ARRANCADOR SUAVE PARA UN MOTOR DC

Resumen— El presente trabajo presenta el diseño e implementación de un arrancador suave para un motor DC de 150W utilizando como sistema de control un microcontrolador PIC 16f628, el sistema reduce los picos súbitos de energía generados durante el arranque del motor con lo cual se obtiene un ahorro en el consumo y se disminuye el desgaste del motor.

Palabras Claves: — motor DC, arrancador suave, electrónica de potencia, ciclo dúctil, circuitos eléctricos, PWM, microcontrolador PIC, leyes de Kirchhoff, Mosfet.

I. INTRODUCCION

N la industria es muy común encontrar motores de corriente directa DC, estos son muy utilizados en diversos procesos tanto del área de la automatización como en otros

sectores que los requieren. Estos son utilizados en muchas aplicaciones, de forma directa para generar movimiento rotacional o en otros requerimientos con la unión de diversos elementos mecánicos, en muchas ocasiones esto se hace para reemplazar tareas desarrolladas por humanos en los cuales es necesario el encendido y apagado de los motores en varias oportunidades o simplemente al dar inicio en cualquier ocasión que sea requerido, durante el arranque estos presentan picos altos de energía que se generan al momento de tener que romper la inercia del motor, esto ocurre al tratar de llegar inmediatamente al voltaje de operación requerido.

E

Con el fin de disminuir este consumo de energía producido por los picos durante el arranque se empezaron a implementar arrancadores suaves en la industria, estos atenúan el pico de energía y disminuyen el desgaste que estos producen en las bobinas del motor, con el avance de la tecnología también cambiaron los métodos por los cuales se pueden dar solución a los problemas, puede darse con la utilización de nuevos elementos generados o

simplemente dándole nueva aplicación a los elementos ya existentes, una de estas aplicaciones es la utilización de microcontroladores PIC para controlar sistemas de potencia por medio de programación que a través de pulsos se manipula la apertura y cierre de los ya conocidos interruptores de potencia como mosfet, BJT y demás.

II. OBJETIVOS

-Diseñar e implementar un sistema de control que atenúe los picos de energía durante el arranque de un motor DC.

-Disminuir el consumo de energía producido por los picos de energía durante el arranque de un motor DC.

III. PROCEDIMIENTO

1. Analizar el motor DC obteniendo el consumo generado por los picos durante el arranque.

2. Definir y diseñar un método de control que logre atenuar estos picos de energía.

3. Implementar el sistema de control diseñado.4. Analizar y comparar los resultados obtenidos

durante el arranque del motor DC, sin controlador y aplicando el controlador.

IV. DESARROLLO

Análisis del sistema sin control:

En el sistema se utiliza un motor DC conectado a 24v, al iniciar un arranque inmediato este presenta un impulso de energía que lleva a consumir 2.8 A de corriente, después de esto se estabiliza en su corriente nominal a este voltaje la cual es de 2.0 A, esto lo podemos observar en la Figura A. esta fue tomada del osciloscopio dispuesto en los laboratorios de la

Arrancador Suave Para un Motor DC

José Nereo Ávila Guerrero Cod: 1090440; Jesús Alirio Guevara Lidueñez Cod: 1090265; Osnaider Álvarez Álvarez Cod: 1090179 FACULTAD DE INGENERÍA

DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRÓNICA INGENIERIA ELECTROMECÁNICA

UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER

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universidad, se realizó nuevamente conectando una resistencia de 1Ω a 5W en serie con el motor, al tener una relación de 1 la variación del voltaje será la misma que de la corriente,.

Figura A. voltaje en resistencia de 1 Ohm conectada en serie con el motor

Sistema de control:

La realización del controlador se tenía para trabajar entre un controlador análogo y uno digital, al trabajar con un controlador análogo se tendría una retroalimentación a través de un encoder que se conectaría a el sistema antes del controlador con el cual se tendría una diferencia variable entre el voltaje del motor y el que se va generando a medida que aumentan sus revoluciones, esto se puede observar en la figura B.

Figura B. diagrama con control análogo.

El sistema de control se seleccionó teniendo en cuenta la necesidad del sistema que era atenuar los picos de energía que se generan durante el arranque de un motor DC, en este proyecto se decidió trabajar con un controlador PIC que se conecta en malla abierta en serie con el acople de potencia al motor, este diagrama se observa en la figura C.

Figura C. Diagrama aplicando sistema de control PIC.

EL arranque suave se logra a través de la variación del siclo dúctil en el voltaje que le llega al motor DC, este suicheo rápido es generado a través de un PWM que consiste en un elemento que produce una serie de aperturas y cierres en la conducción de su terminal, este siclo de conducción lo podemos observar en la figura D, esto se aprovecha conectándolo a través de un acoplamiento a la etapa de potencia, esta ira a un elemento semiconductor de potencia por el cual se conectara la respectiva carga.

La variación del ancho de pulso afecta el voltaje promedio que recibe el motor, a esto se le conoce como siclo dúctil, entre mayor sea el ancho de pulso de conducción mayor será el voltaje promedio, en el caso del requerimiento este ancho de pulso iniciara con un tiempo corto he ira aumentando hasta llegar a una conducción total en la cual el motor recibirá el total de la fuente DC.

Figura D: ancho de pulso de conducción con PWM

En este caso se escogió trabajar con un microcontrolador PIC 16F628 con el cual, a través de la lógica de programación, se creó un PWM interno el cual quedo diseñado para que variara el ciclo dúctil en el motor DC de forma automática en el momento que diera inicio el arranque de este, en la figura C podemos observar el esquema del microcontrolador, en él se ven los pines con sus respectivas indicaciones de polarización entradas y salidas.

Figura C: diagrama microcontrolador 16F628

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La conexión del PIC con sus respectivas resistencias de protección y cristal se puede observar en la figura E, se utilizó un cristal con una frecuencia de 2MHz.

Figura E

Programación:

La programación del PIC 16F628 se puede observar a continuación, esta se realizó utilizando el programa C compiler con el cual se programó directamente a través de una conexión por puerto USB a un quemador PIC.

Etapa de potencia:

La etapa de potencia está comprendida por la conexión de un mosfet IRF630 conectado en serie con el motor DC, este mosfet variara su conducción dependiendo de los pulsos que le llegan a la compuerta, por lo cual el voltaje promedio que le llega al motor también variará.

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El motor está conectado en serie a una fuente DC de 24V, estos a su vez están conectados entre los terminales fuente y drenaje del mosfet, como se observa en la figura F.

Figura F. Conexión de motor en serie con fuente DC a los terminales del Mosfet.

Montaje y comparación:

Al implementar el sistema completo se conectó un osciloscopio para observar la variación de voltaje en el motor, esto se realizó nuevamente conectando una resistencia de 1Ω a 5W en serie con el motor con lo cual se representa la corriente que fluye por él, esta variación con el controlador conectado se puede ver en la figura G.

Figura G. grafica voltaje en resistencia de 1 Ohm conectada en serie con el motor aplicando arrancador suave.

En comparación entre la conexión con y sin controlador se puede observar en la figura H, sin controlador se ve que presenta un pico alto de corriente antes de estabilizarse, con controlador se elimina este pico de corriente y el motor tarda 5 segundos en llegar al voltaje nominal de 24V, esto

minimiza el consumo de energía durante el arranque y disminuye el desgaste producido por este.

Figura H. comparación arranque de motor sin controlador y con controlador.

V. CONCLUSIONES

Al implementar el arrancador suave con PIC en el motor DC de 24 voltios disminuyó el pico de energía que se generaba durante el arranque.

Con la aplicación del arrancador suave implementado con control PIC, el motor tarda 6 segundos en estabilizarse en su voltaje y corriente nominal, esto debe tenerse en cuenta dependiendo del tipo de aplicación en la que se utilice.

VI. RECOMENDACIONES

Al aplicar un controlador con PIC se debe analizar con anterioridad el voltaje que necesita el motor para

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romper el torque, si el torque es muy alto se podría quemar el mosfet que se conecta a él ya que en un principio el motor estará frenado y circulara por el una corriente alta.

VII. BIBLIOGRAFIA

[1] Ing.MSc. Germán Enrique Gallego R “ELEMENTOS DE ELECTRONICA DE POTENCIA”. Departamento de Electricidad y Electrónica, Universidad Francisco de Paula Santander, 2013.

[2] Eduardo Garcia Breijo “Compilador C CCS y simulación PROTEUS para Microcontroladores PIC”, Alfaomega.