BANCO DIDÁCTICO DEDICADO A LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA. Asesor: Ing. Cristian Ariel Falco 3

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1 AADECA 6 - XXº Congreso Argentino de Control Automático Sección Estudiantil 8 al 3 de Agosto de 6 - Buenos Aires, Argentina. BANCO DIDÁCTICO DEDICADO A LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA José Luis Bossa, Federico Martín Serra Asesor: Ing. Cristian Ariel Falco 3, Estudiantes Regulares de la carrera Ingeniería Electricista-Electrónica. lcafices@fices.unsl.edu.ar. 3 Docente del Área de Electrónica y Control de la carrera Ingeniería Electricista- Electrónica, director de línea del proyecto Desarrollo y Aplicación Eficiente de Sistemas Mecatrónicos. cfalco@fices.unsl.edu.ar Facultad de Ingeniería y Ciencias Económico-Sociales, Universidad Nacional de San Luis, Ruta Nacional #48, extremo norte, (573) Villa Mercedes, San Luis, Argentina. Resumen: Se propone el desarrollo de un banco didáctico para la implementación de diferentes tipos de convertidores de potencia como, por ejemplo, inversores y convertidores CC-CC. Este banco posee una interfaz para interconectar un DSP o una PC con el objetivo de implementar diferentes algoritmos de control. En este trabajo, a modo de ejemplo didáctico, se presenta una topología correspondiente a un inversor trifásico con dos tipos de modulación, seis pulsos y PWM seno triángulo. Palabras claves: Enseñanza de Electrónica de Potencia, Inversor Trifásico, PWM.. INTRODUCCIÓN En la actualidad existen innumerables sistemas, como el que se presenta en la Fig., donde es necesario controlar y acondicionar el flujo de energía para aumentar el rendimiento de los mismos. Ejemplos de dichos sistemas son: variadores de velocidad de c.a. utilizados en la industria, vehículos eléctricos, aire acondicionados; filtros activos de potencia utilizados en la reducción de los armónicos de corriente y corrección instantánea del factor de potencia; convertidores CC CC en fuentes conmutadas, accionamientos eléctricos, controles de temperatura y otras aplicaciones industriales no menos importantes. FUENTE DE ENERGÍA ELECTRÓNICA DE POTENCIA CONTROL Fig.. Sistemas Acondicionadores de Energía CARGA Por esto, se planteó la necesidad de construir una planta didáctica en el laboratorio de control automático de la FICES, donde se pudieran implementar diversos sistemas acondicionadores de energía sobre un actuador común, así como también, diversas topologías y estrategias de control que le sirviera al estudiante de grado, para integrar sus conocimientos teóricos incorporados en las diversas asignaturas que componen su carrera. Este trabajo esta organizado de la siguiente manera: la introducción presentada, la Sección donde se describe el hardware del sistema desarrollado. Luego, en la Sección 3, se presentan las estrategias de modulación implementadas, utilizando como controladores digitales una PC, un DSC y un microcontrolador PIC. En la Sección 4 se presentan resultados experimentales, con el objetivo de mostrar el funcionamiento del banco. Finalmente, en la Sección 5, se exponen las conclusiones del trabajo y propuestas para trabajos futuros.. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA El banco didáctico está formado, tal como se muestra en la Fig., por una topología de electrónica de potencia re-configurable, compuesto por tres piernas

2 AADECA 6 - XXº Congreso Argentino de Control Automático Sección Estudiantil 8 al 3 de Agosto de 6 - Buenos Aires, Argentina. implementadas con transistores IGBT, con sus respectivos drivers y acoplamiento óptico de las señales de control, borneras de conexión, tanto para la carga como para la alimentación principal, y una fuente de alimentación para las etapas de control del actuador. Con la citada topología electrónica de potencia, se pueden implementar, entre otras, los siguientes experimentos: inversores monofásicos, trifásicos, filtros activos de potencia, rectificadores activos, convertidores sincrónicos CC CC de dos o cuatro cuadrantes de operación. En la Fig. se muestra una foto del sistema montado, en este caso, la electrónica de potencia está interconectada con el DSC (Digital Signal Controller) como controlador digital. los valores requeridos por la placa. Para la alta tensión se utilizan, por razones de seguridad, fuentes de laboratorio conectadas en serie con control de tensión y corriente del tipo GPR-63-D de la empresa GW (Good Will Instrument). A continuación se describen las partes principales banco didáctico: Conector DB-9: se utiliza para el ingreso de las señales de control que deben ser compatibles con TTL. Bornera de Alimentación: se utiliza para alimentar las etapas de acondicionamiento, optoacoplamiento y driver de la placa del actuador a partir de la fuente conmutada. Bornera del Bus de CC: se utiliza para alimentar el puente de llaves a partir de una fuente de CC de potencia. Bornera de Carga: se utiliza para la conexión de la carga, la misma consta de 4 conexiones, una a cada punto medio de los 3 semi-puentes y conexión a tierra. En la Fig. 3 se muestra un diagrama en bloques del banco didáctico con los bloques descriptos anteriormente. Figura. Banco Didáctico La tensión de trabajo del bus de CC es de 4 V. Los IGBTs son de 6 V, 3 A. La topología de potencia posee capacitores que suprimen los picos de tensión que se producen debido a las inductancias parásitas del montaje. Estos capacitares están colocados, sobre el bus de CC, cercanos a los bornes de las llaves. El disparo de los IGBTs se realiza por medio de un driver integrado, CI IR3, que genera las señales de excitación para las llaves superiores por medio de la tecnología bootstrap, e incorpora los tiempos muertos para evitar los cortocircuitos entre llaves de una misma pierna. El aislamiento galvánico, entre el controlador y la etapa de potencia, se realiza por medio de circuitos integrados optoacopladores, HCPL53. La placa de potencia necesita tres fuentes de alimentación, una fuente CC de 5V para los circuitos de acondicionamiento de señales entre el dispositivo de control y la placa, una fuente CC de 5 V para la alimentación de los optoacopladores y el driver de las llaves y una fuente de potencia de 4 V, para alimentar el bus de CC del puente. Para suministrar las bajas tensiones se utiliza una fuente conmutada, que fue modificada para obtener MOTOR TRIFASICO 3 TRIFASICA INVERSOR FUENTE CONMUTADA +5Vcc +5Vcc Tierra ALIMENTACIÓN +5Vcc +5Vcc BUS CC CONECTOR DB-9 MACHO 7 SEÑAL DE CONTROL Fig. 3. Diagrama de Bloques del Banco Didáctico 3. EJEMPLO DE USO DEL BANCO DIDÁCTICO Con el fin de incorporar y fijar los conocimientos, necesarios para realizar la tesis de grado, sobre técnicas de control y modulación para inversores trifásicos se implementaron distintas técnicas con diferentes tecnologías, lo que muestra la versatilidad del banco presentado. 3.. Conducción 8º con Microcontrolador Esta implementación se realizó como trabajo integrador de la asignatura Automatización Industrial. Se utilizó el microcontrolador PIC6F84A, el cual reunía los requisitos solicitados. La forma más simple de obtener una tensión trifásica a partir un convertidor CC-AC (inversor) es la

3 AADECA 6 - XXº Congreso Argentino de Control Automático Sección Estudiantil 8 al 3 de Agosto de 6 - Buenos Aires, Argentina. denominada conducción a 8º o seis pulsos (Rashid M., 995). Como se muestra en la Fig. 4 este tipo de modulación cada llave semiconductora del puente conduce durante medio ciclo, con seis modos de operación de duración de un tercio de semiciclo. Figura 5. Generación de la Modulación SPWM Este tipo de modulación es muy utilizada en el control de inversores trifásicos por ser de simple implementación. Pero tiene la desventaja que su índice de modulación es bajo,.63. Como tecnología utilizada se contó con una placa de demostración 56F83, con el chip DSC 56F833 de 6-bit, que es un híbrido entre un procesador digital de señales y un microcontrolador. Fig. 4. Señales de disparo. Conducción 8 Esta modulación si bien a fines didácticos es la propicia para introducir al alumno en la teoría de los inversores, en la práctica presenta problemas como generación de armónicas de tensión de baja frecuencia, ripple de torque en el motor, y filtros pasivos voluminosos, entre otros. Esta implementación formará parte de los prácticos de laboratorio en el dictado de la materia Electrónica Industrial. 3.. Modulación SPWM con DSC Como trabajo final de la carrera se está implementando un control V/f de velocidad a lazo cerrado para un motor de inducción trifásico. Una herramienta importante para el desarrollo de este tipo de controles es el DSC, debido a que tiene integrado periféricos específicos para estas aplicaciones, alta velocidad de procesamiento y su funcionamiento es muy robusto. En la modulación SPWM, que significa modulación senoidal de ancho de pulso por sus siglas en ingles, se compara una señal senoidal de control a la frecuencia deseada con una forma de onda triangular, como se muestra en la Fig. 5. La frecuencia de la onda triangular establece la frecuencia de conmutación de las llaves del inversor y, generalmente, se mantiene constante junto con su amplitud. (Ned Mohan et al, 995). El mismo consta entre sus principales periféricos con: Tabla. Periféricos del DSC 56F833 Principales Periféricos Módulo PWM de seis salidas Módulo de 6 temporizadores Módulo de convertidores AD Módulo decodificador en cuadratura Módulo de entradas-salidas de propósito general Se utilizó el módulo PWM para generar la modulación deseada. 3.. Modulación SPWM con PC + DAQ Como una de las finalidades del banco, es implementar una planta didáctica re-configurable para realizar las prácticas de las materias afines, se incursionó en la utilización de una PC más una placa de adquisición de datos (DAQ) de propósito general disponible en el laboratorio, para luego desarrollar una interfase gráfica Se utilizó la placa LAB-PC de National Instruments. Tabla. Características de la placa LAB-PC Principales Características 4 entradas-salidas digitales 8 entradas y salidas analógicas 4 temporizadores. KS/seg máximo

4 AADECA 6 - XXº Congreso Argentino de Control Automático Sección Estudiantil 8 al 3 de Agosto de 6 - Buenos Aires, Argentina. Utilizando la misma técnica de modulación SPWM que en la sección anterior, se generaron todas las señales necesarias para el disparo de las llaves semiconductoras del banco. 4. RESULTADOS EXPERIMENTALES A continuación se presentan las formas de onda de tensión y corriente de línea obtenidas de las implementaciones realizadas para cada tipo de tecnología y modulación utilizada. Amplitud [Ampere] Corriente de Línea en el Motor (PIC) En la Tabla se presentan los parámetros de la implementación. Se eligió la conexión triángulo para el motor de inducción debido a la limitación, por seguridad, de la tensión en el bus de CC. Tabla 3. Parámetros de la Implementación Parámetro Valor Unidad Tensión Bus CC V Potencia Nominal Motor 5 W Tensión Nominal Motor en Δ V Frecuencia Nominal Motor 5 Hz Frecuencia de Conmutación Hz Fig. 6. Tensión y Corriente de Línea. Conducción 8º En la Fig. 7 y Fig. 8 se muestran la tensión y corriente de línea en bornes del motor para la implementación SPWM con DSC y con PC+DAQ, respectivamente. En estos casos se aprecia una forma de onda senoidal de la corriente consumida por el motor gracias a este tipo de modulación. La frecuencia de la tensión fundamental de línea se calculó a partir de la relación V/f constante (R. Krishnan, ) para mantener constante el torque del motor a la tensión máxima suministrada por el inversor en cada modulación. 5 5 Tensión de Línea en el Motor (DSC) En la Fig. 6 se muestran la tensión y corriente de línea en bornes del motor para la implementación Conducción 8º. Como se puede observar la tensión es una onda cuadrada de la frecuencia fundamental y la corriente presenta un alto contenido de 3º armónico debido a que la conexión triángulo del motor no la anula Tensión de Línea en el Motor (PIC) Corriente de Línea en el Motor (DSC) 5-5 Amplitud [Ampere] Fig. 7. Tensión y Corriente de Línea. Modulación SPWM con DSC

5 AADECA 6 - XXº Congreso Argentino de Control Automático Sección Estudiantil 8 al 3 de Agosto de 6 - Buenos Aires, Argentina. 5 Tensión de Línea en el Motor (PC) 6. AGRADECIMIENTOS Tensión de Línea en el Motor (PC) Fig. 8. Tensión y Corriente de Línea. Modulación SPWM con PC + DAQ 5. CONCLUSIONES Se presentó el desarrollo de un banco didáctico re-configurable para la implementación de diferentes convertidores de potencia, como pueden ser inversores trifásicos y monofásicos, convertidores CC-CC, entre otras. A modo didáctico se implementó un inversor trifásico con dos técnicas de modulación: conducción de 8 con PIC y modulación SPWM con DSC y PC+DAQ; para la topología correspondiente a inversores trifásicos con distintas tecnología para evaluar las ventajas y desventajas de cada una y generar plantas para el desarrollo de los prácticos de las materias correspondientes. Este trabajo fue financiado y realizado en el marco del proyecto de investigación PROIPRO Nº 575, Desarrollo y Aplicación Eficiente de Sistemas Mecatrónicos. Se agradece la colaboración del Laboratorio de Mecatrónica (LABME) dirigido por el Ing. Oscar Daniel Morán de la carrera Ingeniería Electromecánica de la FICES, aportando los controladores (DSC y PIC) para la realización de los controles. 7. REFERENCIAS Freescale Semiconductor (4). 56F83 Peripheral User Manual, Freescale, Cap., 8, y 6, Denver. Freescale Semiconductor (5). 56F833/56F83 Data Sheet: Preliminary Technical Data Rev.., Freescale, Cap.,, 4, 5, 8,, Denver. National Instruments Corporation., Lab-PC, Register-Level Programmer Manual, Multifunction I/O Board for AT Bus Computers. (997), Texas. National Instruments Corporation. Lab-PC+ User Manual, Low-Cost Multifunction I/O Board for ISA. (996). Internationl Rectifier IR3 Datasheet 3.pdf Microchip PIC6F84A Datasheet oc/357b.pdf Avago Technologies HCPL-53 Datasheet Krishnan R (). Electric Motor Drives: Modelling, Analysis, and Control, Prentice Hall, Cap. 7, New Jersey. Mohan N., T.M. Undeland and W.P. Robbins (995). Power electronics: Converters, Applications and Design, John Wiley & Sons, Inc., nd. Edition, Cap. 8, New York. Rashid M H (995). Electrónica de Potencia: Circuitos, Dispositivos y Aplicaciones, Prentice Hall, nd. Edition, Cap., México. Como trabajo futuro se pretende implementar un control de velocidad, con el DSC, de lazo cerrado para un motor de inducción como trabajo final de la carrera. Paralelamente, se implementará una interfase gráfica que pueda comandar las diferentes topologías que se implemente para el entrenamiento en las materias afines.

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