ESCUELA POLITECNICA DEL EJÉRCITO

PROYECTO DE ELECTRONICA DE POTENCIA

TEMA: REGULACION DE VELOCIDAD DE UN MOTOR AC

INTEGRANTES:

MAURICIO ARIAS

MIGUEL MONTALVO

EDISON NARANJO

IVAN ORBE

DAVID TORRES

SANGOLQUI, DICIEMBRE 2010

1. Introducción

Los motores eléctricos son máquinas eléctricas rotatorias que transforman la energía eléctrica en energía mecánica.

Para poder generar el par, el motor debe ser alimentado desde la red de energía eléctrica.

Fig. 1: Flujo de Potencia en un motor

Debido a sus múltiples ventajas, entre las que cabe citar su economía, limpieza, comodidad y seguridad de funcionamiento, el motor eléctrico ha reemplazado en gran parte a otras fuentes de energía, tanto en la industria como en el transporte, las minas, el comercio, o el hogar.

Los motores eléctricos satisfacen una amplia gama de necesidades de servicio, desde arrancar, acelerar, mover, o frenar, hasta sostener y detener una carga. Estos motores se fabrican en potencias que varían desde una pequeña fracción de HP hasta varios miles, y con una amplia variedad de velocidades, que pueden ser fijas, ajustables o variables.

Un motor eléctrico contiene un número mucho más pequeño de piezas mecánicas que un motor de combustión interna o uno de una máquina de vapor, por lo que es menos propenso a los fallos. Los motores eléctricos son los más ágiles de todos en lo que respecta a variación de potencia y pueden pasar instantáneamente desde la posición de reposo a la de funcionamiento al máximo. Su tamaño es más reducido y pueden desarrollarse sistemas para manejar las ruedas desde un único motor, como en los automóviles.

2. Motor AC

Se denomina motor de corriente alterna a aquellos motores eléctricos que funcionan con corriente alterna

Podemos clasificarlos de varias maneras, por su velocidad de giro, por el tipo de rotor y por el número de fases de alimentación. Vamos a ello:

1. Por su velocidad de giro.

Asíncronos. Un motor se considera asíncrono cuando la velocidad del campo magnético generado por el estator supera a la velocidad de giro del rotor.

Síncronos. Un motor se considera síncrono cuando la velocidad del campo magnético del estator es igual a la velocidad de giro del rotor. Recordar que el rotor es la parte móvil del motor. Dentro de los motores síncronos, nos encontramos con una subclasificación:

o Motores síncronos trifásicos.o Motores asíncronos sincronizados.o Motores con un rotor de imán permanente.

2. Por el tipo de rotor.

Motores de anillos rozantes. Motores con colector. Motores de jaula de ardilla.

3. Velocidad del motor AC

Como en el rotor los polos son fijos y en estator la polaridad de los campos varía (está alimentado por corriente alterna), los polos fijos del rotor, siguen las variaciones de polaridad de los devanados del estator. Habrá efectos de atracción y repulsión de campos magnéticos que causará la rotación del rotor.

Como el voltaje de alimentación del estator es periódico, entonces el movimiento del rotor (rotación) sigue esta variación periódica del voltaje de alimentación y como consecuencia la velocidad de rotación es constante.

La velocidad del motor AC está dada por la fórmula:

60S

xfN

p=

Donde:

Ns = velocidad del motor en rpm (revoluciones por minuto) f = frecuencia de la alimentación en Hertz (Hz) p = número de pares de polos del motor.

Importante:

Mientras más polos tenga un motor, menor es su velocidad de rotación (ver la fórmula).

Si el rotor por tener una carga muy grande, no puede seguir las variaciones del estator, causará que el motor deje de girar.

La velocidad de giro del motor AC depende exclusivamente de la frecuencia del voltaje que alimenta el motor (ver la fórmula)

4. Variador de Velocidad

El Variador de Velocidad (VSD, por sus siglas en inglés Variable Speed Drive) es en un sentido amplio un dispositivo o conjunto de dispositivos mecánicos, hidráulicos, eléctricos o electrónicos empleados para controlar la velocidad giratoria de maquinaria, especialmente de motores

La maquinaria industrial generalmente es accionada a través de motores eléctricos, a velocidades constantes o variables, pero con valores precisos. No obstante, los motores eléctricos generalmente operan a velocidad constante o cuasi-constante, y con valores que dependen de la alimentación y de las características propias del motor, los cuales no se pueden modificar fácilmente.

Para lograr regular la velocidad de los motores, se emplea un controlador especial que recibe el nombre de variador de velocidad. Los variadores de velocidad se emplean en una amplia gama de aplicaciones industriales, como en ventiladores y equipo de aire acondicionado, equipo de bombeo, bandas y transportadores industriales, elevadores, llenadoras, tornos y fresadoras, etc.

Un variador de velocidad puede consistir en la combinación de un motor eléctrico y el controlador que se emplea para regular la velocidad del mismo. La combinación de un motor de velocidad constante y de un dispositivo mecánico que permita cambiar la velocidad de forma continua (sin ser un motor paso a paso) también puede ser designado como variador de velocidad.

Aplicaciones de los variadores en bombas y ventiladores.

4.1 Motivos para emplear variadores de velocidad.

El control de procesos y el ahorro de la energía son las dos de las principales razones para el empleo de variadores de velocidad. Históricamente, los variadores de velocidad fueron desarrollados originalmente para el control de

procesos, pero el ahorro energético ha surgido como un objetivo tan importante como el primero.

4.2 Velocidad como una forma de controlar un proceso

Entre las diversas ventajas en el control del proceso proporcionadas por el empleo de variadores de velocidad destacan:

• Operaciones más suaves.• Control de la aceleración.• Distintas velocidades de operación para cada fase del proceso.• Compensación de variables en procesos variables.• Permitir operaciones lentas para fines de ajuste o prueba.• Ajuste de la tasa de producción.• Permitir el posicionamiento de alta precisión.• Control del Par motor (torque).

4.3 Fomentar el ahorro de energía mediante el uso de variadores de velocidad

Un equipo accionado mediante un variador de velocidad emplea generalmente menor energía que si dicho equipo fuera activado a una velocidad fija constante. Los ventiladores y bombas representan las aplicaciones más llamativas. Por ejemplo, cuando una bomba es impulsada por un motor que opera a velocidad fija, el flujo producido puede ser mayor al necesario.

Para ello, el flujo podría regularse mediante una válvula de control dejando estable la velocidad de la bomba, pero resulta mucho más eficiente regular dicho flujo controlando la velocidad del motor, en lugar de restringirlo por medio de la válvula, ya que el motor no tendrá que consumir una energía no aprovechada...

4.4 Variadores de velocidad eléctrico-electrónicos

Los variadores eléctrico-electrónicos incluyen tanto el controlador como el motor eléctrico, sin embargo es práctica común emplear el término variador únicamente al controlador eléctrico.

Los primeros variadores de esta categoría emplearon la tecnología de los tubos de vacío. Con los años después se han ido incorporando dispositivos de estado sólido, lo cual ha reducido significativamente el volumen y costo, mejorando la eficiencia y confiabilidad de los dispositivos.

4.5 Variadores para motores de CA

Los variadores de frecuencia (siglas AFD ,del inglés Adjustable Frecuency Drive; o bien VFD Variable Frecuency Drive) permiten controlar la velocidad tanto de motores de inducción (asíncronos de jaula de ardilla o de rotor devanado), como de los motores síncronos mediante el ajuste de la frecuencia de alimentación al motor.

Para el caso de un motor síncrono, la velocidad se determina mediante la siguiente expresión:

(1)

Cuando se trata de motores de inducción, se tiene:

(2)

donde:Ns = velocidad síncrona (rpm)Nm = velocidad mecánica (rpm)f = frecuencia de alimentación (Hz)s = deslizamiento (adimensional)P = número de polos.

Como puede verse en las expresiones (1) y (2), la frecuencia y la velocidad son directamente proporcionales, de tal manera que al aumentar la frecuencia de alimentación al motor, se incrementará la velocidad de la flecha, y al reducir el valor de la frecuencia disminuirá la velocidad del eje. Por ello es que este tipo de variadores manipula la frecuencia de alimentación al motor a fin de obtener el control de la velocidad de la máquina

Estos variadores mantienen la razón Voltaje/ Frecuencia (V/Hz) constante entre los valores mínimo y máximos de la frecuencia de operación, con la finalidad de evitar la saturación magnética del núcleo del motor y además porque el hecho de operar el motor a un voltaje constante por encima de una frecuencia dada (reduciendo la relación V/Hz) disminuye el par del motor y la capacidad del mismo para proporcionar potencia constante de salida.

5. DIACS (Diode Alternative Current)

El DIAC es un dispositivo semiconductor de disparo bidireccional, es un dispositivo de disparado por tensión.

El DIAC es especialmente diseñado para disparar TRIACs y Tiristores para hacer el control de potencia en corriente alterna (AC).

Sus principales características son:• Tensión de disparo

• Corriente de disparo

• Tensión de simetría.

• Tensión de recuperación

• Disipación de potencia (Los DIACs se fabrican con capacidad de disipar potencia de 0.5 a 1 watt.)

5.1 Conducción del DIAC

El DIAC normalmente no conduce, sino que tiene una pequeña corriente de fuga, este se comporta como dos diodos zener conectados en serie, pero orientados en formas opuesta.

La conducción se da cuando

• Se ha superado el valor de tensión del zener que está conectado en sentido opuesto

• y mientras la corriente circulante no sea inferior al valor característico para ese dispositivo.

El comportamiento es fundamentalmente el mismo para ambas direcciones de la corriente.

5.2 Funcionamiento del DIAC

La mayoría de los DIAC tienen una tensión de disparo de alrededor de 30 V. La conducción aparece cuando la tensión de disparo se alcanza. la tensión en el DIAC se reduce y entra en conducción dejando pasar la corriente necesaria para el disparo del SCR o TRIAC.

Se utiliza principalmente en aplicaciones de control de potencia mediante control de fase.

La curva característica del DIAC se muestra a continuación

En la curva característica se observa que cuando

• +V o - V es menor que la tensión de disparo, el DIAC se comporta como un circuito abierto.

• +V o - V es mayor que la tensión de disparo, el DIAC se comporta como un cortocircuito.

6. TRIAC

6.1 DEFINICIÓN..

El TRIAC (Triode for Alternative Current) es un dispositivo semiconductor de tres terminales que se usa para controlar el flujo de corriente promedio a una carga, con la particularidad de que conduce en ambos sentidos y puede ser bloqueado por inversión de la tensión o al disminuir la corriente por debajo del valor de mantenimiento. El TRIAC puede ser disparado independientemente de la polarización de puerta, es decir, mediante una corriente de puerta positiva o negativa.

Símbolo del TRIAC.

En la Figura se muestra el símbolo esquemático e identificación de las terminales de un triac, la nomenclatura Ánodo 2 (A2) y Ánodo 1 (A1) pueden ser reemplazados por Terminal Principal 2 (T2) y Terminal Principal 1 (T1) respectivamente.

6.2 ESTRUCTURA.

Figura 3 : Estructura básica del TRIAC.

La estructura contiene seis capas como se indica en la Figura 3, aunque funciona siempre como un tiristor de cuatro capas. En sentido T2-T1 conduce a través de P1N1P2N2 y en sentido T1-T2 a través de P2N1P1N4. La capa N3 facilita el disparo con intensidad de puerta negativa. La complicación de su estructura lo hace más delicado que un tiristor en cuanto a di/dt y dv/dt y capacidad para soportar sobre intensidades. Se fabrican para intensidades de algunos amperios hasta unos 200 (A) eficaces y desde 400 a 1000 (V) de tensión de pico repetitivo. Los TRIAC son fabricados para funcionar a frecuencias bajas; los fabricados para trabajar a frecuencias medias son denominados alternistores. El TRIAC actúa como dos rectificadores controlados de silicio (SCR) en paralelo Figura 3, este dispositivo es equivalente a dos "latchs"( transistores conectados con realimentación positiva, donde la señal de retorno aumenta el efecto de la señal de entrada).

Figura 3.

La diferencia más importante que se encuentra entre el funcionamiento de un triac y el de dos tiristores es que en este último caso cada uno de los dispositivos conducirá durante medio ciclo si se le dispara adecuadamente, bloqueándose cuando la corriente cambia de polaridad, dando como resultado una conducción completa de la corriente alterna. El TRIAC, sin embargo, se bloquea durante el breve instante en que la corriente de carga pasa por el valor cero, hasta que se alcanza el valor mínimo de tensión entre T2 y T1, para volver de nuevo a conducir, suponiendo que la excitación de la puerta sea la adecuada.

Esto implica la perdida de un pequeño ángulo de conducción, que en el caso de cargas resistivas, en las que la corriente esta en fase con la tensión, no supone ningún problema. En el caso de cargas reactivas se debe tener en cuenta, en el diseño del circuito, que en el momento en que la corriente pasa por cero no coincide con la misma situación de la tensión aplicada, apareciendo en este momento unos impulsos de tensión entre los dos terminales del componente.

6.3 MÉTODOS DE DISPARO.

Como hemos dicho, el TRIAC posee dos ánodos denominados ( MT1 y MT2) y una compuerta G. La polaridad de la compuerta G y la polaridad del ánodo 2, se miden con respecto al ánodo 1.

El triac puede ser disparado en cualquiera de los dos cuadrantes I y III mediante la aplicación entre los terminales de compuerta G y MT1 de un impulso positivo o negativo. Esto le da una facilidad de empleo grande y simplifica mucho el circuito de disparo. Veamos cuáles son los fenómenos internos que tienen lugar en los cuatro modos posibles de disparo.

6.3.1 El primer modo del primer cuadrante designado por I (+), es aquel en que la tensión del ánodo MT2 y la tensión de la compuerta son positivas con respecto al ánodo MT1 y este es el modo más común (Intensidad de compuerta entrante).

La corriente de compuerta circula internamente hasta MT1, en parte por la unión P2N2 y en parte a través de la zona P2. Se produce la natural inyección de electrones de N2 a P2, que es favorecida en el área próxima a la compuerta por la caída de tensión que produce en P2 la circulación lateral de corriente de compuerta.

Esta caída de tensión se simboliza en la figura por signos + y -. Parte de los electrones inyectados alcanzan por difusión la unión P2N1 que bloquea el potencial exterior y son acelerados por ella iniciándose la conducción.

6.3.2 Segundo modo, del tercer cuadrante, y designado por III(-) es aquel en que la tensión del ánodo MT2 y la tensión de la compuerta son negativos con respecto al ánodo MT1 (Intensidad de compuerta saliente).Se dispara por el procedimiento de puerta remota, conduciendo las capas P2N1P1N4. La capa N3 inyecta electrones en P2 que hacen más conductora la unión P2N1. La tensión positiva de T1 polariza el área próxima de la unión P2N1 más positivamente que la próxima a la puerta. Esta polarización inyecta huecos de P2 a N1 que alcanzan en parte la unión N1P1 y la hacen pasar a conducción.

6.3.3 El tercer modo del cuarto cuadrante, y designado por I(-) es aquel en que la tensión del ánodo MT2 es positiva con respecto al ánodo MT1 y la tensión de disparo de la compuerta es negativa con respecto al ánodo MT1( Intensidad de compuerta saliente).

El disparo es similar al de los tiristores de puerta de unión. Inicialmente conduce la estructura auxiliar P1N1P2N3 y luego la principal P1N1P2N2. El disparo de la primera se produce como en un tiristor normal actuando T1 de puerta y P de cátodo. Toda la estructura auxiliar se pone a la tensión positiva de T2 y polariza fuertemente la unión P2N2 que inyecta electrones hacia el área de potencial positivo. La unión P2N1 de la estructura principal, que soporta la tensión exterior, es invadida por electrones en la vecindad de la estructura auxiliar, entrando en conducción.

6.3.4 El cuarto modo del Segundo cuadrante y designado por III(+) es aquel en que la

tensión del ánodo T2 es negativa con respecto al ánodo MT1, y la tensión de disparo de la compuerta es positiva con respecto al ánodo MT1(Intensidad de compuerta entrante). El disparo tiene lugar por el procedimiento llamado de puerta remota. Entra en conducción la estructura P2N1P1N4.

La inyección de N2 a P2 es igual a la descrita en el modo I(+). Los que alcanzan por difusión la unión P2N1 son absorbido por su potencial de unión, haciéndose más conductora. El potencial positivo de puerta polariza más positivamente el área de unión P2N1 próxima a ella que la próxima a T1, provocándose una inyección de huecos desde P2 a N1 que alcanza en parte la unión N1P1 encargada de bloquear la tensión exterior y se produce la entrada en conducción.

6.4 CARACTERÍSTICAS GENERALES

La versatibilidad del TRIAC y la simplicidad de su uso le hace ideal para una amplia variedad de aplicaciones relacionadas con el control de corrientes alternas. Una de ellas es su utilización como interruptor estático ofreciendo muchas ventajas sobre los interruptores mecánicos convencionales, que requieren siempre el movimiento de un contacto, siendo la principal la que se obtiene como consecuencia de que el TRIAC siempre se dispara cada medio ciclo cuando la corriente pasa por cero, con lo que se evitan los arcos y sobre tensiones derivadas de la conmutación de cargas inductivas que almacenan una determinada energía durante su funcionamiento.

Resumiendo, algunas características de los TRIACS:

• El TRIAC conmuta del modo de corte al modo de conducción cuando se inyecta corriente a la compuerta. Después del disparo la compuerta no posee control sobre el estado del TRIAC. Para apagar el TRIAC la corriente anódica debe reducirse por debajo del valor de la corriente de retención Ih.

• La corriente y la tensión de encendido disminuyen con el aumento de temperatura y con el aumento de la tensión de bloqueo.

• La aplicación de los TRIACS, a diferencia de los Tiristores, se encuentra básicamente en corriente alterna. Su curva característica refleja un funcionamiento muy parecido al del tiristor apareciendo en el primer y tercer cuadrante del sistema de ejes. Esto es debido a su bidireccionalidad.

• La principal utilidad de los TRIACS es como regulador de potencia entregada a una carga, en corriente alterna.

7. Dimmer

Un dimmer es un circuito que permite controlar la potencia de alimentación de una carga resistiva alimentada con corriente alterna. En pocas palabras la idea del circuito es poder regular el voltaje, el circuito es simple el potenciómetro varía el voltaje, el diac permite la oscilación de la onda de 60Hz o 50 Hz con el triac.

7.1 Funcionamiento

El principio de funcionamiento, se basa en el control de potencia que se logra variando el ángulo de conducción de un Triac, de 30º a 160º.

7.2 Componentes

Triac Para la regulación del Voltaje administrado

Potenciómetro Regular el ángulo de disparo

Resistencias y Capacitores Fitros que estabilizan el comportamiento del Triac

Diac Se usa para disparar el triac

7.3 Clasificación

Se los clasifica dependiendo de cómo se configuran

Rotativos Con una perilla que al girar cambia el ángulo de disparo del Triac y con esto la Potencia.

Deslizante Con un control deslizante que regula el ángulo de disparo del Triac

Pulsante Con botones que si se los oprime aumenta o disminuye el ángulo de disparo el Triac.

7.4 Otros Usos

7.4.1 Atenuador de Luz. Los dimmer son dispositivos usados para regular el brillo de la luz. Disminuyendo el voltaje RMS es posible variar la intensidad de la luz, siempre y cuando las propiedades de esta lo permitan (fundamentalmente se usa para bombillas de filamento convencionales). Se lo usa principalmente por ahorro de luz y aumento de la vida útil de las lámparas

Se utiliza la tecnología triac ya que es la más simple y económica tiene sus desventajas sufre de histéresis es decir su punto de encendido y apagado no es el mismo.

8. APLICACIÓN

En este punto se describirá el circuito que se va a implementar para controlar la velocidad de un motor AC

Muchos de los circuitos reguladores de potencia tienen un punto de encendido y apagado que no coincide (a este fenómeno se le llama histéresis), y es común en los TRIACS.

Para corregir este defecto se ha incluido en el circuito los resistores R1, R2 y C1. El conjunto resistor R3 y capacitor C3 se utiliza para filtrar picos transitorios de alto voltaje que pudieran aparecer.

El conjunto de elementos P (potenciómetro) y C2 son los mínimos necesarios para que el triac sea disparado.

El triac controla el paso de la corriente alterna a la carga conmutando entre los estados de conducción (pasa corriente) y corte (no pasa corriente) durante los semiciclos negativos y positivos de la señal de alimentación (110/220 VAC), la señal de corriente alterna que viene por el tomacorrientes de nuestras casas.

El triac se dispara cuando el voltaje entre el capacitor y el potenciómetro (conectado a la compuerta del TRIAC) sea el adecuado. Hay que aclarar que el capacitor en un circuito de corriente alterna (como éste) tiene su voltaje atrasado con respecto a la señal original.

Cambiando el valor del potenciómetro, se modifica la razón de carga del capacitor, el atraso que tiene y por ende el desfase con la señal alterna original. Esto permite que se pueda tener control sobre la cantidad de corriente que pasa a la carga y así la potencia que en ésta, se va a consumir.

8.1 Lista de componentes:

• Resistores: 2 de 47 KΩ (kilohmios), 1 de 100Ω (ohmios), 1 potenciómetro de 100KΩ (1KΩ = 1 Kilohmio)

• Capacitores: 3 de 0.1 uF, (uF = microfaradios)• TRIAC (depende de la carga, uno de 2 amperios para aplicaciones comunes

como este dimmer).• 1 enchufe para la carga: de uso general, (110/220 Voltios)• 1 motor AC

9. Costos

Especie Cantidad

V. Unitario V.Total

Triac BT139 1 0.80 0.80Resistencias 47kΩ 2 0.05 0.10Resistencias 100 Ω 1 0.05 0.05Capacitores 0.1 μF 50 V 2 0.05 0.10Capacitores de 0.1 uF 250 V 1 0.05 0.05Potenciometro de 100 kΩ 1 0.25 0.25Ruteado de Placa 1 6 6Soldadura de Materiales 1 6 6

Total 12.45

Nota: En estos costos no se consideró la toma de corriente debido a que ya se la implementó y el motor AC.

10. Conclusiones

• El costo de la implementación del circuito Dimmer es accesible ya que no se requiere elementos electrónicos muy complejos y de alto precio,

• Una alternativa del presente circuito para el control de velocidad, seria un variador de frecuencia pero su implementación sería muy costosa.

11. Bibliografía• www.nichese.com/ motor .html • http//:cir_dimmer_cntrl_motor.asp.htm