Mayor eficiencia en aplicaciones de accionamiento por motor | Revista Española de Electrónica
martes , agosto 21 2018
Home / Artículos / Mayor eficiencia en aplicaciones de accionamiento por motor

Mayor eficiencia en aplicaciones de accionamiento por motor

Los motores eléctricos consumen aproximadamente la mitad de la electricidad que se produce en el mundo y no es difícil saber el porqué. Proporcionan la fuerza motriz para muchas de nuestras actividades diarias, tanto esenciales como no esenciales: motores, bombas y ventiladores se encuentran cada vez en más productos, desde los pequeños artículos de consumo hasta la gran maquinaria industrial. Con una base consolidada en las aplicaciones actuales, su número va a crecer inexorablemente, mientras que la aparición de nuevas aplicaciones como los vehículos eléctricos (con o sin conductor) significa que habrá muchos más motores en funcionamiento en los próximos años. La eficiencia en la conversión de la energía siempre ha sido importante y en los motores eléctricos se dan dos conversiones: una primera para crear la electricidad que acciona el motor y otra para convertir la electricidad en fuerza motriz. No es sorprendente pues, que la ineficiencia de los motores eléctricos sea una de las máximas prioridades para los consumidores, la industria, e incluso los gobiernos.

La legislación impulsa la innovación

La eficiencia energética ha sido siempre un aspecto importante del desarrollo de productos: compensar la ineficiencia cuesta dinero, ya que hay que eliminar el calor no deseado suministrando más energía de la estrictamente necesaria o añadiendo más materiales. Sin embargo, en las últimas décadas, la necesidad de productos más eficientes, en concreto de productos relacionados con la energía, ha dado lugar a nuevas normativas. Por ejemplo, cualquier producto relacionado con la energía que reúna determinados criterios y se vaya a vender en la Unión Europea, debe cumplir ahora las leyes basadas en la Directiva 2009/125/ CE. Se incluyen aquí productos cuyas ventas superen las 200.000 unidades anuales, tengan un importante impacto medioambiental y presenten un amplio margen de mejora. Dejando a un lado la legislación, está claro que la eficiencia comienza en el diseño y, en el caso de los motores de CC, en la selección del motor.

El tipo de motor de CC más utilizado en la actualidad sigue siendo el motor de CC con escobillas, aunque por la clase de aplicaciones que están apareciendo en los últimos tiempos, el número de motores de CC sin escobillas (BLDC) está aumentando considerablemente. El tercer tipo de motor de CC que más se usa es el motor paso a paso, que está muy relacionado con el BLDC, pero se limita a aplicaciones con necesidades más específicas (como los servosistemas). Quizás el diseño de motor más extendido sea el motor de inducción de CA, mientras que el motor síncrono de imán permanente (PMSM) podría considerarse un futuro sustituto. La eficiencia en el diseño del motor de inducción de CA tiene que ver en gran medida con la aplicación de la corrección del factor de potencia (PFC), que puede mejorar significativamente el rendimiento en aplicaciones típicas tales como equipos de HVAC, electrodomésticos y aplicaciones industriales. En aplicaciones de velocidad fija, el accionamiento de un motor de inducción de CA es relativamente sencillo, ya que la velocidad está directamente relacionada con la frecuencia de la tensión de accionamiento. Para aplicaciones de velocidad y/o par variable, un PMSM puede ser más adecuado. Sin embargo, aunque sea más eficientes que un motor de inducción de CA, accionar un PMSM conlleva una mayor complejidad.

Control de señales digitales

El control del motor permite aumentar la eficiencia en la fase de diseño. Comprender los requisitos del controlador para cada tipo de motor y el estilo de motor más adecuado para una aplicación determinada puede ayudar a conseguir mayor eficiencia en cada situación. Dicho de otra forma; un motor consta de tres partes: la parte que se mueve (normalmente gira, pero también existen motores lineales); la parte fija y la parte que genera el campo electromagnético. Tradicionalmente, estas partes se denominan rotor, estátor y conmutador respectivamente, aunque sus nombres y funciones pueden variar, lo que aumenta la confusión existente.

En un motor de CC con escobillas, las bobinas se activan para crear una fuerza electromagnética que hace que el rotor se mueva. Las escobillas se utilizan para proporcionar la tensión y la corriente a las bobinas a través del conmutador. A medida que el motor gira, las escobillas cierran y cortan el circuito constantemente, lo que se traduce en dos inconvenientes: ruido eléctrico y desgaste mecánico. Sin embargo, siguen siendo populares por su bajo coste y la sencillez relativa de su circuito de accionamiento; la velocidad se controla mediante la tensión aplicada, mientras que el par se controla con la corriente. Los modernos microcontroladores (MCU) son idóneos para proporcionar el nivel de rendimiento y funcionalidad computacional necesarios para desarrollar bucles de control muy eficientes para motores de CA y CC.

Muchos MCU admiten capacidades de proceso de señales, por lo que pueden procesar algoritmos complejos en tiempo real usando datos de posicionamiento directos o derivados. Esto es importante, ya que un número creciente de aplicaciones intentan evitar que los sensores tengan que dar información de posicionamiento. Gracias a algunas técnicas como la medición de la fuerza contraelectromotriz, los circuitos pueden determinar la posición del rotor sin necesidad de sensores, ahorrando costes y complejidad y mejorando aún más la eficiencia relativa. Aunque muchos MCU siguen siendo de uso general y adecuado para numerosas aplicaciones, cada vez hay más dispositivos especializados en el mercado de accionamientos de motor que ofrecen mayores niveles de integración. Por ejemplo, dispositivos que combinan la corrección del factor de potencia con generación PWM en un mismo dispositivo. También hay muchos MCU con periféricos desarrollados específicamente para aplicaciones de accionamiento de motor. Esta complejidad es cada vez más terreno para los controladores de señales digitales (DSC) para aplicaciones; se trata de un nuevo tipo de dispositivo que combina la funcionalidad de un procesador de señales digitales con la flexibilidad de un MCU de uso general en el mismo dispositivo. Un ejemplo es la PIC32MM0064GPL, una familia de microcontroladores pensada específicamente para aplicaciones de control de motores de bajo coste. Basada en un núcleo MIPS32 microAptiv UC, integra periféricos independientes del núcleo e incluye el módulo múltiple Captura/Comparación/PWM (MCCP), que es perfecto para los requisitos de accionamiento de motor y control. La figura 1 muestra un diagrama de bloque conceptual del módulo MCCP tal como se presenta en la PIC32MM0064GPL.

Controladores dedicados

Con un motor BLDC, el accionamiento es más complicado. En lugar de escobillas, se utilizan transistores para cerrar y cortar el circuito de activación de las bobinas, mientras que la velocidad y el par se controlan a través de la relación/duración de activación/desactivación de los transistores de accionamiento. Normalmente adquiere la forma de una señal de modulación por ancho de impulsos (PWM) utilizada para accionar las bobinas. Esto se complica aún más por el uso de motores mono, bi, y trifásicos, que proporcionan un movimiento de rotación cada vez más suave a medida que se incrementa el número de fases (y, por tanto, de señales PWM) en cada caso. Ahora hay muchos dispositivos integrados que proporcionan la fase de accionamiento para motores BLDC, PMSM y motores paso a paso. Suelen formar parte de los controladores de puerta necesarios para accionar los MOSFET de potencia exterior utilizados para excitar hasta tres fases de un motor.

Un buen ejemplo de este tipo de dispositivo es el STK- 5C4U332J-E de On Semiconductor; un módulo de potencia inteligente para accionamiento de motores trifásicos adecuado para impulsar motores PMSM, BLDC y síncronos de CA. En la figura 2 se muestra un diagrama de bloque funcional del dispositivo. La elección de los MOSFET adecuados puede tener un impacto significativo en la eficiencia. Como en la mayoría de aplicaciones, los transistores con una menor resistencia de carga son la mejor solución y en circuitos de accionamiento de motor esto normalmente prescribiría el uso de un MOSFET de canal N, ya que ofrecen una RDS(on) inferior a los MOSFET de canal P para una superficie determinada. Sin embargo, es importante tener en cuenta que un MOSFET más grande necesita una mayor carga de puerta para activarse. Esta carga requiere un tiempo para formarse y disiparse, lo que puede afectar significativamente a la velocidad de funcionamiento del motor y, por tanto, a la eficiencia global de una aplicación. Otro parámetro que puede influir en la frecuencia de conmutación máxima es la capacitancia de interconexión entre el drenador y la puerta. RS dispone de una amplia gama de MOSFET de potencia adecuada desarrollados para aplicaciones de control de motores. Por ejemplo, el StrongIRFET Power MOSFET de Infineon, optimizado para RDS(on) bajas y alta capacidad de corriente.

Siguientes pasos

El desarrollo de una aplicación para control de motor puede ser todo un reto, pero RS ayuda a conseguirlo con su amplia gama de kits de desarrollo, como el kit para aplicaciones de control de motor 300W BLDC de Infineon, la placa de expansión para controlador de motor trifásico BLDC para la familia STM32 Nucleo de STMicroelectronics, e incluso el Arduino Motor Shield que además es compatible con TinkerKit. Para desarrolladores centrados en aplicaciones de mecatrónica, el kit de demostración de mecatrónica PICDEM de Microchip ofrece un entorno exhaustivo de desarrollo que incluye un motor paso a paso y un BLDC integrados.

Conclusión

Resulta sorprendente que casi la mitad de la electricidad generada en la actualidad se utilice para accionar motores. Esta tendencia va a continuar, tanto en términos absolutos como relativos, ya que el número de aplicaciones que utilizan motores eléctricos no para de crecer. La eficiencia en la conversión de energía es el eterno objetivo; las leyes de la termodinámica pueden impedir una conversión sin pérdidas, pero cada pequeña mejora porcentual en eficiencia representa un gran ahorro de energía. Los factores medioambientales son una importante motivación a la hora de producir motores eléctricos cada vez más eficientes, y los gobiernos implantan medidas legislativas para asegurarse de que los fabricantes respeten la necesidad de una mayor eficiencia, por lo que podemos esperar que los proveedores de semiconductores estén a la altura y continúen desarrollando soluciones que aporten mejoras. Para más información sobre aplicaciones de accionamiento y control de motores, visite la página especializada en el sitio web de RS.

[bar id=1088]

Deja un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *

Este sitio usa Akismet para reducir el spam. Aprende cómo se procesan los datos de tus comentarios.



Podría interesarte

¿Tiene un buen osciloscopio?

¿Puede confiar en lo que aparece en la pantalla de su osciloscopio y en las …

Este sitio web utiliza cookies para que usted tenga la mejor experiencia de usuario. Si continúa navegando está dando su consentimiento para la aceptación de las mencionadas cookies y la aceptación de nuestra política de cookies, pinche el enlace para mayor información.

ACEPTAR
Aviso de cookies