Variador de Velocidad Trifásico con Frenado Dinámico Narváez Sergio, Falconí Cristian, Almagro Sebastián Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Escuela Politécnica Nacional Quito, Ecuador arbi_jsnm@hotmail.com xinder777@hotmail.com sbalmagro@gmail.com Resumen- La recurrente necesidad de implementar motores trifásicos de inducción en la industria, con distintos métodos de operación, vuelve imperante el conocimiento del diseño y forma de trabajo de un variador de velocidad trifásico. Para poder controlar un motor por frecuencia es necesario rectificar la fuente trifásica de 120VAC a 310VDC; a través de un inversor se obtiene voltaje trifásico variable en amplitud y en un rango de frecuencia de 0 a 100 Hz, en intervalos de 5 Hz. Mediante la técnica SPWM generada por el microcontrolador ATMEGA ## se comanda la parte de potencia, conformada por un puente trifásico de MOSFET s. Además se incluye el frenado dinámico que disipa la energía generada, simulando el modo de operación de un motor en un carro eléctrico al momento de frenar o al estar en bajada. I. INTRODUCCIÓN El objetivo principal del presente proyecto es investigar la inversión de voltaje DC a voltaje trifásico AC, mediante la técnica de Modulación de Ancho de Pulso Senoidal (SPWM). Además se analiza la relación directamente proporcional de voltaje y frecuencia aplicados a un motor trifásico, que debe existir. También se busca estudiar los efectos de la generación de energía que se obtiene al frenar un motor eléctrico, para poder tener una eficiente recuperación de energía, tema que se ha vuelto de principal valor en la industria. La demanda de un correcto manejo de la energía y calidad de la misma, vuelve necesaria la investigación de las diferentes técnicas de manejo de motores eléctricos. Mediante la técnica SPWM, un motor puede trabajar en un rango amplio de velocidad, teniendo así un mayor control sobre distintos aspectos, como: disminución de altas corrientes de arranque, variación de las curvas características del motor para trabajar con altos torques a varias velocidades, rampas de aceleración. Tanto el puente de diodos trifásico rectificador, como el puente de MOSFET s inversor han sido debidamente diseñados para trabajar con la potencia requerida por el motor (Fig. 1). Fig. 1 Diagrama esquemático de inversor SPWM El frenado dinámico implementado, disipa la energía que el motor produce al volverse generador y que regresa por los diodos, en un foco. Dicha energía es controlada por un interruptor de estado solido mediante un chopper, el cual es generado desde un segundo microcontrolador. Este microcontrolador mide el voltaje en el Bus DC, el cual activa el interruptor de estado solido cuando el voltaje es superior al voltaje previamente seteado en el Bus DC. El variador de velocidad, cuenta con una interfaz hombre maquina, la cual permite interactuar al operador con los distintos parámetros configurables, como la frecuencia de operación del motor deseada. II. GENERALIDADES PRINCIPALES FUNCIONES DE UN VARIADOR DE VELOCIDAD Aceleración controlada La aceleración del motor se controla mediante una rampa de aceleración lineal o en «S». Generalmente, esta rampa es controlable y permite por tanto elegir el tiempo de aceleración adecuado para la aplicación. Controlando así picos de corriente en el arranque. Deceleración controlada Cuando se desconecta un motor, su deceleración se debe únicamente al par resistente de la máquina (deceleración natural). Los arrancadores y variadores electrónicos permiten controlar la deceleración mediante una rampa lineal o en «S», generalmente independiente de la rampa de aceleración.
Esta rampa puede ajustarse de manera que se consiga un intervalo de tiempo, para pasar de la velocidad de régimen fijada, a una velocidad intermediaria o nula. Si la deceleración deseada es más rápida que la natural, el motor debe de desarrollar un par resistente que se debe de sumar al par resistente de la máquina; se habla entonces de frenado eléctrico, que puede efectuarse enviando energía a la red de alimentación, o disipándola en una resistencia de frenado, como en el caso de nuestro proyecto. Si la deceleración deseada es más lenta que la natural, el motor debe desarrollar un par motor superior al par resistente de la máquina y continuar arrastrando la carga hasta su parada. Etapa de control. Mediante la comparación de una onda senoidal trifásica y una onda triangular de 2KHz se genera una onda SPWM, dicha onda de pulsos será la encarga de activar los tiristores para invertir el voltaje en el bus DC a voltaje trifásico e, magnitud y frecuencia variable. Aumentando o disminuyendo la amplitud de la onda triangular, se altera el índice de modulación, el cual controla la magnitud del voltaje trifásico. Dichos pulsos deben ser aislados de la parte de potencia, ya que los disparos a cada tiristor tienen distintas referencias. (Fig. 4) PARTES CONSTITUTIVAS DE UN VARIADOR DE VELOCIDAD Etapa Rectificadora. Convierte la tensión alterna en continua mediante rectificadores de diodos, tiristores, etc. Etapa intermedia. Filtro para suavizar la tensión rectificada y reducir la emisión de armónicos. Fig. 4. Puente inversor trifásico controlado por SPWM Fig. 2. Rectificación trifásica. Inversor o "Inverter". Convierte la tensión continua tensión de magnitud y frecuencia. Actualmente se emplean IGBT s (Isolated Gate Bipolar Transistors) para generar los pulsos controlados de tensión. Los equipos más modernos utilizan IGBT s inteligentes que incorporan un microprocesador con todas las protecciones por sobre corriente, sobretensión, baja tensión, cortocircuitos, puesta a masa del motor, sobre temperaturas, etc. (Fig. 3) Fig. 3. Puente Inversor. Fig. 5. Formas de Onda en el Control de una onda SPWM.
CONTROL POR FRECUENCIA El método se fundamenta en que la velocidad sincrónica del campo magnético rotatorio de un motor asincrónico puede ser controlada por medio de la variación de la frecuencia de la línea, ya que: Donde: ns = 120 ns: Velocidad sincrónica [Rpm]. f: Frecuencia de la línea [Hz]. PUENTE INVERSOR Un puente inversor trifásico requiere de 6 elementos de conmutación (Fig. 7), éstos deben tener una buena respuesta a altas frecuencias, debido a la técnica SPWM; para la generación de ondas senoidales a la salida del inversor de frecuencia variable. Dado que el bus DC, que alimenta al inversor es de 315V aproximadamente, los elementos utilizados deben soportar dicho voltaje inverso y una corriente de 6A debido al motor utilizado. El tiristor que cumple con estas condiciones de diseño es el MOSFET IRF840. P: Número de polos. Pero a fin de mantener la densidad de flujo aproximadamente constante sin afectar el torque del motor, la tensión de línea debe variar también proporcionalmente a la frecuencia, es decir, debe ser aproximadamente constante. III. CONVERSOR AC/DC RESULTADOS Fig. 7. Puente Inversor (Simulación). Para la conversión AC/DC se utilizó un puente rectificador trifásico no controlado. Los diodos que se escogieron para el proyecto soportan 1000V de voltaje reverso lo cual es suficiente para un puente trifásico que requiere que los diodos soporten aproximadamente 440V ( ). El capacitor encargado del filtro debe tener una alta capacitancia para poder filtrar y eliminar el rizado, por esto se utilizaron capacitores de que soporten como mínimo 315V (pico de la fuente de alterna) en paralelo, obteniendo así. Para evitar altas corrientes debido a que inicialmente los capacitores descargados se comportan como un cortocircuito, se diseño un sistema para aumentar el tiempo de carga del capacitor; éste se conforma por un switch y una resistencia en paralelo, ambos en serie con el capacitor (Fig. 6). Fig. 8. Conversor AC/DC y Puente Inversor (Implementación) CIRCUITOS DE DISPARO Cada MOSFET del puente inversor es controlado por pulsos de voltaje de 12V DC; para aislar los disparos del circuito de control, fue necesario implementar opto acopladores para altas frecuencias (Fig. 9), ya que en el proyecto se requiere trabajar con una frecuencia de conmutación mayores a 2KHz. La inclusión de una resistencia hace que el capacitor se cargue más lentamente, de esta manera no se produce un cortocircuito al alimentar el bus DC. Fig. 9. Acoplamiento al Puente Inversor (Simulación) Fig. 6. Conversor AC/DC (Simulación). Fig. 10. Acoplamiento al Puente Inversor (Implementación)
DISEÑO DE SOFTWARE Para la generación de pulsos de control y la interfaz grafica con el usuario se utilizaron dos microcontroladores interconectados mediante comunicación serial. Uno de los microcontroladores se encarga de leer tablas generadas en EXCEL introducidas en el (Fig. 11), en las cuales se define: Índice de modulación. Frecuencia Tiempos muertos Mediante el índice de modulación se mantiene la relación entre magnitud y frecuencia del voltaje aplicado constante. De esta manera se puede obtener altos torques al aumentar la frecuencia. Sin embargo a bajas frecuencias, la caída de voltaje en la resistencia del estator es alta, impidiendo alcanzar el torque máximo, para lo cual, se compensa el torque incrementado el índice de modulación y por ende la magnitud de voltaje, para motores que necesitan alto torque de arranque. Al acoplar las partes constitutivas antes mencionadas obtenemos el circuito completo del variador de velocidad (Fig. 14-16). Fig. 11. ATMEGA644 (Generación de Pulsos) Fig. 14. Circuito Total Mientras el segundo microcontrolador es el encargado de la HMI (Fig. 12-13); éste microcontrolador maneja 4 pulsadores y un LCD presentando el siguiente menú: Fig. 12. ATMEGA164P (Simulación) Fig. 15. Circuito Total EMSAMBLAJE FINAL Fig. 13. ATMEGA164P (HMI) El variador de velocidad trifásico diseñado nos permite generar una onda SPWM de frecuencia variable entre 0 y 100 Hz con intervalos de 5 Hz. Fig. 16. SPWM a 60Hz
FRENO DINÁMICO Considerando que el motor de inducción está trabajando a una frecuencia de estator fo y a una velocidad del rotor ωr0. Si la frecuencia del estator es reducida a f1, la nueva velocidad sincrónica es ωs1, lo cual produciría un Torque electromagnético (Tem) negativo, lo cual disminuye la velocidad rápidamente (Fig. 17). La inercia restante del motor genera una fuerza electromotriz que regresa al bus DC a través de los diodos en anti paralelo del inversor, lo cual eleva el voltaje en el bus DC. Este incremento de voltaje es nocivo para el rectificador trifásico, por lo cual es necesario implementar un circuito adicional, para evitar fallas y disipar dicha energía. Al generar las tablas de las formas de onda del SPWM externamente al microcontrolador evitamos una alta cantidad de procesamiento innecesario y tener altas frecuencias de trabajo. Por lo cual podemos aprovechar otras funciones del microcontrolador como son los puertos de comunicación. El control de un motor AC mediante variación de frecuencia es un método relativamente complejo, pero que ofrece una gran controlabilidad del motor, ya que nos permite variar la velocidad de manera suave, controlando el torque inclusive a bajas velocidades sin pérdidas altas como en otros métodos como el de inclusión de resistencias rotóricas adicionales. El freno dinámico es una técnica de frenado que permite controlar la velocidad del motor en base a la medición de voltaje en el bus DC cuando este funciona como generador. Es importante mencionar que la energía obtenida puede ser utilizada para cargar una batería, como es el caso de los automóviles híbridos, el cual seria un gran tema de análisis. De pruebas anteriores se concluye que la inercia del motor debe ser relativamente alta para poder observar la generación de energía al frenar el motor. V. BIBLIOGRAFÍA Fig. 17. Principio del Frenado Dinámico. Se mide el incremento de voltaje en el bus DC (Fig. 18), y se compara con el máximo incremento permitido de voltaje. Si supera esta barrera, el microcontrolador activa una señal PWM al Gate de un Mosfet, con un foco en el Drain. Este troceador disipa el incremento de energía en el bus DC. Evitando fallas en el sistema. RASHID, Muhammad H. ELECTRÓNICA DE POTENCIA Circuitos, Dispositivos y Aplicaciones. Segunda Edición, Traducido por Ing. Sánchez García Gabriel, Prentice may Hispanoamericana, S. A., México, 1993 RIVERA, Pablo, Control de Máquinas Eléctricas, EPN, 2000 Fig. 18. Medición de Voltaje y Disparo (Simulación) IV. CONCLUSIONES Se ha probado el variador trifásico con una variación de frecuencias entre 0 y 100Hz en intervalos de 5 Hz, satisfactoriamente, además el índice de modulación para cada frecuencia, cumple con la relación de V/f constante. Sin embargo a bajas, frecuencias las perdidas en la resistencia rotórica, no permiten que el motor arranque. Por lo cual para proyectos futuros se planteara realizar la compensación de torque como parte del variador de velocidad.