RESUMEN El proyecto consiste en el diseño y montaje de un inversor de tres niveles utilizado en el accionamiento de los motores de inducción. Desarrollar un algoritmo de control para el control directo del par y realizar pruebas en el laboratorio. El proyecto está vinculado con una tesis de doctorado. INTRODUCCIÓN A partir de los 90, el inversor multinivel se ha extendido hacia las aplicaciones de mediana y altas potencias incluyendo entre éstas los accionamientos de los motores de inducción. Las características del inversor multinivel que más influyeron en esta extensión son: su capacidad de incrementar la magnitud del voltaje de salida y de reducir el contenido de armónicos en las señales de corrientes y de voltajes por el lado de corriente alterna, y de reducir la frecuencia de conmutación de los semiconductores de potencia del inversor y el voltaje que deben soportar estos semiconductores. Debido a las atractivas características mencionadas anteriormente y que impulsaron su aplicación, en los últimos años han sido propuestos diferentes algoritmos de control y se han incrementado el número de investigaciones vinculadas con esta área. La idea central del proyecto que estamos concluyendo es aplicar el inversor de tres niveles en el accionamiento de un motor de inducción utilizando un algoritmo para el control directo del par y del flujo del motor. Este algoritmo debe basarse en un control predictivo del par electromagnético y del flujo del estator del motor sin necesidad de usar controladores de histéresis, donde se aplique la modulación del ancho de los pulsos con vectores espaciales con el objetivo de sintetizar el vector de voltaje generado por el inversor y que es aplicado al estator del motor, generándose un mínimo de rizado del par y del flujo y alcanzándose un buen desempeño en las bajas velocidades. En general se prevén tres etapas: primero se realizaría el estudio, comprensión y búsqueda bibliográfica donde se incluya el estado del arte sobre el tema de trabajo (concluída en el período marzo - abril /2005), segundo se realizara una simulación de todo el sistema y finalmente se implementaría a nivel del laboratorio donde los resultados experimentales deben corroborar el diseño realizado y su simulación. MÉTODOS Y MATERIALES El proyecto se desarrollo en el laboratorio de Electrónica de Potencia de la SEPI en el dpto. de Ing. Eléctrica, los materiales utilizados en parte fueron adquiridos con los recursos del proyecto de investigación (otros fueron adquiridos con los recursos de los participantes) y el equipamiento utilizado fue el que se tenía en el laboratorio. Equipos utilizados: Osciloscopio de cuatro canales Tarjeta dspace DS1103. Tacómetro digital. PC Banco de pruebas (motor de inducción acoplado mecánicamente con una máquina de CD).
Dispositivos y materiales utilizados: Módulos de dos IGBT (40MT120UH) de IR. Se utilizaron 6 módulos. Circuitos integrados para el control de las compuertas de los IGBT (IR2110), se utilizaron seis CI. Componentes electrónicas discretas (capacitares, diodos, resistores, etc.). Fuentes de alimentación (de 5 y 15 V). Circuitos impresos. Dispositivos de protección (disyuntores, fusibles, etc.). Los materiales y componentes se adquirieron en tiendas especializadas donde se distribuyen componentes electrónicas, así como distribuidores autorizados, las facturas que justifican las adquisiciones se entregaron y se hizo el procedimiento requerido, ejerciéndose en un 100% los recursos durante los tres años del proyecto. Etapas en la investigación: 1. Se realizó un estudio bibliográfico recopilándose artículos vinculados con el tema. 2. Se diseñó el inversor y se trazó un plan de trabajo. Se realizó una tesis de licenciatura vinculada con el tema, con esta tesis se avanzó en el montaje del inversor y en las pruebas en el laboratorio. 3. Se realizaron pruebas en el laboratorio donde se probó un algoritmo PWM, se implementó el tiempo muerto por hardware, con lo cual se garantiza el correcto funcionamiento del inversor. Se presentaron varias ponencias en eventos internacionales y nacionales. 4. Se ha trabajado en los algoritmos de control para la implementación del DTC utilizando en inversor de tres niveles en el accionamiento del motor de inducción. La simulación se realiza en Matlab/Simulink debido a que la tarjeta que se utiliza (DS1103) se programa en este lenguaje. Actualmente se trabaja en los algoritmos de control y se realizan pruebas en el laboratorio. Importancia del proyecto. Con este proyecto se logró adquirir los materiales y componentes necesarios para desarrollar la investigación, la cual ha estado vinculada fundamentalmente con el desarrollo de una tesis de doctorado (aún en proceso). Se concluyeron durante el período (tres años) un total de cinco tesis de maestría y tres tesis de licenciatura, y se vinculó con la investigación a cinco estudiantes PIFI. Además se realizaron (profesores y estudiantes) durante los tres años veinte ponencias en congresos internacionales en México y en el extranjero, y siete ponencia en eventos nacionales. Posteriormente en el informe se expone con mas detalle los resultado en cada uno de los tres años.
RESULTADOS (enero a diciembre de 2006) Meta 1: Montaje en el laboratorio del inversor de tres niveles. Se realizó el montaje en el laboratorio del inversor de tres niveles (figura 1) y se probó en el laboratorio. Figura 1. Inversor de tres niveles Meta 2: Utilizar la tarjeta de dspace y programarla. Lograr la comunicación con el inversor. En la figura 1 se muestra un diagrama de cómo se implementó el sistema de control del motor de inducción utilizando la tarjeta DS1103 de dspace. La tarjeta se colocó dentro de una PC y en su programación se realiza en lenguaje Matlab/Simulink. Las salidas de la tarjeta son señales digitales PWM las cuales entran a los circuitos integrados IR2110 a través de aisladores ópticos. Las salidas de los IR2110 llegan a las compuertas de los IGBT los cuales forman el inversor de tres niveles. El inversor de tres niveles (figura 1) está representado en la figura 2 por el bloque denominado IGBT-based Invertir el cual es alimentado por una fuente de CD la cual se implementó utilizando un puente inversor trifásico y un filtro (ver figura 3). La adquisición de las señales del motor (corriente y posición) se realiza utilizando dos sensores de corriente del tipo efecto Hall (LTS 25-NP), los cuales fueron adquiridos con los recursos del proyecto en USA, y un encoder conectado en la flecha; en la figura 2 se muestran las señales de corriente y velocidad la cual se calcula a partir de la señal de posición.
High Alarm Low Alarm Comm. Err. En la figura 4 se muestra el circuito aislador óptico utilizado para el aislamiento de la etapa de control y de potencia, este circuito esté representado en la figura 2 por el bloque gate drive and isolation. En la figura 5 se muestran los circuitos de control de las compuertas los cuales se implementaron utilizando los circuitos integrados IR2110. En las figuras 6 a la 9 se muestran algunos resultados que se obtuvieron en el laboratorio en la implementación del inversor de tres niveles. Figura 2: Sistema de control del motor de inducción utilizando la tarjeta DS1103. Figura 3: Fuente de poder que alimenta el inversor
Figura 4: Circuito aislador óptico. Figura 5: Circuito de control de compuertas de los IGBT. Figura 6: Tiempo muerto de las señales de control en las compuertas de los IGBT
Figura 7: Señal de salida PWM de una fase del inversor obtenida de forma experimental. Figura 8: Señales de control del inversor de tres niveles
Figura 9: Señal de voltaje entre dos fases del inversor de tres niveles obtenida de forma experimental. Meta 3: Concluir una tesis de Maestría Se concluyó la tesis: Diseño de una Interfaz de Potencia para el Accionamiento de un Motor de Inducción Utilizando la Tarjeta DS1103 de dspace, realizada por la alumna Nayeli Ramón Lara y fue concluida en enero del 2006. Además se concluyó una tesis de licenciatura: Diseño y Montaje de un Inversor Trifásico de Tres Niveles realizada por el alumno Gustavo Alfonso Alonso Silverio y fue concluida el 8 de Agosto del 2006. Estos trabajos permitieron obtener el primer prototipo de un inversor para accionar el motor de inducción. Meta 4: Escribir dos trabajos para congresos internacionales. Se presentaron en el 2006 siete trabajos en congresos internacionales y nueve en congresos nacionales, donde participaron todos los profesores y estudiantes vinculados con el proyecto. Meta 5: Escribir un trabajo para una revista del padrón del CONCyT. Se escribió un artículo para la revista CIENTÍFICA de la ESIME que se encuentra en el padrón del CONACyT y que sale publicada en enero del 2007 (ver ficha de productividad) y un artículo en la revista internacional INTELLIGENT
AUTOMATION AND SOFT COMPUTING (ver ficha de productividad) que también sale publicada a finales de enero del 2007. IMPACTO El beneficio del proyecto ha sido fundamentalmente social y educativo. La cantidad de tesis de Maestría y de Licenciatura concluidas durante los tres años del proyecto fue: Primer año (enero diciembre del 2004): Una tesis de Maestría concluida Segundo año (enero diciembre del 2005): Tres tesis de Maestría y una de Licenciatura concluidas. Tercer año (enero diciembre del 2005): Una tesis de Maestría y dos de Licenciatura concluidas. La participación en Congresos nacionales e internacionales por años fue la siguiente: Primer año (enero diciembre del 2004): Cinco ponencias en Congresos Internacionales. Los eventos donde se participaron fueron: 17 Reunión de Verano de Potencia, Aplicaciones Industriales y Exposición Industrial. RVP-AI/2004. IEEE Sección México. 11 17 de Julio 2004, Aca., Gro. 39 th International Universities Power Engineering Conference. 6-8 September 2004 Bristol UK. Tres ponencias en Congresos Nacionales. Las ponencias se presentaron en: 8 vo. Congreso Nacional de Ingeniería Electromecánica y de Sistemas. IPN. 15 10 Nov. 2004. Segundo año (enero diciembre del 2005): Ocho ponencias en Congresos Internacionales. Las ponencias se presentaron en:
18 Reunión de Verano de Potencia, Aplicaciones Industriales y Exposición Industrial. RVP-AI/2005. IEEE Sección México. 10 16 de Julio 2005, Aca., Gro. The 40 th International Universities Power Engineering Conference. 7 th 9 th September 2005. University College Cork, Ireland. 4 Congreso Internacional de Ingeniería Electromecánica y de Sistema. IPN. 14 18 Nov, 2005. Tercer año (enero diciembre del 2006): Siete ponencias en Congresos Internacionales. Las ponencias se presentaron en: Decimonovena Reunión de Verano de Potencia, Aplicaciones Industriales y Exposición Industrial. RVP-AI/2006. IEEE Sección México. 9 15 de Julio 2006, Aca., Gro. IEEE 4to. Congreso Internacional en Innovación y Desarrollo Tecnológico. Cuernavaca Mor.Octubre 11 13, 2006. Cuatro ponencias en Congresos Nacionales. Las ponencias se presentaron en: Noveno Congreso Nacional de Ingeniería Electromecánica y de Sistemas. IPN. Noviembre 13-17, 2006. En las ponencias participaron los profesores y los alumnos que trabajaron en el proyecto de investigación. Se publicaron tres artículos en revistas Dos en la revista nacional: Revista Científica de la ESIME (ISSN 1665-0654). Se publicó un trabajo en diciembre del 2004 (Vol. 4, No. 8) y el otro sale publicado en enero del 2007 (ver ficha de productividad). Uno en la revista internacional: Intelligent Automation and Soft Computing (Vol. 13, No.2, pp. 1-11, 2007, ISSN: 1079-8587), el artículo sale publicado en diciembre del 2007 (ver ficha de productividad). Se logró incrementar la infraestructura del laboratorio con los nuevos prototipos diseñados. Básicamente se diseñaron y montaron un inversor de dos niveles y otro de tres niveles, así como el hardware vinculado con estos (fuentes, conectores, etc.).