Controlar un variador de frecuencia para un motor eléctrico de AC con Arduino y una computadora.

Transcripción

1 Controlar un variador de frecuencia para un motor eléctrico de AC con Arduino y una computadora. Presentan: Jaime Gonzalo Cervantes de Gortati, Dr en ingeniería mecánica. Profesor Titular C de tiempo completo, definitivo, UNAM. jgozalo@unam.mx Jesus Adrián Durán Gómez adriandurangoemez@yahoo.com.mx Mauricio Algalan Meneses algalan.meneses@gmail.com Departamento de Termofluidos, Facultad de Ingeniería UNAM Resumen. Un variador de frecuencia es un sistema que permite regular tanto la frecuencia del motor (0-60Hz) como la velocidad de giro que un motor de corriente alterna trabaja, son especialmente utilizados cuando necesitamos utilizar dichos motores de forma específica. Sin embargo su costo es elevado y si se necesita un controlarlo mediante una computadora se tiene que recurrir a un dispositivo especial. Una forma disponible es mediante señales digitales, las cuales permiten el encendido del variador como decir en qué dirección el motor trabaja, sin embargo generalmente se opera manualmente. En el departamento de Termofluidos se necesitaba activar y desactivar de manera automática el variador de velocidad y de ser posible que fuera controlado por la computadora. La respuesta fue utilizar un sistema de Arduino, con el que se podía controlar las señales digitales del variador y al mismo tiempo contar con una interfaz entre la computadora y el circuito arduino de manera nativa, sin la necesidad de recurrir a otro dispositivo de mayor costo. Antecedentes. El departamento de termofluidos buscaba entender el comportamiento del aire en los túneles del metro cuando circulan los vagones del metro, para esto dispuso una maqueta a fin de simular tanto los vagones como las condiciones de los túneles. La forma de tracción que se dispuso para recrear el movimiento de los vagones fue la de moverlos mediante una banda, utilizando un motor de corriente alterna que hiciera posible el movimiento de dichos trenes.

2 El motor utilizado es un motor de corriente alterna, que trabaja con tres fases a 60Hz con un voltaje de trabajo de 2.2/1.1A y con un voltaje de trabajo de 220/440V, para controlarlo se utiliza un variador de velocidad Invertek Optidrive Variable Speed Drive que trabaja con V a un 1Hp y una fase, este variador de velocidad controla al motor y su frecuencia, de manera analógica, se utiliza un potenciómetro para dicho fin. Para el inicio y apagado del motor se debe dar una señal digital de 24V para encendero o una señal cercana a los 0V para apagarlo. El variador puede controlar la dirección del motor, en sentido horario y antihorario, también estas señales son digitales de 24V. El objetivo principal para contar un un variador de velocidad era poder controlar automáticamente, o de manera no manual, el motor de corriente alterna sin embargo se encontró con las siguientes dificultades: 1. El Variador de velocidad carece de un sistema que le permite el encendido o apagado de manera automática. 2. El voltaje digital de 24V dificulta su integración con otros dispositivos electrónicos. 3. Falta su integración a un control específico como una computadora. La principal dificultad se encontró en el punto 3 ya que los sistemas adicionales que necesita dicho variador de velocidad para integrarse a la computadora son difíciles de obtener, tanto por cuestiones de practicidad como económicas.

3 La solución que se encontró fue crear un sistema propio de control, mediante un circuito diseñado para tal fin, que le enviara las señales digitales de 24V al variador de velocidad, pero quedaba la dificultad adicional de encontrar un sistema que permitiera su control desde la computadora, existía la posibilidad de crear un sistema propio, pero su viabilidad de tiempo tampoco permitía pensar en diseñar un sistema propio. Analizando los diferentes circuitos que ofrecieran una solución de control para automatizar el envío de señales al variador de velocidad, se encontró distintos tipos de circuitos multipropósito que permitían integrar varios circuitos de control, conversión analógica digital y de comunicación con la computadora, en un solo circuito, entre ellos arduino, por lo que se decidió utilizarlos para poder controlar el variador de velocidad desde la computadora. Control del variador de velocidad con arduino. Arduino es una tarjeta microcontroladora que permite recibir, analizar y enviar señales tanto analógicas como digitales, además que integra un puerto especialmente diseñado para comunicarse con la computadora. Esta integración permite implementar un sistema de control básico entre el circuito arduino y una computadora, resolviendo la parte de tener un circuito especializado para comunicarse con la computadora. Otra ventaja importante es que cuenta con sistemas de conversión analógica a digital, lo que permite incluir sensores y analizar sus señales sin necesidad de construir un nuevo circuito para tal fin. La última ventaja es que arduino es un circuito multipropósito, esto permite programarlo como si fueran distintos circuitos en un solo chip, además posible programarlo directamente desde la computadora personal, lo que evita depender de un sistema externo de programación en la creación de nuestros circuitos.

4 La creación de un sistema automatizado de control a partir de la maqueta se hizo de la siguiente forma: 1. Inclusión de dos sensores de los vagones construidos mediante un par de diodos láser y dos fototransistores, teniendo la función de indicar cuando se interrumpía el haz de luz láser con los vagones de la maqueta. 2. Se creó un pequeño circuito mediante dos chips 4n25, que permitiera el envío de señales digitales de 24V al variador de velocidad, los 4n24 también tienen la función de aislar el circuito controlador hecho con el arduino del sistema creado por el variador de velocidad. 3. Programar el circuito arduino a fín de que cumpliera las siguientes funciones: a. Detección de la interrupción del haz láser. b. Enviar las señales al variador de velocidad. c. Recibir instrucciones mediante la computadora. Esta implementación permite pasar de un sistema que básicamente era controlado manualmente a contar con un sistema que es posible controlar con la computadora. En la siguiente imagen se muestra la maqueta y sus sensores:

5 El siguiente diagrama muestra la integración entre los sensores, la placa arduino y el variador de velocidad: El resultado de esta integración fue que el departamento de Termofluidos contaba con un circuito especializado que permitía activar la maqueta desde la computadora y que los vagones se detuvieran de forma automática al final de la maqueta, evitando problemas de destrucción de material. Esta implementación permite contar con más recursos disponibles para el estudio con una mínima inversión. Conclusiones. En las instituciones donde se realiza una investigación muchas veces se cuenta con recursos materiales y sobre todo económicos limitados, esto es un impedimento para realizar un proyecto o que se explote todo lo que dicho proyecto puede dar, contar con sistemas como arduino nos da las siguientes ventajas: 1. Control sobre el proyecto: Al poder implementar diversos circuitos en una sola placa, permite tener una diversidad de proyectos que se ajusten a nuestras necesidades en vez de solo depender de los productos comerciales existentes. 2. Ahorro: Es posible implementar circuitos de control u otros sistemas complejos con un mínimo de recursos, tanto materiales, como económicos. En el trabajo desarrollado por el departamento de termofluidos se puede ver que con un sistema de sensores bastante sencillo se puede crear todo un sistema de control complejo.

6 3. Aprendizaje: Los desarrolladores de proyectos pueden aprender a desarrollar sus propios circuitos, de manera mucho más intuitiva y ver aplicaciones directas, en vez de sistemas de programación de circuitos bastante complejos y con aplicaciones poco funcionales o solo con fines pedagógicos, más no de una aplicación del conocimiento real. Este desarrollo muestra la capacidad de un sistema como arduino y su implementación en sistemas académicos, con fines de investigación aparte de los usuales de aprendizaje y divulgación.