Maquinas de corriete alterna

7/25/2019 Maquinas de corriete alterna

1/7

Conciencia Tecnolgica

ISSN: 1405-5597

[email protected]

Instituto Tecnolgico de Aguascalientes

Mxico

Morones Alba, Jos Alejandro; Esparza Gonzlez, Mario Salvador; Daz de Len Gutirrez, Carlos

Gustavo; Romn Cuellar, Juan Carlos; Macias Bernal, Alejandro; Gutirrez Becker, Benjamn

Simulador de Pruebas Electromecnicas de la Mquina de Corriente Directa

Conciencia Tecnolgica, nm. 32, julio-diciembre, 2006, p. 0

Instituto Tecnolgico de Aguascalientes

Aguascalientes, Mxico

Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=94403205

Cmo citar el artculo

Nmero completo

Ms informacin del artculo

Pgina de la revista en redalyc.org

Sistema de Informacin Cientfica

Red de Revistas Cientficas de Amrica Latina, el Caribe, Espaa y Portugal

Proyecto acadmico sin fines de lucro, desarrollado bajo la iniciativa de acceso abierto
http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=94403205http://www.redalyc.org/comocitar.oa?id=94403205http://www.redalyc.org/fasciculo.oa?id=944&numero=8949http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=94403205http://www.redalyc.org/revista.oa?id=944http://www.redalyc.org/http://www.redalyc.org/revista.oa?id=944http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=94403205http://www.redalyc.org/fasciculo.oa?id=944&numero=8949http://www.redalyc.org/comocitar.oa?id=94403205http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=94403205http://www.redalyc.org/revista.oa?id=944


2/7

Simulador de Pruebas Electromecnicas de la Mquina de Corriente

DirectaInvestigacin

Jos Alejandro Morones Alba, Mario Salvador Esparza Gonzlez, Carlos Gustavo Daz de Len Gutirrez,Juan Carlos Romn Cuellar, Alejandro Macias Bernal, Benjamn Gutirrez Becker.

Departamento de Ingeniera Elctrica y Electrnica. Instituto Tecnolgico de AguascalientesAv. Lpez Mateos 1801 Ote. Fracc. Bona Gens. Aguascalientes, Ags., Mxico. Telfono: (449) 9105002, Fax:

(449) [email protected], [email protected],[email protected], [email protected],

[email protected], [email protected], [email protected].

Resumen

En este artculo se presenta un prototipo Simulador depruebas electromecnicas de la mquina de corrientedirecta para desarrollar pruebas automticas ysemiautomticas con el motor de cd (1. motor de cdcon excitacin derivada, 2. motor de cd con excitacinserie y 3. motor de cd con excitacin compuestaacumulativa). La prueba semiautomtica se puedeejecutar como se desee, es decir, se puede mantener latensin E constante y permitir que la velocidad n caigapor efecto de la carga lo que implica mantenerconstante la corriente de excitacin Ie se puedemantener E y hacer ajustes en Ie para mantener n

constante (prueba 1 y 3). En la prueba 2 se mantiene Econstante y n cae por efecto de la carga. En la pruebaautomtica el prototipo mantiene E constante, ajusta Iepara que el motor desarrolle la velocidad nominal y semantiene constante, la velocidad n cae por efecto de lacarga (prueba 1 y 3), en la prueba 2 se mantiene Econstante y n cae por efecto de la carga. Lascaractersticas del prototipo son: ejecuta la pruebaseleccionada en un tiempo corto, lo cual permiteutilizar el tiempo de laboratorio en el anlisis de datosa travs de la interpretacin de los resultados grficosde las variables seleccionadas.

Introduccin

Como base para este trabajo, se considera que losexperimentos de laboratorio sobre mquinas elctricastienen 3 objetivos de aprendizaje a cubrir: 1. Prueba, 2.Clculo y 3. Anlisis de datos.El primer objetivo se cubre realizando una serie depruebas de forma manual, mismas que por sunaturaleza llevan un tiempo relativamente grande conrespecto al tiempo total de laboratorio que se programapara una materia.Si se desea cubrir el segundo y tercer objetivo,normalmente se perder mucho tiempo de laboratorio

realizando las pruebas de manera manual. Por ello sepropone la construccin de un simulador para realizarlas pruebas de modo que se evite este tiempo y permitael anlisis de resultados de manera inmediata.El simulador es un dispositivo mecnicoelctricoelectrnico. An cuando se habla de un simulador, seest trabajando realmente con corrientes elctricas,voltajes, potencias, velocidades, etctera; es decir, nose trata de un simulador computacional.El simulador, adems de realizar la prueba, seencargar de tomar y grabar informacin en unacomputadora a travs de un mdulo de adquisicin dedatos. En la Figura 1 se muestra el diagrama a bloquesdel prototipo.

Figura 1 Diagrama a bloques del prototipo.

Las magnitudes elctricas disponibles en lacomputadora son corriente Im, voltaje E, velocidad n ypar . Una vez en la computadora, los datos sonprocesados para obtener a partir de ellos la potenciamecnica Pm, potencia elctrica Pe, prdidas,eficiencia y el % de regulacin de velocidad. Esteproceso y anlisis ser realizado por un software

programado especialmente para ello.Como puede intuirse el simulador es para usodidctico, ya que permite mantener en todo momentoel enfoque de la enseanza, sobre lo que es realmentesignificativo para lograr cada uno de los objetivos deaprendizaje de los experimentos de laboratorio.

Desarrollo

1. Hardware

La Figura 2 muestra la conexin del microcontrolador(C) PIC de la familia 18F452, el cual es conectado aun MAX232 para que los voltajes lgicos sean


3/7

convertidos a voltajes para comunicacin serial

(protocolo RS-232). Se opto aislar la seal del micro yla de la computadora para as evitar cualquier dao alpuerto de la computadora por transitorios en el sistemade potencia.

Figura 2. Conexin del microcontrolador 18F452 al MAX232Opto aislamiento de la computadora.

Para realizar cualquiera de las 3 pruebas, es necesarioconectar el equipo de manera diferente para lo cual sehace uso de relevadores, el C no puede alimentaraltas corrientes (como mximo 25mA por pin, cadarelevador consume alrededor de 50mA), por lo que seusa un buffer (ULN2803) que puede suministrar 1A decorriente, lo anterior se ilustra en la Figura 3.

Figura 3. Conexin del C al buffer.

Se necesitan 4 relevadores para poder hacer lasconexiones necesarias para las pruebas. La Figura 4muestra los relevadores que deben estar energizadospara cada una de las pruebas.

Mquina de corriente directa

RELE1

RELE2

RELE3

RELE4

DERIVACION ON OFF OFF ON

SERIE OFF ON ON ON

COMPUESTA ON ON ON ONFigura 4. Conexin de relevadores.

Todas las variables a medir (para graficar datos) van al

ADC. El C toma lecturas analgicas y las convierteen valores digitales, stos son enviados a lacomputadora para el anlisis de datos. Esto se ilustraen la Figura 5.

Figura 5. Bus de datos analgicos.

Medicin de variables:

El voltaje de la fuente se mide por medio de un divisorde voltaje. Cuando la fuente est entregando 120V(VT), el divisor de voltaje est entregando 5V (V i), quevan al ADC del C, despus de pasar por un seguidor,que har el acoplamiento de impedancias.

Vi= (R2Vt) / (R1+R2) (1)

Para una resistencia de R1 = 870 K, R2= 37.826 K.El modelo matemtico de un seguidor de voltaje

implica que Vi=Vo[1], por lo tanto cuando en la entradadel amplificador operacional haya 5V, en la salida setendr el mismo voltaje. Lo anterior se ilustra en laFigura 6.

Figura 6. Medicin de voltaje de la fuente de alimentacin.

La corriente del motor se mide a travs de unaresistencia de 1. Por ley de Ohm: V = RI por lo queV = I.Se agrega a la resistencia un seguidor y un arreglo RC(Figura 7) para filtrar la seal de salida del circuitoevitando falsas lecturas en el C. La expresin deganancia de un seguidor es: Vi = Vo.


4/7

Figura 7. Medicin de corriente del motor de corriente directa.

Para conocer el par de frenado, se utiliza la corrienteque fluye a travs del freno, aunque no es lineal esrepetitiva en sus valores de frenado.

Figura 8. Medicin del par de frenado.

El voltaje de alimentacin al freno es alterno, por loque es necesario rectificarlo y amplificarlo. Dichacorriente se hace pasar por una resistencia de 1para

convertirla en voltaje (Figura 8). Para medir lavelocidad se usa un convertidor de frecuencia a voltaje(lm2907), acoplando un disco perforado al motor deCC y con un sensor ptico (opto switch) para generarpulsos cuadrados (9 pulsos por revolucin). Esto semuestra en la Figura 9.

Figura 9. Medicin de velocidad.

El voltaje generado por el convertidor es:

Vo = VccRCFK (2)

Donde: Vcc voltaje de alimentacin

R resistencia externa del circuitoC capacitor externo del circuitoF frecuencia del sensorK constante, generalmente es 1

Los restatos de la fuente, del freno y de excitacinderivada del motor de corriente directa son controladospor un motor de corriente directa con un sistema detransmisin de baja potencia (12V, 200mA) cada uno.Para controlar estos motores se hace uso de puentes Hencapsulados (BA 6209) los cuales tienen la facilidadde controlar un motor de cd bidireccionalmente,(Figura 10).

Figura 10. Puente H para controlar de motores de bajaPotencia acoplados mecnicamente a los restatos.

Si se desea saber cuando es que alguno de estosmotores ha llegado a su posicin extrema (al momentode iniciar alguna de las pruebas) se lee la corriente encada uno de ellos. Esta corriente es amplificada ya quees pequea.

2. Software

La Figura 11 muestra la ventana de inicio del softwareque controla al equipo en su totalidad. sta consta dedos botones cuyas funciones son: Botn Conectar conequipo. El software se comunica a travs del puertoserie con la tarjeta de adquisicin de datos previamenteconectada a los mdulos y estos a su vez acoplados yconectados a la mquina de cd.


5/7

Figura 11. Ventana de inicio del software.

Botn Ver pruebas. Muestra la ventana en la cual sepresenta un men donde estn contenidas las trespruebas a desarrollar con el sistema (Figura 12 ).

Figura 12. Pruebas: Derivacin, Serie y Compuesta.

Los archivos Ver Documento estn en formato PDFy muestran la prueba que interesa desarrollar. Estedocumento muestra la metodologa a llevar a cabopara desarrollar el experimento manualmente. LaFigura 13 muestra la ventana principal de control.

Figura 13. Ventana principal de control.

En esta pantalla se encuentran los indicadores deprueba semiautomtica as como los indicadores deprueba automtica.Para la configuracin el puerto serial se debe colocar a1200 baudios y elegir el puerto serial a utilizar. Lascasillas restantes son asignadas por omisin enprograma.Para seleccionar los relevadores a encender, eloperador, al haber elegido la forma semiautomticatendr que seleccionar los relevadores quecorrespondan a la prueba que desee realizar.El cdigo de instrucciones enviadas al C son losdatos que manda el programa a cada una de losmdulos a encender segn sea la prueba.En la pantalla de recepcin de datos va serial semuestran todos los datos medidos (Im, E, n y ) ycalculados (Pm, Pe, prdidas, y %de regulacin develocidad).

Resultados

El comportamiento del motor de corriente directapuede ser determinado con el mtodo directo

registrando las caractersticas electromecnicas (curvasde par, de velocidad, de potencia de salida y de laeficiencia como funcin de la corriente absorbida) ylas caractersticas mecnicas (par como funcin de lavelocidad) aplicando carga al motor por medio de unfreno.Las cantidades elctricas y mecnicas de la mquina decd y el freno (electrodinammetro) se muestran en laFiguras 14 y 15 respectivamente.Se desarroll la prueba manual y utilizando elsimulador de pruebas se desarroll la prueba en modoautomtico para la mquina de cd con excitacinderivada, de ello se obtuvo la caracterstica mecnica y


6/7

las caractersticas electromecnicas. Los resultados se

muestran en las Figuras 16, 17, 18, 19 y 20.El prototipo inicializa el sistema de manera que:1) E=0V al inicio. El propsito es evitar la corriente dearranque, la tensin E se aplica gradualmente al motorhasta el valor nominal.2) La velocidad n sea la mnima. L3. El par inicial de frenado sea 0 (= 0).El prototipo mantiene E constante, ajusta Ie para que elmotor desarrolle la velocidad nominal y se mantieneconstante, la velocidad n cae por efecto de la carga.Obviamente la prueba manual se ejecuta usando elprocedimiento anterior.

Figura 14. Cantidades elctricas y mecnicas.

Figura 15. Cantidades elctricas y mecnicas.

Comportamiento manual y automtico:Caracterstica mecnica.La corriente en el motor es:

Im = Ia + Ie (3)

donde: Ia Corriente de armaduraIe Corriente de excitacin

Figura 16. vs n.

El voltaje de alimentacin E del motor es constante,tambin la corriente de excitacin Ie es constante, porlo que el es constante y por lo tanto el par esproporcional a la corriente de armadura Ia. El parresulta[2]:

= K Ia (4)

donde: K Constante de proporcionalidad Flujo magntico

Ya que en el arranque la CFEM (fuerzacontraelectromotriz) es nula, la corriente en elarranque es alta, con la velocidad incrementndosetenemos una CFEM incrementndose que hace que lacorriente se reduzca.

Ia= (E CFEM) / Ri (5)

donde: Ri Resistencia interna de armadura+resistencia de las escobillas

Cuando el motor opera en condiciones sin carga, lacorriente absobida es pequea (el par es pequeo) ypor lo tanto la velocidad puede ser expresada pormedio de la siguiente relacin:

n = CFEM / (K ) = (E RiIa) / (K ) E /(K ) (6)

Si el flujo disminuye la velocidad n incrementa, por

lo que se debe practicar el mayor cuidado para no abrirnunca el circuito de campo de un motor en derivacin,que est operndose sin carga.Por el contrario cuando el par de frenado incrementa,tambin la corriente absorbida incrementa y, comoconsecuencia, las cadas de voltaje dentro de lamquina se incrementan de manera que la velocidaddecrece, an si es de manera limitada.La caracterstica mecnica del motor tiene tendenciarecta, como se ilustra en la Figura 16.

Caractersticas electromecnicas.


7/7

La Figura 17 ilustra la caracterstica n vs Im, y muestra

una tendencia recta debido a que el par elproporcional a la corriente de armadura Ia = Im - Ie.La velocidad decrece debido a las cadas de voltaje porefecto de la carga.

Figura 17. n vs Im.

La Figura 18 ilustra la caracterstica vs Im, y muestraque el par es proporcional a la corriente Im.

Figura 18. vs Im.

La Figura 19 muestra la potencia mecnicadesarrollada por la mquina. La potencia mecnica es:

Pm = 0.011840475 (n) () (7)

donde: n velocidad (rom) par (lbfplg)

Figura 19. Pm vs Im.

La Figura 20 muestra la eficiencia de la mquina. La

eficiencia es:

= (Pm / Pe) 100 (8)

donde: Pe Potencia elctrica. Pe = E Im

Figura 20. vs Im.

En cualquier caso la mquina se somete a un 30% desobrecarga.

Conclusiones

El prototipo obtiene resultados de una manera rpida ysencilla, lo cual permite utilizar el tiempo delaboratorio en el anlisis de datos a travs de la

interpretacin de los resultados grficos de lasvariables seleccionadas. El tiempo de prueba manualpuede llegar a ser hasta de 1.5 horas, mientras que conel simulador se logr hacer la prueba automtica en 15minutos.

Referencias

[1] Robert F. Coughlin/Frederick F. DriscollCircuitos Integrados Lineales y

Amplificadores Operacionales. PrenticeHall, ISBN 0-13-637785-8

[2] DL 10280 Vol 1. Mquinas Elctricasrotantes. Laboratorio MICROLAB DELORENZO.

Maquinas de corriete alterna

Documents

Transcript of Maquinas de corriete alterna