AADECA 2012 Semana del Control Automático 23º Congreso Argentino de Control Automático 3 al 5 de Octubre de 2012 Buenos Aires, Argentina.

Transcripción

1 IMPLEMENTACIÓN DE UN CONTROL DE VELOCIDAD PARA UN MOTOR ASINCRÓNICO TRIFÁSICO UTILIZANDO UNA PLACA COMERCIAL DE POTENCIA Maximiliano Asensio Asesor/es: Ing.José Luis Bossa Laboratorio de Control Automático, Facultad de Ingeniería y Ciencias Económico-Sociales, Universidad Nacional de San Luis Resumen: Se presenta la implementación de un control de velocidad para un motor asincrónico trifásico de 3kW. Se utilizó una placa comercial de potencia que fue estudiada y relevada para su uso. Se desarrollaron circuitos complementarios a la misma, tales como protecciones, adaptadores de señal, y una fuente de alimentación para su correcto funcionamiento. El algoritmo de control se basa en la estrategia escalar V/Hz a lazo cerrado y se implementó en el controlador digital de señales 56F805 de la empresa Freescale. Además se desarrolló una Interfaz Gráfica para la visualización e interpretación de las variables del sistema. Palabras claves: Convertidor de Frecuencia, DSC, Volts por Hertz. 1.INTRODUCCIÓN Los motores de inducción son utilizados en la mayoría de las aplicaciones industriales y cotidianas debido a que son livianos, económicos y de poco mantenimiento. Gran parte de estas aplicaciones poseen requerimientos de velocidad variable, las cuales históricamente fueron abarcadas por los motores de corriente continua (CC) debido a su simpleza a la hora de controlarlos. Sin embargo, debido al gran avance en dispositivos de electrónica de potencia y al uso de modernos microcontroladores que permiten implementar complejos algoritmos de control, se ha incrementado notablemente el uso de los motores de inducción desplazando, en la mayoría de los casos, a los motores de corriente continua. Uno de los sistemas electrónicos comerciales más importantes para el control de velocidad de motores de inducción es conocido como variador de frecuencia. Éste logra controlar de manera eficiente la velocidad y/o el par de los motores trifásicos, convirtiendo la frecuencia y la tensión de la red de alimentación de valores fijos en valores variables. En este trabajo se implementó un accionamiento eléctrico conformado por la máquina eléctrica, la electrónica de potencia y el controlador, utilizando como bloque principal una placa comercial de potencia que debió ser estudiada y relevada para su uso. Dicha placa se extrajo de un convertidor industrial donado por una empresa de la zona. La finalidad del trabajo se basó en la realización de una interfaz de potencia didáctica modular. De esta manera, se puede implementar con la misma topología, el accionamiento de distintos tipos de motores y la comparación de diferentes algoritmos de control, mediante microcontroladores programados por alumnos de ingeniería. El accionamiento realizado posee las características de un convertidor de frecuencia básico, con la posibilidad de modificar la velocidad del motor, sentido de giro y rampa de aceleración. Además incluye control contra sobrecarga y chopper de frenado. Se optó por el control de V/Hz a lazo cerrado debido a su fácil implementación, y a que es fiable en aplicaciones donde no se requiera un desempeño dinámico preciso (Serra et al, 2008). Mediante el desarrollo de una interfaz gráfica se pueden visualizar la velocidad y corriente del motor y tensión del bus de CC. El trabajo está organizado de la siguiente manera: la introducción presentada, una posterior sección donde se describe el hardware utilizado, luego se presenta algoritmo de control, se presentan resultados experimentales, y finalmente se exponen conclusiones y trabajos futuros.

2 2. DESCRIPCIÓN DEL HARDWARE En la Figura 1 se muestra una fotografía de la implementación de este trabajo. A continuación se explica cada una de las partes que lo componen. Fig. 1: Fotografía de la planta. 2.1 Rectificador Trifásico. El rectificador trifásico utilizado es del tipo no controlado, y para su realización se utilizaron tres módulos de diodos rectificadores SKKD 46/12 de la empresa Semikron. Cada módulo conforma una pierna del puente rectificador. Fig.2: Placa comercial de potencia. Además, la placa contiene dos sensores de corriente, un fusible de protección del bus de CC de 32A y 600V y un banco de 4 capacitores, dispuestos en serie-paralelo, para almacenar energía y filtrar la tensión de continua proveniente del rectificador trifásico. Asimismo posee, para alimentar la etapa de control, transformadores de alta frecuencia con rectificadores rápidos que conforman, con circuitos externos, una fuente conmutada. 2.2 Placa Comercial de Potencia. En la Figura 2 se muestra una fotografía detallada de la placa comercial de potencia de 5kW de la empresa Allen-Bradley. La misma incluye un Módulo Inteligente de Potencia (IPM por sus siglas en inglés) modelo PM25RKK120 de la empresa Powerex cuyas características permiten manejar cargas de hasta 25 A y 1200V. Los IPM contienen llaves semiconductoras IGBT con drivers y circuitos de protección integrados, y han sido ampliamente aceptados para aplicaciones de control de motores. Las señales de control se encuentran aisladas mediante optoacopladores HP4503, y las salidas de las protecciones internas del módulo inteligente son aisladas mediante optoacopladores fotodarlington H11G2. Los mismos poseen conexión con el exterior a través de una bornera de señales. Tres optoacopladores están asignados para las tres llaves superiores del inversor, y deben ser alimentados con fuentes independientes para generar las masas aisladas. Otros tres comparten la misma fuente y adaptan la señal de disparo para las tres llaves inferiores. Cada optoacoplador para las señales de protección también necesitan de una fuente independiente (Asensio et al, 2011). 2.3 Fuente de Alimentación. Para alimentar los optoacopladores y los circuitos de disparo del IPM, se implementó el circuito de alta frecuencia y control de la fuente conmutada de alimentación. La etapa de potencia de la fuente se encuentra en la placa comercial, e incluye los transformadores de alta frecuencia y la etapa de rectificación y filtrado. Para la implementación de la fuente se utilizó el circuito integrado IR2153 para generar las señales de disparo a 50kHz con un ciclo de trabajo del 50%. La tensión pulsante se sintetiza utilizando un inversor de medio puente, conformado por MOSFET IRF820. La elección del CI se basó en la capacidad de comandar la pierna completa. El circuito implementado es el mostrado en la Figura 3. Fig. 3: Circuito Implementado para la fuente de alimentación.

3 2.4 Control de Temperatura Para prevenir el sobrecalentamiento del IPM se realizó un control de temperatura modo on-off con histéresis y ventilación forzada. En la Figura 4 se muestra el circuito implementado. En el mismo, la señal proveniente del sensor de temperatura LM35 se compara con una tensión de referencia que representa al valor de temperatura deseado al que debe actuar el dispositivo de protección. La misma se realiza mediante un comparador analógico de tensión, el LM311. La salida activa una llave semiconductora, BC548, que a través de un relé enciende la ventilación forzada del IPM. El circuito es del tipo disparador de Schmitt que previene las conexiones intermitentes del relé. como amplificador no inversor y con ganancia variable la que permite obtener a la salida del operacional una tensión que corresponde a los 540 V del Bus de CC. Fig. 5: Circuito Implementado para el sensado de tensión del bus de CC. 2.6 Motor de Inducción y Controlador. Se utilizó un motor de inducción trifásico de 3 kw de potencia, donado por otra empresa de la zona, cuyas características se muestran en la tabla 1. Para medir la velocidad del mismo y poder cerrar el lazo de control, se utilizó un encoder incremental de una resolución de 1000 pulsos por vuelta. Tabla 1. Características del Motor de Inducción Empleado Fig. 4: Circuito Implementado para el control de temperatura. 2.5 Chopper de Frenado Para limitar el aumento de tensión en el bus de CC durante un cambio de sentido de giro o un frenado brusco, se implementó un circuito chopper de frenado. Para ello, la energía de frenado se dirige hacia un paquete de resistencias cuando la máquina funciona como generador (Magaldi et al, 2010). El chopper de frenado es un conmutador electrónico que conecta la tensión de bus de CC a una resistencia, esta conexión es activada cuando la tensión del bus de CC sensada supera un nivel determinado por el usuario. En este trabajo se utilizó un paquete de resistencias de 65 Ohm y 800W. La conmutación del chopper se realiza por medio de un IGBT que contiene el IPM designado para dicha operación. Para el sensado del bus se utilizó el circuito de la Figura 5 donde el sensor LEM LA-55-P mide la corriente que circula entre dos resistencias en serie de 20 kω-5ω conectadas al bus de CC y además separa la etapa de potencia de la etapa de control. El operacional LM358 toma la caída de tensión en la resistencia a la salida del sensor y acondiciona la señal para luego ser comparada con una referencia predefinida, el circuito operacional está configurado Símbolo Cantidad Valor P n Potencia Nominal 3[kW] V n Tensión Nominal 220/380[Volts] n m Vel. Nominal 1492[RPM] El algoritmo de control, que se explicará en la sección posterior, se implementó en el controlador Digital de Señales (CDS) 56F805 de Freescale. El CDS, diseñado especialmente para el control de motores, cuenta con módulos PWM, temporizadores de propósito general, manejador de eventos, decodificador de encoder en cuadratura, y conversor analógico/digital (ADC, por sus siglas en inglès), como principales periféricos. Para esta aplicación se utilizó la placa de evaluación DSPF805EVM que incluye además del mencionado CDS, conexión a PC vía JTAG para emulación y depuración del programa. 3. DESCRIPCIÓN DEL SOFTWARE 3.1 Control Escalar V/Hz Como se nombró anteriormente, se implementó un control V/Hz a lazo cerrado. La técnica está basada en el modelo estático del motor de inducción (MI) para la operación a par constante, y se utiliza en aplicaciones donde no existan

4 requerimientos dinámicos para el control de velocidad demasiado precisos (Lencinas, 2010). La ecuación implementada para mantener la relación V/Hz constante es: (1) En la Figura 6 se muestra un diagrama básico del control aplicado para controlar el motor. entradas/salidas digitales de propósito general, manejador de interrupciones, interfaz RS-232, y puerto para carga y depuración de programas. El diagrama en bloques básico del algoritmo implementado en el controlador se muestra en la Figura 7. Fig. 6: Algoritmo del Control escalar volt/hertz implementado. Como se puede apreciar se obtiene la velocidad real a partir de las señales obtenidas del encoder, y se compara con la velocidad requerida. Luego se aplica un compensador PI al error de velocidad cuya salida está saturada para evitar grandes valores de deslizamiento que puedan provocar que el motor no desarrolle el torque suficiente para vencer el par resistivo. La salida del controlador es la nueva frecuencia a aplicar al motor y a partir de ella se calcula el voltaje para cumplir con la relación V/Hz. Estos valores de frecuencia y tensión se toman como parámetros para acceder a una tabla seno. A las señales PWM se les agrega un valor de tiempo muerto. Estas señales son aplicadas con posterioridad al IPM. El control incluye una protección contra sobrecarga que actúa directamente sobre las salidas PWM. Esta protección se basa en la comparación de la corriente de referencia configurada por el usuario que representa la corriente máxima a entregar por el motor. Si este valor es superado por la corriente real durante en un tiempo dado, se desactivan las señales PWM. En este trabajo se optó por un tiempo ilustrativo de 4 segundos de sobrecarga antes de que actúe la protección. 3.2 Implementación Para el desarrollo del algoritmo se trabajó en lenguaje C, utilizando el entorno de programación CodeWarrior y un agregado para programar en alto nivel llamado ProcessorExpert. Se utilizó, además, la librería Motor Control que provee funciones útiles para el control de motores. Los periféricos del CDS que se utilizaron fueron: memoria flash y RAM, módulo PWM, Fig. 7: Diagrama en Bloques del Algoritmo. El algoritmo implementado está compuesto por dos archivos. El archivo main.c contiene al programa principal y en él se inician periféricos, variables y la tabla senoidal para la salida PWM. Esta tabla contiene los valores de un cuarto de período de una onda seno para optimizar memoria debido a la simetría de la misma. Luego el programa entra en un bucle infinito a la espera de interrupciones de manera de manejar los tiempos de ejecución del control. Los eventos de las mismas se declaran en el archivo events.c. En el evento de la interrupción correspondiente al TIMER0 se implementa el algoritmo de la rampa de velocidad. Para ello se comparan dos variables que representan al valor requerido de velocidad y el valor actual respectivamente. Si el valor requerido es mayor que el valor actual de la variable de velocidad, se realiza una rampa ascendente con pasos que luego pueden ser modificados. Por el contrario, si el valor requerido es menor que el valor actual de velocidad se realiza una rampa descendente. En ambos casos, la rampa finaliza al igualarse estas variables. También, en este evento, se realiza la supervisión de los controles de usuario para determinar si se debe aumentar la velocidad. Los pasos con que se realizan la rampa son modificados desde el evento referido al TIMER1 a partir de controles externos. Para generar un sistema trifásico de ondas senoidales, se utilizó la función Gen3PhWaveSineHintp de la librería dedicada al control de motores. La misma se basa en la tabla seno nombrada anteriormente. Para recorrer la tabla es necesario disponer de una base de tiempo, que en este caso está dada por la

5 interrupción PWM configurada para generarse cada 4 ciclos de la señal. Como esta frecuencia es fija, la función acepta un argumento denominado Incremento de fase que utiliza como distancia de recorrido de la tabla. Al variar este incremento, se varía el tiempo total para recorrer los datos de un período completo de la onda senoidal. La función anteriormente nombrada además, utiliza otro argumento denominado amplitud, que escala el valor obtenido de la tabla a partir del incremento de fase. Finalmente, este valor escalado es utilizado para configurar el ciclo de trabajo de la señal PWM. Modificando convenientemente estas variables en función de la rampa de velocidad y de la ecuación, con este control es posible modificar la tensión y la frecuencia de la señal modulada de salida del inversor. En la ecuación 2 (Freescale Semiconductor, 2005) se observa el valor del período de la fundamental de la señal de salida T, en función del incremento de fase, la frecuencia de conmutación y el número de pares de polos. Esta herramienta utiliza el mapa de variables generado por el compilador CodeWarrior, para obtener sus valores en tiempo real a través de una comunicación serie. El usuario puede optar por la variable a mostrar y graficar la misma en función del tiempo. Para este trabajo se optó por graficar la velocidad de referencia y medida para observar el comportamiento del control implementado para así obtener conclusiones acerca del desempeño del controlador (Bossa et al, 2008). 4. RESULTADOS EXPERIMENTALES El funcionamiento de la implementación se comprobó mediante ensayos y resultados experimentales. En la Figura 9 se muestra la tensión de línea aplicada a los bornes del motor a su valor nominal y 50 Hz. Se programó una interrupción por hardware mediante un pulsador para cambiar entre los modos de configuración del convertidor de frecuencia. Los mismos son: velocidad, aceleración, y sentido de giro. Además se señalizó la elección mediante el uso de LED. Paralelamente y mediante la interrupción de la lectura del ADC se implementó la antes explicada protección contra sobre corriente. 3.3 Interfaz Gráfica Para describir el comportamiento de la planta se implementó una interfaz gráfica mediante el entorno FreeMaster de la empresa Freescale. La misma es una herramienta de depuración y visualización de datos. En la Figura 8 se muestra una pantalla de la interfaz desarrollada. Fig. 9: Tensión de Línea aplicada al motor. En la Figura 10 se muestra el contenido armónico de la tensión de la figura anterior, donde la figura inferior es una ampliación de la superior. Se puede observar la componente fundamental y los armónicos situados en frecuencias múltiplos de la frecuencia de conmutación, 6kHz (Mohan, et al, 2002). Frecuencia [KHz] Fig. 8: Intefaz Gráfica realizada en FreeMaster. Frecuencia [Hz] Fig. 10: Contenido armónico de la tensión de línea.

6 La corriente de fase para la misma frecuencia y con el motor funcionando en vacío se presenta en la Figura 11. También se muestra el contenido armónico en la misma figura, donde se aprecia la componente fundamental a 50 Hz y los múltiplos de la misma atenuados. Fig. 13: Corriente de fase ante un escalón de carga. Tiempo [ms] Frecuencia [Hz] Fig. 11: Corriente de fase y su contenido armónico. En la Figura 14 se puede apreciar la tensión del Bus de corriente continua ante un cambio de sentido de giro brusco. Se observa un aumento de la tensión de aproximadamente el 17% corriendo el riesgo de dañar los capacitores. Por esa razón se debió implementarse el chopper de frenado explicado. La tensión del Bus de CC implementando el chopper nombrado ante la misma situación de cambio brusco de sentido de giro se muestra en la Figura 15. En la Figura 12 se muestra la corriente del motor de inducción ante un escalón de carga. En este caso se utilizó como carga un motor Brushless funcionando como generador acoplado a una carga resistiva de 14 Ω conectada en estrella. El comportamiento de la velocidad del motor ante el mismo escalón se muestra en la Figura 13. Esta figura, a su vez, muestra la interfaz gráfica implementada. Se observa que la velocidad cae un instante y luego por la acción de control, se elimina el error. Tiempo [seg] Fig. 14: Tensión del Bus de CC sin chopper de frenado. Tiempo [seg] Fig. 12: Corriente de fase ante un escalón de carga. Tiempo [seg] Fig. 15: Tensión del Bus de CC con chopper de frenado. 5. CONCLUSIONES En este trabajo se aplicó la estrategia escalar V/Hz a lazo cerrado para controlar un Motor Asincrónico Trifásico utilizando el DSP56F805 de la empresa Freescale. Se diseñó un compensador PI y se validó

7 mediante resultados experimentales. Se observó que el error en estado estable se eliminó por completo con una respuesta en el tiempo aceptable. Se implementó una Interfaz de Potencia compuesta por una placa de potencia comercial y un rectificador trifásico. Para el funcionamiento de la misma se realizaron circuitos de alimentación, aislación y adaptación de señales. La interfaz de potencia posee características modulares y flexibles, permitiendo la implementación de diferentes algoritmos de control. Además se implementó un control de temperatura del módulo inteligente para mantener operativo al mismo bajo condiciones óptimas. Asimismo, se implementó una Interfaz Gráfica mediante la comunicación RS-232 con la PC, que permite visualizar el control de velocidad y el funcionamiento del chopper de frenado. Se sugiere como trabajos futuros la aplicación de diferentes algoritmos de control, como control vectorial, con mejor desempeño dinámico que la estrategia aplicada en este trabajo. REFERENCIAS Asensio, M y Somalo, J. (2011). Implementación de un Control V/Hz para un Motor Asincrónico. Reunión de Trabajo en Procesamiento de la información y control, XIVº RPIC AÑO 2011, Sección estudiantil. Bossa, J.L. (2008). Interfaz gráfica para un banco didáctico dedicado a la electrónica de potencia, XXIº Congreso Argentino de Control Automático, AADECA, Sección Estudiantil. Lencinas, P. (2010) Control de velocidad V/Hz bidireccional de un motor de inducción monofásico usando el MC68HC908MR3, XXIIº Congreso Argentino de Control Automático, AADECA, Sección Estudiantil. Magaldi, G. Rosales, F. (2010) Implementación de un Convertidor CC-CA Didáctico para el Accionamiento de Máquinas Eléctricas, XXIIº Congreso Argentino de Control Automático, AADECA, Sección Estudiantil. Mohan, N., T. Undeland y W. Robbins (2002) Power Electronics, Converters, Applications, and Design. Mc Graw Hill, 3ra Edición, Cap. 8. Freescale Semiconductor (2005) Application Note 1958, 3-Phase AC Motor Control with V/Hz Speed Closed Loop Using the 56F800/E. Rev 0. Serra, F. (2008). Control de velocidad V/Hz a lazo cerrado de un motor de inducción usando DSC56F8323, XXIº Congreso Argentino de Control Automático, AADECA, Sección Estudiantil.