo incremental no tiene canal físico, como se ve en la

figura 2.19(a), si en positivo, un voltaje inducido atrae a los electrones del

sustrato p y los acumula en la superficie, bajo la capa de oxido. Si es igual o

mayor a un valor llamado voltaje umbral o voltaje de entrada, se acumula una

cantidad suficiente de electrones para formar un canal n virtual, y la corriente

circula del drenaje a la fuente. Se invierten las polaridades de , y en un

MOSFET de tipo incremental de canal p como se ve en la figura 2.19(b).

Figura 2.19 MOSFET del tipo incremental.



Figura 2.19 MOSFET del tipo incremental.

Ya que un MOSFET de decremental permanece activo con 0 voltaje de compuerta

mientras que un MOSFET de tipo incremental permanece apagado con cero

voltaje de compuerta, en general los MOSFET de tipo incremental se usan como

dispositivos de conmutación en la electrónica de potencia.

Cuando la compuerta tiene un voltaje lo bastante positivo con respecto a la fuente,

el efecto de su campo eléctrico atrae los electrones de la capa n+ hacia la capa p.

con esto forma un canal vecino a la compuerta, el cual a su vez permite el flujo de

la corriente del drenaje a la fuente. Hay una capa de dieléctrico de oxido de silicio

entre el metal de la compuerta y la unión n+ y p. el MOSFET está muy dopado en

el lado del drenaje, para formar un acoplamiento debajo de la capa de

desplazamiento n. este acoplamiento evita que la capa de decremental llegue al

metal, distribuye el esfuerzo dieléctrico a través de la capa n y también reduce la

calidad de voltaje en sentido directo durante la conducción. También la capa de

acoplamiento hace que sea un dispositivo asimétrico, con una capacidad bastante

baja de voltaje en sentido inverso. Los MOSFET requieren poca energía de

compuerta, y tienen una velocidad muy grande de conmutación además de bajas

perdidas por conmutación. La resistencia de entrada en muy alta, sin embargo la

desventaja de los MOSFET es su alta resistencia en sentido directo en estado

activo y por consiguiente altas perdidas en sentido activo, eso los hace más

atractivos como dispositivos de potencia, aunque son excelentes como

dispositivos amplificadores de compuerta para transistores.

2.4.1 Características en estado permanente.

Los MOSFET son dispositivos controlados por voltaje y tienen una impedancia de

entrada muy alta. La compuerta toma una corriente de fuga muy pequeña, del

orden de los nanoamperes. La ganancia de corriente, que es la relación entre



corriente de drenaje y la corriente de compuerta suelen ser del orden de .

Sin embargo, la ganancia de corriente no es un parámetro importante. La

transconductancia, que es la relación de la corriente de drenaje al voltaje de

compuerta, define las características de transferencias, y es un parámetro muy

importante.

En la figura 2.20 se muestran características de transferencia de MOSFET de

canal n y de canal p. la figura 2.21 muestra las características de salida de un

MOSFET de canal n incremental.

El modelo de estado permanente para los MOSFET tipo decremental y tipo

incremental. La transconductancia se define como

………………………………………………………. (24)

Figura 2.20 Grafica de las características en estado permanente.

Figura 2.21 Características de salida de un MOSFET.



La resistencia de salida, se define como

………………………………………………….. (25)

Y en el caso normal es muy alta en la región de estrechamiento, del orden de los

megaohms y en la región lineal es muy pequeña, normalmente del orden de los

miliohms.

Para los MOSFET tipo decremental el voltaje de compuerta o entrada podría ser

positivo o negativo sin embargo los MOSFET tipo incremental responden solo a un

voltaje de compuerta positivo. En general los MOSFET de potencia son de tipo

incremental y tienen al configuración que muestra en la figura 2.22, sin embargo

los tipos decremental tendrían algunas ventajas y simplifican el diseño lógico en

algunas aplicaciones que requieren alguna forma de interruptor de lógica

compatible para DC o AC que permaneciera cerrado cuando la fuente falla.

Figura 2.22 Conexión de un MOSFET de potencia del tipo incremental.

2.4.2 Características de conmutación.

Si no tiene señal de compuerta, un MOSFET de tipo incremental se puede

considerar como dos diodos conectados espalda con espalda o como un transistor

NPN. La estructura de la compuerta tiene las capacitancias parasitas respecto

a la fuente y respecto al drenaje. El transistor npn tiene una unión con

polarización inversa, el drenaje de la fuente, y forma una capacitancia .La

figura 2.23(a) muestra el circuito equivalente de un transistor bipolar parasito en

paralelo con un MOSFET. La región de base emisor de un transistor NPN se pone

en corto en el dado del microcircuito, al metalizar la terminal de la fuente y la

resistencia de la base al emisor, se puede considerar que un MOSFET tiene un

diodo interno, y el circuito equivalente se ve en la figura 2.23(b). Las capacitancias

parasitas dependen de sus voltajes respectivos.



Figura 2.23 Características de conmutación.

El modelo de conmutación de los MOSFET se ve en la figura 2.24. Las formas de

onda y los tiempos típicos de conmutación se ven en la figura 2.24. El retardo de

encendido es el tiempo necesario para cargar la capacitancia de entrada hasta el

valor de voltaje umbral. El tiempo de subida , es el tiempo de carga de la

compuerta, desde el nivel hasta el voltaje total de compuerta , que se requiere

para activar al transistor hasta la región lineal. El tiempo de retardo de apagado es

necesario para que para que la capacitancia de entrada se descargue desde el

voltaje de sobresaturación hasta la región de estrechamiento. El voltaje debe

disminuir en forma considerable antes de que comience a subir. El tiempo de

caída es necesario para que la capacitancia de entrada se descargue des de la

región de estrechamiento hasta el voltaje umbral.

Figura 2.24 Formas de onda y los tiempos típicos de conmutación.


DESARROLLO - 34 -

3 DESARROLLO

Diagrama de bloques de la tarjeta de control, para el alimentador de microalambre.

Figura 3.1 Diagrama de bloques de la tarjeta


DESARROLLO - 35 -

3.1 Fuente de Alimentación

Figura 3.2 Diagrama de bloques de la fuente de alimentación

El circuito diseñado, en su mayoría se necesita de una alimentación, de diferentes

voltajes, pero con corriente directa

La corriente de la cual se nos proporciona, para alimentar a nuestro circuito, es

una derivación de la planta, esta derivación nos entrega un voltaje de 24 volts de

AC.

Lo primero que debe de tomar en cuenta, es, que nuestra fuente tiene que ser

capaz de soportar la demanda de corriente de todo el circuito, tenemos que

considerar picos de corriente en cargas que a la hora de su arranque generan

respuestas transitorias en lo que se refiere a la corriente, y que en ocasiones

causa un mal desempeño de la fuente de alimentación, entre las cuales se

encuentran, caída de tensión, calentamiento de transformador, oscilaciones de

alimentación, tanto de corriente como de voltaje.

Para poder elegir la adecuada fuente de alimentación, se debe de cuantificar la

corriente total de nuestro sistema eléctrico, en primer caso consideramos el motor


DESARROLLO - 36 -

eléctrico, el cual será el que mayor demanda de corriente solicitara, como se sabe,

trabaja con una corriente nominal de 3.5 amperes, y que además

Esto se sabe por mediciones realizadas, que alcanza una respuesta transitoria de

corriente de entre 5 y 6 amperes, también cabe comentar, otras cargas a

considerar son lo relevadores, que en comparación a la corriente demandada por

nuestro motor, resultan ínfimas, pues, según tablas proporcionadas y mediciones

realizadas, demandan corrientes del orden de microamperes.

En la siguiente figura se observa un bloque del circuito, que entre otros bloques

mas conforman el circuito completo, pero en el cual, podemos ver los

componentes de la fuente, desde la rectificación, pasando por el filtrado, y

llegando hasta por ultimo a la regulación de voltaje, la cual resulto ser adecuada

para la alimentación de nuestro circuito.

Figura 3.3 Tarjeta de control completa

Como podemos observar, el encapsulado inmediato, donde se conecta

alimentación de corriente alterna, es un dispositivo, el cual realiza la etapa de

RECTIFICACIÓN, en el cual en el mercado se encuentra con la nomenclatura

KBU8B , este componente internamente está compuesto de un puente de diodos,

y como podemos ver en la siguiente figura, tiene 4 terminales, de las cuales, 2 son


DESARROLLO - 37 -

de entrada de corriente alterna y las otras 2 son para dar como salida corriente

directa, tal cual como conectaríamos un puente de diodos normal. Las

indicaciones de conexión en el encapsulado físico las podemos encontrar como:

~ Para las entradas en alterna

+ Para la salida positiva

-Para la salida negativa o Tierra.

Es tan común usar este tipo de rectificadores que se venden ya preparados los

cuatro diodos en un solo componente. Suele ser recomendable usar estos puentes

rectificadores, ocupan menos espacio, que poner los cuatro diodos y para

corrientes grandes vienen ya preparados para ser montados en disipadores de

calor.

Dentro de puntos relevantes a tomar en cuenta, y por el cual nos convenció para usarlo, es que.

- Máxima corriente promedio de hasta 8 amperes, a una temperatura de 75°C - Voltaje RMS máximo de entrada de hasta 70 volts

El valor que se obtenido en los cálculos y corroborado con las mediciones, nos indican que tenemos que tener un valor de tensión de salida continua de

Vm = √

En donde:

Vm = Voltaje máximo de salida, obtenida, inmediatamente después del diodo Vin = Voltaje de entrada de Corriente Alterna

Figura 3.4 Imagen física del dispositivo rectificador


DESARROLLO - 38 -

D = Voltaje restado debido a que hay una caída de tensión en cada par de diodos que conducen respectivamente, y que se considera, con una valor de 1 volt por cada diodo.

Sustituyendo los valores que nosotros tenemos:

Vm = = 31.94 volts

De forma inmediata conectamos un capacitor de 4700µF de 50 volts, que en si es

la etapa de FILTRACIÓN, y esta servirá para eliminar los rizos que resulten, o

mejor dicho las oscilaciones en el voltaje, que nos puedan afectar a nuestros

dispositivos que el circuito, porque de este valor, según pudimos investigar, entre

mayor capacitancia, mayor continuidad, pero en contra parte tenemos que la

corriente a la hora de encender la fuente es mayor, debido a que se tiene que

cargar todo el capacitor desde cero.

Como nuestro rectificador y nuestra alimentación, son capaces de soportar el pico

de encendido, optamos, por este capacitor, ya que preferimos tener la mayor

continuidad posible en nuestro suministro, de energía y así evitar daños en

nuestros demás dispositivos del circuito que en cierto modo pudieran resultar más

endebles a las variaciones de voltaje.

Después de esto se empieza con lo que es la REGULACIÓN de tensión, pues

utilizamos un micro controlador, el cual se debe de alimentar con una tensión de 5

volts, y un driver que genera la señal al gate del MOSFET, y la cual debe ser

alimentado de entre 12 o a 14 volts, para tener una adecuada excitación del

MOSFET, y así pues, provocar un correcto funcionamiento del dispositivo de

potencia, no se toma en cuenta la regulación del motor, pues la tomaremos

inmediatamente después de la rectificación, que según los cálculos realizados,

obtendremos un voltaje de aproximadamente de entre 31 a 32 volts, que aunque

es mayor al que requiere el motor, lo podemos utilizar, gracias al control del motor

que vamos a utilizar, el cual será por medio de modulación de ancho de pulso.

Para la regulación existen varios dispositivo, de diversas marcas, y los cuales se

diferencian solo en la potencia que son capaz de soportar y disipar, y de la cual,

depende estrechamente cual es la corriente que llegar a soportar.

Los reguladores que se usaron en los dos casos para obtener el voltaje adecuado,

fueron los reguladores que se encuentran en el mercado, con la nomenclatura de

LM317T, que tienen como características relevantes.


DESARROLLO - 39 -

- Voltajes de salida, de rangos desde 1.2 hasta 37 volts

- Corriente de salida de hasta 1.5 amperes

Dentro de las características relevantes a mencionar, es una regular de voltaje

ajustable, y cuáles fueron las causas de optar por usar este tipo de regulador, en

los dos casos en los cuales necesitábamos de la regulación.

Este dispositivo cuenta con tres terminales:

- ADJ: En la cual típicamente se le conecta un potenciómetro, el cual se usa

para regular la tensión.

- VIN: En el cual se conecta la tensión de entrada

- VOUT: Salida de voltaje regulada

En el primer caso en donde necesitamos una tensión de 5 volts, utilizamos este

regulador en especial , es porque aunque existen reguladores de voltaje fijos de 5

volts, como el LM7805, no nos resulto útil por su poca corriente de corriente que

tienen, pues aunque nos es mucha la carga a la cual está sometida, si es mucha

la caída de tensión que debe realizar, y por consecuencia, es mucha potencia a

que tiene que disipar, y que se ve reflejado en un excesivo calentamiento, hasta

llegar al punto de que ocasione un daño en el regulador, y después como

consecuencia, daños en los dispositivo que se encuentran conectados a él. En el

segundo caso, el punto concluyente por el cual se uso el mismo regulador, fue que

la tensión a la cual se excita correctamente el MOSFET, varía entre el rango de 12

a 14 volts, entonces no resultaría eficaz un regulador fijo, debido a que entre mejor

excitación del MOSFET, menor calentamiento de este.

Figura 3.5 Imagen física del dispositivo regulador de voltaje


DESARROLLO - 40 -

3.2 Procesamiento de señales

Figura 3.6 Diagrama de bloques del procesamiento de señales

El procesamiento de señales, en este proyecto es requerido, para realizar la rutina

de control adecuada, pues se deben de obedecer ciertas señales, y generar

también señales, para tener el control tanto de la válvula, como del motor.

El dispositivo que deberá cumplir con esta tarea, debe de contar con, entradas y

salidas digitales, tener un modulo de conversión analógico/digital ADC, generador

de PWM, además de ser flexible en lo que respecta a lo que tiene que ver con la

programación.

El microcontrolador MC9S08SH8CPJ de 20 pines de la marca Freescale, tiene

características adecuadas, a continuación mencionaremos las cualidades del


DESARROLLO - 41 -

dispositivo, para después, describir el papel que juega en el desarrollo de la tarjeta

de control

Características del CPU

- Procesador de 8 bits

- Frecuencia del procesador de 40 MHz

Memoria interna

- Memora FLASH lectura/programa/borrador

- Memoria de acceso aleatorio(RAM)

Modos de ahorro de energía

- Dos modos de potencia muy baja parada

- Reducción de modo de poder esperar

- Tiempo de baja potencia real de interrupción para el uso en ejecución,

esperar y dejar.

Sistema de Protección

- Watchdog para revisar el correcto funcionamiento, dedicada a correr a partir

de 1 kHz de la fuente de reloj interno o reloj de bus

- Detección de baja tensión con reajuste o la interrupción

- Detección de código ilegal, y operación de rearme ilegal de detección de la

dirección con reajuste

- Bloque para proteger memoria FLASH

Periféricos

- 12 canales de ADC, con una resolución de 10 bits, tiempo de conversión de

hasta 2.5µseg, y con sensor de temperatura.

- 8 contadores, con 8 bits de pre escalado, y además con interrupción por

desbordamiento

- 2 canales independientes generadores de PWM

Entradas/Salidas

- 17 pines de propósito general input/output, y un único pin exclusivo de salida

- 8 pines de interrupción, con la polaridad seleccionable


DESARROLLO - 42 -

La figura 3.6 que le corresponde al microcontrolador que vamos a utilizar, es la

siguiente, en la cual se puede observar, cuales son los pines, y que es lo que

pueden llegar a realizar en un momento dado.

Figura 3.7 Distribución de pines del microcontrolador

Este dispositivo se debe de alimentar con una tensión entre VDD y VSS de 5 volts,

y de la misma magnitud es como acepta las entradas y como proporciona las

salidas, incluyendo PWM

Su modo de programación es versátil, pues acepta tres tipos de programación,

desde lenguaje ensamblador, Programación en C y Procesador experto.

Basándonos en la figura de diagrama de bloques del procesamiento de señales,

es como describiremos, el porqué de la programación y como es que funciona el

programa, y cuáles fueron los criterios para hacer así el programa.

En primera estancia como vemos, del lado de las entradas, tenemos tres de ellas.

1. El gatillo

2. Dmic Drenador de microalambdre

3. Entrada de convertidor analógico/digital

La entrada con lo que respecta al gatillo y la cual está en la parte de la que

nosotros denominamos antorcha. Cuando el gatillo es apretado, se deben de

cumplir dos situaciones, la primera es que debe de trabajar el motor y la segunda

es que la válvula se abra para que deje pasar el gas.

Esto implica que lo que debe de realizar el microprocesador, es que debe de leer

la señal que le manda el gatillo, al obtener la señal, inmediatamente debe de

realizar la lectura del potenciómetro, por medio del convertidor analógico/digital,


DESARROLLO - 43 -

para obtener una cuantificación digital, y poder usar esa medición en nuestro

programa, la cual tendrá como objetivo, modificar el valor del ciclo de trabajo del

nuestro PWM, el cual a su vez modificara la velocidad del motor,

simultáneamente, el microcontrolador debe de proporcionar una salida digital, el

será requerida para accionar un relevador, el cual usamos como mediador para

poner en funcionamiento al válvula, que como recordamos es de corriente alterna.

La otra entra al microcontrolador, nosotros la nombramos Drenador de

microalambre, cuando esta entrada esté presente en nuestro microcontrolador, lo

único que debe de suceder, es que el motor funcione como en el caso anterior,

pero esta vez la válvula no debe de activarse. Esta función se utiliza cuando hay

que cambiar el rollo de microalambre, y es necesario hacer llegar el extremo del

microalambre hasta la punta de la antorcha, para así poder empezar a soldar.

En el caso de que ni uno de los de las dos entradas estén presentes, lo que debe

de suceder, es que tanto el motor, como la válvula, deben de estar inactivos.

Prácticamente lo que se escribió anteriormente, es como se hará la programación,

tal cual, solo que en el lenguaje de programación, el cual nos permita desarrollar la

rutina descrita anteriormente.

A continuación, en la figura 3.7 se presente el programa desarrollado, realizado en

el software CODEWARRIOR, en opción de programación de procesador experto,

junto con programación en C.

Figura 3.8 Ventana donde se desarrollo el programa


DESARROLLO - 44 -

Figura 3.9 Rutina que realiza el microcontrolador

void main(void)

/* Write your local variable definition here */

bool ValuesAvaible = FALSE;

byte values[3];

int a,gatillo,Dmic;

/*** Processor Expert internal initialization. DON'T REMOVE THIS CODE!!! ***/

PE_low_level_init();

/*** End of Processor Expert internal initialization. ***/

/* Write your code here */

for(;;)

gatillo=Bit1_GetVal();

Dmic=Bit2_GetVal();

AD1_Measure(TRUE);

AD1_GetValue8((byte*)values);

if(ValuesAvaible)

ValuesAvaible=FALSE;

AD1_Measure(FALSE);

a=values[0];

if(gatillo == 128 || Dmic == 64)

Bit4_PutVal(1);

PWM1_SetRatio8(a);

if(gatillo == 0 && Dmic == 0)

Bit4_PutVal(0);

PWM1_SetRatio8(0);


DESARROLLO - 45 -

Bean: capsula o rutinas que tiene integrado el software, para realizar programas

en modo de Procesador experto

En primer instancia se encuentran las librerías, las cuales son necesarias para

poder usar ciertos comandos en el programa, además que cada bean agrega sus

propias librerías, para poder realizar

#include "PE_Types.h"

#include "PE_Error.h"

#include "PE_Const.h"

#include "IO_Map.h"

Declaración de las variables locales que se van a utilizar.

bool ValuesAvaible = FALSE;

byte values[3];

int a, gatillo, Dmic;

De manera inmediata se empieza con lo que es el desarrollo del programa.

void main(void)

/*** Processor Expert internal initialization. DON'T REMOVE THIS CODE!!! ***/

Inicialización de todas las variables declaradas.

PE_low_level_init();

for(;;)

Asignación de los valores obtenidos, de los pines de entrada, a nuestras variables

globales del programa.

gatillo=Bit1_GetVal();

Dmic=Bit2_GetVal();

Obtención de los valores analógicos, desde nuestra entrada de convertidor ADC

AD1_Measure(TRUE);

AD1_GetValue8((byte*)values);

if(ValuesAvaible)

ValuesAvaible=FALSE;

AD1_Measure(FALSE);

Asignación del valor analógico, a nuestra variable global ‘a’-


DESARROLLO - 46 -

a=values[0];

Condición para saber si la variable gatillo o Dmic está presente, y de ser así,

mandar las variables de salida correspondientes a lo que se debe de realizar.

if( gatillo == 128 || Dmic == 0)

Bit4_PutVal(1);

PWM1_SetRatio8(a);

Condición, para verificar, si las dos variables de entrada están ausentes, el cual

será indicativo de que no se está soldando.

if(gatillo == 0 && Dmic == 0)

Bit4_PutVal(0);

PWM1_SetRatio8(a);


DESARROLLO - 47 -

3.3 Etapa de potencia

Figura 3.10 Diagrama de bloques de la etapa de potencia

En el diagrama de bloques expuesto anteriormente, se desglosa en forma simple,

los componentes que conforman el circuito, que realizan la etapa de potencia, la

cual es la que se encarga de controlar la velocidad del motor.

A continuación se desglosara, como es que interactúan los componentes entre sí,

y como en conjunto conforman la etapa, la cual es capaz de mover a placer el

motor.


DESARROLLO - 48 -

El control, que se va a realizar es por medio de modulación por ancho de pulso,

para eso necesario un dispositivo que nos genere el PWM. Para esto se usa el

microcontrolador MC9S08SH8CPJ, el cual nos lo proporcionara.

Después de ya haber obtenido la señal de PWM, lo que procede, es que esta

señal que nos genera el microcontrolador, y que además tiene una amplitud de 5

volts, la obedezca nuestro dispositivo de estado sólido, que como ya hemos

mencionado anteriormente, es un MOSFET, y el cual tiene como detalle, que para

tener una correcta excitación, se deben de aplicar tensiones de entre 12 a 15 volts

en la terminal del gate del MOSFET, es decir, necesitamos amplificar la señal

procedente del microcontrolador, a la tensión adecuada para que nuestro

MOSFET, realice un buen desempeño.

El circuito de lograr esta amplificación, y que denominaremos driver del gate del

MOSFET, es de la marca de STsemiconductor, y el cual esta denominado como,

L6384, este dispositivo es un controlador de medio puente de alto voltaje, y que a

continuación se muestra su esquemático, para entender su funcionamiento y así

dejar más claro su papel en esta etapa.

Figura 3.11 Diagrama interno del dispositivo L6384


DESARROLLO - 49 -

Los pines que conforman el dispositivo son:

Pin 1. IN: este pin sirve de entrada, y es el cual acepta la señal del PWM.

Pin2. Vcc: Es el voltaje, al cual se desea amplificar la señal de microcontrolador, y

que servirá como señal excitadora del gate del MOSFET .

Pin3. DT/SD: Este pin es el encargado de generar el tiempo muerto entre las

señales LVG y HVG.

Pin 4. GND

Pin5. LVG: Genera el lado bajo del driver del gate del MOSFET, y es el

complemento de la señal HVG.

Pin6. Vout: Genera una tierra flotante, para la señal HVG

Pin7. HVG: Genera el lado alto del driver del gate del MOSFET, y se puede decir

que es un seguidor de la señal de entrada en el pin1.

Pin8. Vboot: entre este pin y el pin6 se conecta un capacitor, el cual proporcionara

la parte flotante de suministro, para HVG.

Como se sabe el driver que uso, es capaz, realizar, la excitación del MOSFET, y

además que cuenta, no solo con una salida, si no con dos, y las cuales con

complementos entre ellas, las cuales son identificadas como LVG y HVG. En este

caso se uso la terminal LVG, pues resulto más estable, que VGH, debido a que no

depende de la generación de la tierra flotante.

Ya habiendo obtenido la señal que será proporcionada a la terminal gate del

MOSFET, que es la causante del correcto switcheo de este. A lo que se prosigue

es a la conexión del motor junto con el switch, que en nuestro caso será el

MOSFET.

El MOSFET utilizado es de la marca International Rectifier, y que se encuentra con

el nombre de IRFIZ48V, el cual cuenta con cualidades a destacar como son:

VDSS = 60 volts (Voltaje entre terminales Drain-Source que soporta el dispositivo)

RDS(ON) = 12 mΩ (Resistencia entre terminales Drain- Source)

ID = 39 A


DESARROLLO - 50 -

El dispositivo anteriormente mencionado, fue conectado, con gran similitud a como

se conectaría la configuración de un transistor de modo Emisor común, solo

tomando en cuenta como homologas a las terminales, que en este caso quedaría

así.

MOSFET = Transistor

Gate = Base

Drain = Colector

Source = Emisor

Y tal como se ve en la figura 3.11, queda nuestra conexión en la tarjeta de control,

para poder accionar el motor y también es posible modificar su velocidad.

Figura 3.12 Conexión homologa a emisor común del transistor


DESARROLLO - 51 -

3.4 Frenado dinámico.

Figura 3.13 Diagrama de bloques del frenado dinámico realizado

Para el funcionamiento adecuado del alimentador se requiere que cuando el

usuario suelte el gatillo el motor realice un frenado total, esto para evitar que el

microalambre salga por la inercia que genera el motor, con un freno total al

momento de soltar el gatillo se beneficia al usuario debido a que se elimina un

excedente de microalambre en la antorcha reduciendo tiempo de operación y

desperdicio del microalambre.

Para esto se recurre al uso del frenado reostatico o frenado dinámico, debido a

que no se cuenta con una fuente receptiva por eso se descarto el freno

regenerativo y esto imposibilita que la energía almacenada pueda ser transferida a

la fuente.


DESARROLLO - 52 -

Con el frenado dinámico lo que se hace es disipar la energía en una resistencia, el

frenado dinámico se puede dividir en las siguientes bloques; etapa de potencia,

señal de control, amplificación de señal relevador, resistencia y moto como se

muestra en la figura 38. Lo que tenemos en la etapa de potencia es un propulsor

de un cuadrante colocado en la parte baja el cual ya ha sido descrito

anteriormente, la señal de control que necesitamos es obtenida del

microcontrolador el cual procesa la señal de entrada del gatillo y nos da un pulso

de 5V de DC que se ocupa para accionar la bobina del relevador, que en este

caso es un relevador de la marca sunhold de 5V DC 10A de un polo y dos tiros.

La amplificación de la señal se lleva a cabo mediante el arreglo de un transistor

2N2222 y una resistencia de 5.6kΩ esto se hace para aumentar la corriente ya

que el microcontrolador no brinda ni mantiene la corriente necesaria para

mantener excitada la bobina del relevador

Activando el relevador se consigue cambiar las entradas del motor por las de la

resistencia es decir, la salida del drain del MOSFET que va a una parte del motor

se cambia el contacto por la misma parte del motor con un extremo de la

resistencia. La otra parte del motor al igual que la resistencia van conectados a

+24V DC.


DESARROLLO - 53 -

3.5 Control de la Válvula.

Figura 3.14 Diagrama de bloques del control de la válvula.

La válvula que accionamos es una válvula solenoide de 24V de AC de todo o

nada, lo que se necesite es que esta no se accione si no hasta que se presione el

gatillo de la antorcha, lo que se necesita para accionar una válvula solenoide es

energizar la solenoide para que esta rompa la inercia del muelle y se habrá el

paso al gas que se ocupa.

El accionamiento de la válvula solenoide lo llevamos a cabo mediante el uso de un

relevador de 24V DC de dos polos dos tiros, este relevador lo utilizamos para

mandar una señal de 5V de DC al micro controlador que sale del regulador de

voltaje; y la otra es para cerrar el contacto con una línea de AC para alimentar a la

válvula solenoide.

El relevador se acciona con el contacto del gatillo cada vez que este se presiona

acciona el gatillo, la conexión se realizo de la siguiente manera, una terminal de la


DESARROLLO - 54 -

bobina del relevador se conecto a tierra y la otra terminal se conecto a una parte

del contacto del gatillo, la otra parte de este contacto fue conectado a la 24V DC.

Con esto se consigue energizar la bobina del relevador cada vez que se presione

el gatillo y así completar los otros contactos. El contacto que manda la señal de

accionamiento del gatillo al microcontrolador se conecto de un pin del regulador de

5V DC a un polo del relevador y del contacto normalmente abierto se conecto al

pin número 5 del microcontrolador el cual procesa la señal; y segundo contacto

que cierra el circuito para el accionamiento de la válvula solenoide, este se

conecta de una salida a la válvula solenoide al polo del relevador y el contacto

normalmente abierto va a la alimentación de AC que se toma de la entrada del

rectificador, la otra salida de la válvula se mantiene conectada al otro pin del

rectificador que también es alimentado con 24V AC.

Esta conexión anteriormente la realizamos mandando la señal al microcontrolador

directamente desde el gatillo pero en el gatillo de la antorcha es donde pasa toda

la corriente que se necesita para la fundición del microalambre esto hacia que se

creara ruido y generaba problemas de variación de voltaje en el microcontrolador

por eso se decidió adicionar este otro relevador de dos tiro y utilizarlo para separar

la señal que entra al microcontrolador.


DESARROLLO - 55 -

3.6 Fabricación del circuito.

La fabricación de un circuito se realiza para tener un medio donde sostener y

conectar electrónicamente los componentes electrónicos, existen distintas

técnicas, software pero estos van de acuerdo a costos y cantidad de muestras que

se piensan fabricar, nosotros solo fabricamos el prototipo, y esencialmente para la

fabricación del circuito impreso se tienen que completar 2 etapas que es el

diseño del circuito y la otra etapa trata de la impresión y armado.

3.6.1 Diseño

El diseño electrónico se realiza bajo ciertas normas buscando que este funcione

bien y sea barato de fabricar. Este diseño electrónico lo llevamos acabó mediante

Altium designer es una herramienta de diseño en todas las fases y para todas las

disciplinas, ya sea esquemas, simulación, circuitos impresos de circuitos el cual

nos permite tener todo esto en un ambiente que nos permite comunicarnos con el

editor de esquemáticos y el editor de PCB en el mismo programa.

En la creación del esquemático se agregan los componentes de las librerías

predeterminadas además se pueden importar librerías desde la red lo cual amplia

en número de componentes de los cuales podemos echar mano, se agregan los

componentes que requerimos a nuestra hoja de trabajo y se realizan las

conexiones tal cual como en un diagrama, así generamos el esquemático el cual

está representado en la figura 3.15.

Figura 3.15 Esquemático del circuito completo obtenido


DESARROLLO - 56 -

En la imagen anterior se muestra la pantalla que nos ofrece el programa para la creación del esquemático, se muestran las herramientas del software y se muestra la hoja de trabajo la cual ilustra los componentes y nodos de nuestro circuito.

Lo siguiente es convertir el esquemático en una lista de nodos. Esto es una lista de las terminales y nodos del circuito, a los que se conectan los pad de los componentes. Este es generado por el programa de forma automática se asignan dimensiones que va tener el pcb anchos de pistas los cuales van en relación a la cantidad de corriente que conducirán el área de estas el grosor la temperatura máxima que tendrán, también se asignan reglas como distancia mínima entre pad y pista, entre pista posteriormente a esto; la lista es importada en el programa a la etapa de generación del pcb importando lista de nodos, componentes y redes.

A continuación se determina la posición de cada componente. Esto se puede hacer mediante el uso del asistente del programa o se puede realizar manualmente, nosotros lo realizamos manualmente para aprovechar el espacio a nuestra conveniencia creando el espacio necesario para disipadores de calor y creando un acomodo en los circuitos que permita se acoplamiento en la carcasa del alimentador del microalambre, esto es ya sea para optimizar el desempeño del circuito, o para poner componentes, según lo requiere el diseño mecánico del sistema.

El programa importa todos los componentes con sus respectivos footprints estos contienen el mapa de los pines de cada componente la distribución de los pad tamaño de estos para las perforaciones recomendadas; los footprints pueden ser editados o creados en otra parte del mismo programa para así poder contar con nuestra propia librería de componentes, así tenemos mayor exactitud al momento de impresión y armado del circuito.

Después de esto se tiene en la pantalla una representación de nuestra placa la cual puede ser editada asignándole distintas características que son; dimensiones, especificación del tipo de componentes que se ocuparan haciendo referencia a componentes through-hole o montaje superficial además se especifica las caras o cara en donde trabajaremos; nosotros realizamos nuestro circuito con componentes through-hole utilizando solo un plano el plano superior. También se tienen en esa pantalla todos los footprints de los componentes que requerimos con las referencias de nodos y redes que se importaron. En la figura 3.16 se ilustra el pcb con los componentes, nodos, redes y lista de pines ya importados. Lo que se ve son los footprints acomodados y las líneas indican su conexión de cada pin del componente.


DESARROLLO - 57 -

Figura 3.16 Imagen de la tarjeta en el programa Altium

El ruteado en el programa que utilizamos se pude realizar de dos maneras una, es utilizando el asistente de el programa el cual trata de rutear cada nodo en la lista de de pines de cada componente, encontrando secuencias de conexión en las capas disponibles. Mediante el uso de algoritmos el cual por lo regular es un algoritmo práctico de ruteo es elegir el pin más lejana del centro de la tarjeta, y luego usar un algoritmo codicioso para seleccionar la siguiente pin más cercana con la señal del mismo nombre; y la otra forma es realizar el ruteado manualmente pin a pin lo cual dependiendo de la habilidad de quien manipula el programa nosotros ruteamos de esta manera ya que así nos permite lograr conexiones un tanto más lógicas que provean al circuito del orden que requerimos de acuerdo a las características eléctricas y mecánicas del sistema.

En la figura 3.17 se muestra el circuito ya ruteado se pueden apreciar la diferencia de anchos en las pistas como mencionamos esto depende de las características de cada pista también se observan las pistas en color azul esto va en relación a la superficie donde se está trabajando.


DESARROLLO - 58 -

Figura 3.17 Diseño completo de la tarjeta

Ya por último se generan el archivo final o gerber, esto nos da una serie de

imágenes que necesitamos para poder realizar la impresión en nuestro circuito, se

tienen diferentes vistas de acuerdo a las necesidades, a continuación en la figura

3.18 se muestra la imagen que se imprimió de nuestro circuito final.

Figura 3.18 Imagen final impresa


DESARROLLO - 59 -

3.6.2 Manufactura.

Para realizar un circuito impreso se necesita una tarjeta de cobre virgen estas pueden tener cobre en las dos caras o en caras internas pero la nuestro circuito es de una sola cara, y luego se retira el cobre no deseado, dejando sólo las pistas de cobre deseado. Algunos pocos circuitos impresos son fabricados al agregar las pistas al sustrato, a través de un proceso complejo de electro recubrimiento múltiple. Algunos circuitos impresos tienen capas con pistas en el interior de éste, y son llamados circuitos impresos multicapas. Éstos son formados al aglomerar tarjetas delgadas que son procesadas en forma separada. Después de que la tarjeta ha sido fabricada, los componentes electrónicos se soldán a la tarjeta.

Hay varios métodos típicos para la producción de circuitos impresos:

1. La impresión serigrafía. 2. El fotograbado. 3. El fresado de circuitos impresos 4. La impresión en material termosensible.

Se ocuparon dos métodos de transferencia de circuitos impresos el método de

transferencia de calor y por el método de foto sensibilidad, pero resulto mas

practico el método de transferencia por calor. Para poder transferir un circuito de

impreso a nuestra placa de cobre se requiere que esta se encuentre preparada es

decir lijada con una lija fina y libre de grasas con la ayuda de algún solvente para

lograr una mejor transferencia del circuito. El circuito se imprime en papel couche

esta impresión se realiza con una impresora laser con base a la figura obtenida en

el programa; para hacer la transferencia se humedece la placa con alcohol

isopropilico se ajusta la imagen a la placa de cobre.

Se utiliza una plancha a su máxima temperatura, inmediatamente después de que

se ajuste la imagen a la placa se plancha la imagen y se aplica un poco de presión

esto es por 5 minutos, al terminar se deja enfriar la placa después de esto solo se

retira en papel de la placa tallando suavemente solo quitando el papel sin tallar

demasiado sobre las pistas transferidas

El atacado de la placa de cobre se puede realizar de diferentes maneras. La mayoría de los procesos utilizan ácidos o corrosivos para eliminar el cobre excedente. Existen métodos de galvanoplastia que funcionan de manera rápida, pero con el inconveniente de que es necesario atacar al ácido la placa después del galvanizado, ya que no se elimina todo el cobre.

Los químicos más utilizados son el cloruro férrico, el sulfuro de amonio, el ácido clorhídrico mezclado con agua y peróxido de hidrógeno. Existen formulaciones de


DESARROLLO - 60 -

ataque de tipo alcalino y de tipo ácido. Según el tipo de circuito a fabricar, se considera más conveniente un tipo de formulación u otro.

Nosotros utilizamos el acido clorhídrico diluido en agua para corroer el cobre que

no está cubierto por el circuito impreso este procedimiento lo realizamos

depositando la mescla del acido con agua en una charola de plástico después se

sumerge la placa de cobre y se utiliza una pequeña bomba para que cree burbujas

en el acido y el movimiento incremente la velocidad del proceso esto puede durar

7 minutos. Después de esto se retira la placa de cobre y se enjuaga con agua

corriente.

Al finalizar esta parte del proceso ya se tiene la placa de cobre con las pistas lo

único que se necesita es perforar y montar los componentes. El perforar se realiza

mediante el uso de un taladro de banco la impresión del circuito nos marca el

lugar de los pad y así que solo se sigue las marcas que sirven como guía y se

perfora. El montado de los componentes solo se hace metiendo los pines en sus

lugares correspondientes se soldán cada pin con estaño. Al final tenemos un

circuito como el que se muestra en la figura 3.19.

Figura 3.19 Tarjeta física obtenida


PRUEBAS Y RESULTADOS - 61 -

4 PRUEBAS Y RESULTADOS

Antes de llegar al diseño final, se tiene que probar con dispositivos que parecía

que cumplían con las necesidades que teníamos. Dentro de todo el sistema, la

etapa que resulto más difícil de conseguir, fue la del control del motor, pues

aunque no era mucha la potencia que se maneja, resulta difícil encontrar

integrados que cumplan con la tarea y además atiendan a la necesidad de ser

económicos.

Dentro del mercado electrónico existen diversos dispositivos capaces de controlar

la velocidad y sentido de giro de ciertos motores de DC, pero la mayoría manejan

corrientes relativamente pequeñas, el motor con el que se piensa trabajar es de

una corriente continua nominal de 3.5 amperes, a una tensión de 24 volts, en lo

que respecta al voltaje no hubo problema encontrar integrados que cumplieran

este requisito, pero en lo que respecta a la corriente, que mayor se acerco a estas

características fue el L6203, en la siguiente figura se muestra el diagrama de

bloques.

Figura 4.1 Diagrama interno del dispositivo L6203.

Del diagrama podemos ver que, es puente H completo conformado con 4 mosfet,

cuenta con dos entradas digitales, las son utilizadas para tener el control del

sentido de giro del motor, dependiendo de la combinación que se tenga entre

ellas, y una entrada mas, en la cual al proporcionarle un PWM, es capaz de



modificar la velocidad del motor, y por ultimo cuenta con dos salidas en las cuales

generalmente se conectan las terminales del motor. Dentro de los rangos que este

driver permite, es un voltaje máximo de 48 volts y una corriente directa de hasta 4

amperes, y como características adicionales tiene.

Conducción de protección cruza, es decir tiene un generador de tiempo

muerto entre las señales generadas, para evitar corto circuito entre las

ramas de puente.

RDS(ON)0.3 en condiciones normales de temperatura, este punto es

relevante, pues nos indica en lo que respecta a los MOSFET internos

del dispositivo, la resistencia con la que trabajan al momento de

conducción, ya que entre más pequeña mejor, debido a que el

MOSFET, tendrá que disipar menor potencia, cuando esté trabajando,

lo cual es crucial para su mayor desempeño y tiempo de trabajo.

Compatible con tecnología TTL. Es decir que acepta valores lógicos

comprendidos desde 0.2 hasta 0.8 para el nivel lógico bajo, y 2.4 para

el nivel lógico alto.

Suministro lógico interno, para poder tener referencia con los valores de

entrada del exterior

Frecuencias de operación de hasta de 100 KHz, esto es con referencia

al periodo máximo de PWM con el cual puede trabajar, para tener un

optimo desempeño, y para evitar posibles aumentos de temperatura

Apagado térmico, el cual sirve como protección del dispositivo, por

posibles cortos circuitos, o incremento excesivo de la temperatura

Alta Eficiencia.

Como sabemos el motor con el que se quiere trabajar, tiene valores un poco

menores a los máximos permitidos por el dispositivo, al parecer hasta el momento,

es un buen candidato para poder cumplir con la tarea de, controlar el motor, pues

como sabemos el motor al momento del arranque tiene un transitorio de corriente

mayor al nominal, conforme a las mediciones adquiridas por cuenta propia,

alcanzaba una corriente pico de 5 amperes.

El circuito con el que hicimos pruebas iníciales fue el que se muestra en la figura,

y el cual estaba compuesto por el circuito mencionado al principio

Dentro de las pruebas iníciales con un ancho de pulso positivo de 50% del periodo

total del PWM, trabajaba en condiciones normales, y el dispositivo adquiría un

calentamiento moderado y aceptable.



Pero conforme se fue incrementando el ancho de pulso positivo del PWM

generado, el integrado se fue calentando a una mayor velocidad, hasta llegar al

punto en el que el dispositivo dejaba de funcionar correctamente.

Dentro de los resultados a destacar, son prioridad mostrar las señales obtenidas,

por medio de un osciloscopio, las señales de la generación de PWM, que a

continuación se mostraran detalles e imágenes que sustenten los datos

proporcionados.



En primera instancia se presenta los valores de un ciclo de trabajo útil dominante.

Tabla 4.1 Valores obtenidos de PWM con un ciclo de trabajo útil dominante.

Figura 4.2 Graficas de PWM con un ciclo de trabajo útil dominante.



En segunda instancia se presenta los valores de un PWM, casi equilibrado entre el

ciclo de encendido y el ciclo de trabajo.

Tabla 4.2 Valores obtenidos de PWM con un ciclo de trabajo equilibrado, entre apagado y

encendido

Figura 4.3 Grafica de PWM con un ciclo de trabajo equilibrado.



En el tercer caso ponemos un periodo del PWM en donde el ciclo de trabajo, es

mayormente apagado.

Tabla 4.3 Valores obtenidos de PWM con un ciclo de trabajo mayormente apagado.

Figura 4.4 Grafica de PWM con un ciclo de trabajo apagado dominante.



En las figuras y tablas anteriores, observamos que se realiza adecuadamente la

variación del ancho de pulso, es cual se modifica por medio del potenciómetro que

se encuentra en el panel de, gracias al microcontrolador, que es el que hace

posible esto.

Después de haber obtenido todas las etapas del sistema, el resultado del circuito

integrado y diseñado en altium se muestra a continuación, el resultado final de la

tarjeta de control y además el precio de lo que constaría fabricar una solo tarjeta,

pues como recordamos, uno de los motivos expuestos al principio, era la

obtención de una tarjeta que realizara la tarea y además fuera viable

económicamente.

Figura 4.5 Circuito concluyente de el proyecto.



En esta etapa de pruebas y resultados ya teniendo el circuito que controla el motor

se llevo acabo una prueba para conocer la relación que existe entre la variación

del ciclo del trabajo del PWM y la velocidad del motor. Para llevar acabo esta

prueba se requiere de medir la velocidad del motor, el recurso que utilizamos fue

la adaptación de un sensor de efecto hall al engrane que el motor mueve, aquí se

muestra el circuito del sensor este es un circuito adicional que utilizamos para que

levar acabó esta medición.

Figura 4.6 circuito del sensor de efecto Hall.



Este sensor como su nombre lo indica funciona de acuerdo a las leyes de este

efecto. El sensor, se alimenta con 5V DC se hace uso de un imán el cual al

cuando el diente del engrane se acerca se censa la presencia del campo

magnético, y se manda una señal digital de 5V DC. En la siguiente imagen se

ilustra esto.

Figura 4.7 sensor de efecto Hall con campo magnético.

En esta figura se ve que el diente del engrane pasa por encima del imán y del

sensor, se crea un campo magnético y es cuando se manda la seña.

Figura 4.8 sensor de efecto Hall sin campo magnético.

En esta imagen el diente no se encuentra por encima del sensor y del imán no

existe campo magnético no se manda ninguna señal.



En las siguientes tablas y graficas que se muestran a continuación hacen

referencia al PWM y a la señal del sensor de efecto hall con la siguiente

correspondencia, las graficas amarilla y los valores mostrados en CH1

corresponden a la señal obtenida del sensor de efecto Hall; y las graficas de color

azul y valores que se muestran en CH2 corresponden al PWM.

Tabla 4.4 Valores obtenidos de PWM y señal del sensor, en la máxima velocidad.



Figura 4.9 Grafica comparativa máxima velocidad.

En la tabla e imagen anterior se tiene al motor en su máxima velocidad con el ciclo

de trabajo más bajo del PWM pero recordemos que estamos utilizando el

complemento de este; ya que el driver del MOSFET tiene dos salidas que son

LVG y HVG, la salida HVG se puede decir que es un seguidor de la señal de

entrada y el LVG que es terminal que nosotros estamos ocupando, la cual genera

una señal complemento, de la entrada, por esto se tiene que a la entrada del

dispositivo excitador de la terminal gate, se manda un PWM con el ciclo de trabajo

más bajo, pero a la salida del driver se tiene, el PWM con el ciclo de trabajo

completo. Se puede observar que este tiene una frecuencia de 91.41 Hz pulsos

medidos en 1s, pero se considera que el engrane consta de 20 dientes entonces

se tiene que

, se entiende que el engrane da 4.57 vueltas por

segundo, es decir 283 rpm.



Tabla 4.5 Valores obtenidos de PWM y señal del sensor, en velocidad media.



Figura 4.10 Grafica comparativa en velocidad media.

En esta grafica y tabla se muestra que el ciclo de trabajo del PWM se encuentra

exactamente a la mitad es decir el motor está trabajando a la mitad de su

velocidad media, a esta velocidad el engrane del motor da 269rpm.



Tabla 4.6 Valores obtenidos de PWM y señal del sensor, en velocidad mínima.



Figura 4.11 Grafica comparativa en velocidad mínima.

En la grafica y tabla anterior se manda el ciclo de trabajo más grande el cual, hace

que el motor trabaje a si velocidad mínima, pues hay que recordar, que el

dispositivo que nos excita la terminal gate del MOSFET maneja dos salidas, las

cuales se complementan entre sí, que son LVG y HVG, en donde HVG se puede

decir que es un seguidor de señal mientras que LVG es su complemento de la

señal de entrada de PWM, y para que este pueda funcionar se obtuvo una

frecuencia de 54.41 que de acuerdo al cálculo se tiene 163 rpm.



Por último se tiene la tabla 4.7, en la cual se enumeran la lista de los

componentes, y el precio, para así sacar la cotización final de la tarjeta de control.

Tabla 4.7 Cotización de componentes

*CW PRO SUITE; ANNL SUB este corresponde al precio de la licencia del

software que se ocupara para llevar acabo la programación del microcontrolador,

con la cual se puede llevar acabó la programación de varios microcontroladores.

En esta cotización solo se cotiza el precio de los componentes y software sin

sumar las horas de ingeniería y el costo de la manufactura en serie.


CONCLUSIONES - 77 -

5 CONCLUSIONES

El uso de un switch de alta frecuencia o de estado sólido, en este caso un

MOSFET, es un dispositivo eficaz y eficiente, para el control de velocidad de un

motor de corriente directa, pues además de cumplir con la tarea, es de tamaño

compacto, el cual nos permite reducir el tamaño del circuito y además de ser

relativamente barato.

Encontramos varios métodos, para realizar el frenado del motor de DC, existen

unos más complejos que otros, en nuestro caso optamos por el frenado dinámico,

el cual resulto más cómodo de realizar además de que se adecuo más a las

características mecánicas del sistema y requerimientos de funcionamiento, el cual

resulto efectivo en nuestro caso. Consideramos que este tipo de frenado es

recomendable para cargas pequeñas, pues en el proceso del frenado, se realiza

un corto circuito, ese corto lo deberá de soportar el dispositivo que realice la

conmutación, para el frenado.

En la actualidad, el uso de microcontroladores ha incrementado

exponencialmente, ahora se entiende el motivo, pues son capaces de realizar

varias funciones simultáneamente, y sin duda en los sistemas de control, son

imprescindibles, como en nuestro sistema este realiza la función de control del

circuito.

Un punto relevante en el desarrollo del proyecto, es que se pudieron aplicar

conocimientos previos que se obtuvieron a lo largo de la carrera, adquirir otros

tantos nuevos y comprender mejor otros tantos que no se tenían bien digeridos.

Por último, es de bueno mencionar que esta tarjeta puede tener mejoras en lo que

respecta a su desempeño práctico, pues se considera en un futuro, realizar un

puente completo, para que además de realizar el control de velocidad del motor,

también se tenga el control de giro, teniendo como base la tarjeta actual.


BIBLIOGRAFIA. - 78 -

6 BIBLIOGRAFIA.

Muhammad H. Rashid.

Electrónica de potencia. Circuitos dispositivos y aplicaciones.

Tercera edición, México Pearson Prentice Hall.

Thomas L. Floyd.

Dispositivos electrónicos.

Octava edición México Pearson Prentice Hall.

B. E. Taylor.

Power mosfet design.

Tercera edición, Inglaterra John Wiley & sons.

Joseph Vithayathil.

Power elerctronic.

Estados unidos de Norteamérica McGraw Hill.

INFRA.

Manual de conceptos básicos en soldadura y corte.

http://www.infra.com.mx/

Arturo Bastías.

Sistema MIG.

Apuntes por la universidad tecnológica metropolitana de chile.

http://www.elprisma.com/

instituto politÉcnico nacional...instituto politécnico nacional iii figura 3.16 imagen de la...

Documents