Diseño De Convertidor Boost Para Máquina Filamen

CONVERTIDOR CC-CC USADO PARA MÁQUINA FILAMEN
Diseño estado estable

Juan David Puerta Palacio

29 sep. 2012

Proceso Filamen

EL proceso de fabricación filamen, consiste en obtener piezas, con simetría axial, envolviendo hilos de fibras especiales impregnadas de resina, ver ilustración 1.

Ilustración [ 1 ] [1]
La constitución física del sistema, se esquematiza en la ilustración 2Ilustración [ 2 ] [1]
El proceso de ubicar el hilo en el cilindro, depende básicamente de la diferencia de dos velocidades; la del mandril y la del carro. Ver ilustración 3. Con estas se define el ángulo de enrollamiento α.

Ilustración [ 3 ] [1]

En la ilustración 3, podemos apreciar, además de α, las distancias b y s que caracterizan dicho proceso. h es la longitud total del tubo y Des su diámetro.
De aquí se obtiene;

tanα=Nm*π*D60 *Vc [1]

Donde;
Vc: Velocidad del carro (m/s)
Nm: Velocidad del mandril (RPM)
D: Diámetrol del mandril (m)

Problema.

En el proceso filamen, es fundamental mantener constante el ángulo de enrollamiento, este depende de la relación entre la velocidad angular del mandril y la velocidad lineal del carro.
La velocidad lineal del carroes proporcional a la velocidad angular del servomotor y esta es a su vez dependiente del voltaje de alimentación. Podemos controlar la misma usando un conversor electrónico de potencia y una estrategia de control, que permita mantener el ángulo frente a perturbaciones externas.
Una fuente importante de estas la representa las variaciones en la velocidad angular del mandril, por cuanto, este se vesometido a tensiones variables impuestas por la fibra, lo que implica torques que la alteran. Efectos externos y de fricción son también significativos.
En este primer informe, se resuelve el problema de diseño de un conversor en estado estable que cumpla con el requerimiento de alimentar el servomotor, de manera que puedan obtenerse ángulos de enrollamiento entre 56° y 70°.

Estrategia decontrol.

Ilustración 4 [1]
Ilustración 4 [1]


En ilustración 4 se presenta esquematicamente la estrategia de control propuesta. La velocidad del mandril es leida “on line” medinte encoder y según su valor y el ángulo de referencia, el sistema de control modifica la velocidad del carro (por medio del control de voltaje DC que alimenta el servomotor) de manera que el angulo se mantengaconstante.
Requerimientos técnicos del Sistema.

Este trabajo se basa en la revisión [1], de la cuál se obtienen los requerimientos técnicos que debe cumplir el diseño del conversor.
Datos básicos
Motor DC *:
Potencia: 5 hp (3.73 kW)
Voltaje de Campo: 300V
Voltaje armadura: 240 V
Velocidad nominal: 1750 RPM
Carro:
Desplazamiento: 0.005 m / vuelta
Longitud Total: 1020 mm
Torque carga: 2.2N*m aprox.
Mandril:
Velocidad: 10 rpm
Diámetro: 0.2m
Ángulo de enrollamiento:
Mínimo: 56°
Máximo: 70°
Fuente Principal:
Fuente DC de 30V

Datos tomados de la librería SimPowerSistem de Matlab - Simulink
Determinación de requerimientos

Lo primero que se debe considerar, es el rango de velocidades en los cuales debe operar el motor DC, afín de lograr imponer ángulos entre 56° y 70°.De las ecuaciones anteriores se deduce que:

Vc=Nm*D*πtanα*60

Pero Vc [m/s] se representa a su vez por;
Vc =( velocidad angular del motor DC en vueltas /s) * ( 0.005 m/vuelta)
Vc = v (vuelta/s)* 0.005 (m/vuelta)
De manera que;
v[vueltass]=Nm*D*πtanα*60*0.005
Y para transformar a rad/s, se multiplica la anterior por 2π
vrads=Nm*D*πtanα*60*0.005*2*π
Para hallar el rango develocidades en las que trabajará le motor DC, basta remplazar en las ecuaciones anteriores α, por 56° y 70° respectivamente.

v=10*0.2*πtan56°*60*0.005*2*π=88.76 rads=847.61 RPM

v=10*0.2*πtan70°*60*0.005*2*π=47.89rads 457.4 RPM
Se determinan ahora los voltajes en borne del motor DC. Que corresponden 847.61 y 457.4 RPM.
Para ello, se ha hecho uso de los datos de uno de los motores DC, disponibles en...