ENERGY SAVER DIGITAL CONTROL OF A SINGLE PHASE INDUCTION MOTOR USING A DSP

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1 Recibido: 22 de enero de 2011 Acepado: 10 de marzo de 2011 ENERGY SAVER DIGITAL CONTROL OF A SINGLE PHASE INDUCTION MOTOR USING A DSP CONTROL DIGITAL BASADO EN DSP PARA UN MOTOR DE INDUCCIÓN MONOFÁSICO AHORRADOR DE ENERGÍA PhD. Omar Pinzón Ardila, Esp. Mario Iván Useche Gamboa Esp. Jorge Iván Díaz Marínez Universidad Ponificia Bolivariana, Escuela de Ingeniería Elecrónica Bucaramanga, Sanander, Colombia. Tel.: , Ex omar.pinzon@upb.edu.co, mario.gamboa@correo.upbbga.edu.co Absrac: This paper focuses on he sudy of differen conrol echniques applied o oher single phase inducion for opimal performance and reduce levels of disurbance caused by hese machines in indusry or home. This work implemens he conrol of a single phase moor speed inducion by wo ypes of conrols: he firs called conrol volage / frequency and he second conrol called proporional and inegral (PI). The sysem conroller implemened wih a DSP 56F8322, which is developed low level programming and running modules display of speed and conrol parameers. Keywords: SPWM modulaion, single phase moor, moor conrol, swich module power. Resumen: El presene arículo se cenra en el esudio de las diferenes écnicas de conrol aplicadas a moores monofásicos de inducción para obener un ópimo desempeño y reducir los niveles de perurbaciones ocasionados por esas máquinas en la indusria o el hogar. En ese rabajo se implemena el conrol de velocidad de un moor monofásico de inducción mediane dos ipos de conroles: el primer conrol denominado ensión/frecuencia y el segundo conrol denominado proporcional e inegral (PI). El conrolador del sisema se implemena con un DSP 56F8322, donde se desarrolla la programación en bajo nivel y se ejecuan los módulos de visualización de velocidad y los parámeros de conrol. Palabras clave: Modulación SPWM, moor monofásico, conrol de moores, módulo de conmuación de poencia. 1. INTRODUCCIÓN Los principios de funcionamieno de los inversores al igual que los disposiivos elecrónicos de poencia se basan en la conmuación generando disorsiones armónicas y perurbaciones en la onda fundamenal de la red elécrica. Por lo anerior, es necesario miigar y conrolar ese ipo de fenómenos para conseguir un mejor suminisro elécrico y un ahorro de energía. Buscando aplicar ecnologías de puna, en ese rabajo se planea diseñar un conrol digial uilizando un DSP para conrolar la velocidad de moores monofásicos de inducción con el fin de enconrar un funcionamieno más eficiene y ener la posibilidad de probar las diferenes écnicas de conrol de velocidad del sisema. 7

2 2. METODOLOGÍA En el esudio de los conroles de moores monofásicos el modelo es mulivariable, no lineal y con un efeco de acoplamieno inerno. Dado que el análisis de esabilidad es complejo, se requiere uilizar la simulación por compuador para comprobar el desempeño de un nuevo sisema de conrol. Una vez que la esrucura y los parámeros del sisema se deerminan mediane simulación se puede implemenar un prooipo. El sisema se puede modelar linealizando el sisema en un puno de operación esable para una perurbación de pequeña señal, obeniéndose la función de ransferencia del modelo enrada-salida. Con ese modelo se consigue una función de rasferencia donde se puede uilizar la eoría clásica de conrol de conrol clásico. Dado que el sisema es no lineal, los polos, ceros, y ganancia de la función de ransferencia variaran conforme cambia el puno de operación del sisema. Lo anerior se supera diseñando los parámeros de conrol de al forma que el sisema es esable y con un desempeño acepable para el peor puno de operación. 2.1 Diseño e implemenación de elecrónica de poencia aplicada a moores monofásicos de inducción En esa eapa se realiza el algorimo de programación de la modulación SPWM. Adicionalmene se hace la adecuación del conrolador de IGBT s con un iempo muero que permia una conmuación adecuada. 2.2 Diseño y aplicación de las écnicas de conrol En esa eapa se implemena el conrol de velocidad de un moor monofásico de inducción mediane dos ipos de conroles: el primer conrol denominado ensión/frecuencia (V/Hz) se inegra una rampa de aceleración y un poenciómero se uiliza para ajusar la velocidad. El segundo conrol denominado proporcional e inegral (PI). Para la aplicación de esas écnicas de conrol se implemena una modulación de ancho de pulso sinusoidal (SPWM) que produce las señales de disparo puera de un módulo monofásico de inerrupores de poencia. El lazo cerrado del sisema se cierra realimenado la señal del encoder de cuadraura. 3. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO 3.1 Modulación de ancho de pulso sinusoidal (SPWM) En la fig. 1 se muesra un esquema generalizado de un circuio SPWM. La consrucción del circuio SPWM se lleva a cabo uilizando un circuio comparador. Una de las enradas al comparador es una señal ipo rampa a frecuencia consane. La ora enrada del comparador es una señal de conrol sinusoidal que deermina la salida del inversor. La SPWM se uiliza para reducir la poencia oal enregada a la carga sin generar pérdidas, por oro lado, reduce el consumo de poencia, disminuyendo el posible calenamieno del moor. Señal poradora A c Señal de referencia A r Señales obenidas de la comparación de Ac y Ar g1 Señal de exciación de los ransisores de ambas ramas. g2 m 1 f c Fig. 1. Formas de onda SPWM. Fuene: Modern Power Elecronics and AC Drives. La relación enre las frecuencias poradora y referencia se denomina índice de modulación de frecuencia f poradora f riangular mf = = f (1) f referencia seno Las frecuencias armónicas exisen alrededor de los múliplos de la frecuencia de conmuación (al aumenar la frecuencia de la poradora aumenan las frecuencias en las que se producen los armónicos). En la fig. 2 se observa la modulación medida en ambos inerrupores del prooipo experimenal. Las señales poseen una ampliud de 15V suficienes para disparar el conrolador del inversor

3 U( s) 1 = K + p 1 E( s) T i s Donde T i se denomina el iempo inegral. (2) El conrol PI para el circuio esa dado por. v = p+i k +1 (3) Fig. 2. Modulación medida en el prooipo. Donde I es: p = K *( b* r y) (4) p i k+1 = i k + b i *(r-y) + (u-v) (5) Dónde: Fig. 3. Daos de la modulación. En la fig. 3 se muesra los daos de la modulación donde se observa la frecuencia fundamenal de la modulación en 60Hz. 3.2 Conrol en lazo abiero (V/Hz) Para manener el flujo consane en una máquina de inducción, la ensión del esaor debe ser proporcional a la frecuencia. En la abla 1 se muesra la relación V/Hz uilizada en el prooipo experimenal. Tabla 1. Conrol Tensión/Frecuencia V Hz Conrol en lazo cerrado (PI) La expresión de un conrolador proporcionalinegral se define mediane la función de ransferencia: r = Se Poin o referencia (canal ADC) y = Lecura del encoder (canal ADC) b = Es la variación de la referencia K p = Consane proporcional I k+1 = Nuevo esado I k = esado anerior b i = k i * h = consane inegral * iempo de muesreo u = Conrol vol/hz v = p + i k+1 Si la función de rasferencia del moor de inducción es: 600 P = (6) s + 1 Uilizando la herramiena sisoool de Malab se diseña el conrolador para un iempo de esablecimieno de 2ms y un porcenaje de sobrepaso 2.84% dando como resulado la fig. 4. Ampliude Sep Response Sysem: Closed Loop r o y I/O: r o y Peak ampliude: 1.03 Overshoo (%): 2.84 A ime (sec): Time (sec) Fig. 4. Parámeros de diseño. Sysem: Closed Loop r o y I/O: r o y Seling Time (sec): Sysem: Closed Loop r o y I/O: r o y Final Value: x 10-3 Obeniéndose como resulado una consane proporcional de K p = y un iempo inegral de K i =

4 ISSN: Volumen 1 - Número 19 - Año Conmuación del inversor La función de un inversor es producir una señal sinusoidal alerna en la salida con magniud y frecuencia conroladas. En la fig. 5 se muesra el circuio de un inversor de medio puene. Su esrucura consa de dos condensadores conecados en serie. Los condensadores son elevados para manener consane la ensión. Fig. 7. Conmuación IGBT alo. + R1 1k + Q2 IRGB430U Q1 IRGB430U Fig. 5. Circuio inversor. 3.5 Conrol mediane el IR2136 Fig. 8. Conmuación IGBT bajo. Para implemenar los disparos a los inerrupores de poencia se uiliza el circuio inegrado IR2136 de la empresa Inernaional Recifier. 4. DESCRIPCIÓN DEL PROTOTIPO Ese disposiivo permie disparar seis salidas simuláneamene y cuena con una señal de falla para indicar que hay sobre-corriene o sobrevolaje. En la fig. 6 se muesran las señales de enrada SPWM en el circuio inegrado IR2136. La señal que se muesra en el canal A perenece a la enrada Hi (ala) y el canal B perenece a la enrada Lo (Baja). Esas señales realizan un iempo muero (1.5µS) (ver fig. 6) y se comparan con una lógica que se encarga de la proección de sobre-corriene. 4.1 Módulo de Poencia Esa eapa consa de un filro EMI, el cual se uiliza para disminuir las posibles inerferencias elecromagnéicas que exisan enre disposiivos elécricos. En el módulo de poencia ambién se inegra una eapa de recificación 600V/35A (KBPC3506), suficiene para soporar la carga uilizada. El módulo de poencia uiliza dos condensadores de 4700µF/450VDC que alimenan el puene inversor formando de esa forma el inversor de medio puene. Fig. 6. Tiempo muero. 3.6 Disparo y conmuación de los IGBT s En la fig. 7 se observan la ensión colecor- emisor del IGBT alo, la señal de disparo de ala posee una ierra floane, con una ampliud de 155 V. Fig. 9. Prooipo Obenido. 10

5 ISSN: Volumen 1 - Número 19 - Año Módulo de Conrol El módulo de conrol se conforma principalmene por el DSP56f8322 el cual maneja los disinos ipos de conrol y la modulación. El sisema permie manipular las variables de velocidad y visualizarla en un LCD. El módulo cuena con reguladores de ensión, uno de 3.3V para el DSP (UA78M33) y oro regulador de 5V (LM7805) para la panalla LCD donde se muesra el menú para la configuración o variación de los parámeros del sisema de conrol. Fig. 10. Módulo de poencia. Fuene Los Auores Es imporane resalar que el sisema cuena con un circuio de aislamieno para el driver HCPL314j. Ese opo-acoplador se uiliza para aislar las ierras del DSP y driver con el propósio asegurar la seguridad y confiabilidad del diseño. Por ora pare se iene la fuene, la cual será la encargada de energizar el driver IR2136 y la pare de conrol del prooipo conformada por un ransformador que reduce el volaje a 32VAC y pasa por un puene de diodos el cual va reduciendo su volaje necesario progresivamene por medio de unos reguladores de ensión encargados de asegurar y disribuir la ensión adecuada al circuio. El IR2136 es un acuador de poencia, el cual recibe la señal de la modulación SPWM y es la encargada de la conmuación correca el Módulo de IGBT s para regular la velocidad del moor, ése módulo de IGBT s cuena con res erminales: el colecor por el cual enra la corriene, el emisor por donde sale la corriene y la puera por donde llega la señal de conrol y el Driver que posee una señal de falla para indicar si hay sobre-corriene o sobrevolaje, en ése caso se mide la sobre-corriene por medio de una resisencia Shun, el cual mide la corriene en el neuro del circuio de poencia. El volaje producido en la resisencia shun se compara en un (LM311) para disparar el modulo mediane la ITRIP del driver. Fig. 12. Módulo de Conrol. Fuene. Los Auores En la fig. 12 se observan 4 Poenciómeros, los cuales van disribuidos de la siguiene forma: el primero es para la variación el Se Poin, el segundo permie la variación de la velocidad del moor por medio del conrol Tensión/Frecuencia, el ercero regula la inensidad de luz del LCD y el cuaro regula el conrase del LCD. Seguido de esos poenciómeros se encuenran 4 pulsadores (????) que se encargan del desplazamieno del menú que aparece en panalla según los requerimienos del usuario. El sisema cuena con un pulsador de arranque inicial del moor para aplicaciones de arranque suave; el cual produce una rampa en res segundos mediane un conrol Tensión/Frecuencia hasa alcanzar un valor máximo de la rampa de 220V (60Hz). F ig. 11. Módulo de IGBT s. Fuene. Los Auores 11

6 5. CONCLUSIONES En ese rabajo se consigue conrolar la variable de velocidad de un moor monofásico de inducción a ravés del diseño e implemenación una señal de conrol por modulación sinusoidal (SPWM), para regular la velocidad del moor de inducción monofásico, elaborando un conrol PI en lazo cerrado. Adicionalmene se diseñó e implemenó el circuio driver para el funcionamieno correco (conmuación) de los IGBT. Se invesigó y demosró la manera de cómo conmuar los IGBT s aplicando ecnología de puna, siendo los primeros esudianes en la Universidad Ponificia Bolivariana en implemenar ese disposiivo de manera exiosa. Se ha diseñado un conrol PI uilizando un DSP como procesador, y manipulando variables de velocidad dadas por el encoder y mosrándolas en un LCD. También se programó un arranque suave para el circuio eviando así la corriene pico de arranque del moor de inducción monofásico. Finalmene se implemenó un circuio de medida de corriene para proección de sobre corriene en el módulo. REFERENCIAS Bose, B Modern Power Elecronics and AC Drives. Unies Saes of America: Prenice Hall. Freescale Semiconducor, Inc Semiconducor Producs Secor. Unied Saes of America: Moorola, Incorporaed. Maloney & Timohy J Elecrónica indusrial moderna. 5a.edición, México: Pearson Educaion, p. 753,755. Mourick P Applicaion news. IGBT module applicaion and conrol. Semikron. Beay, W & Kirley, J. L Manual del Moor Elécrico. Mc Graw Hill. Asrom, K.J. & Wienmard, B. Compuer- Conrolled sysems: heory and design. 3a. edición. 12