3 de Agosto al de Septiembre de 00 Buenos Aires, Argentina. CONTROL DE ELOCIDAD /HZ BIDIRECCIONAL DE UN MOTOR DE INDUCCIÓN MONOFÁSICO USANDO EL MC68HC908MR3 Pablo Andrés Lencinas Asesor: Ing. José Luis Bossa Laboratorio de Control Automático (LCA) Facultad de Ingeniería y Ciencias Económico-Sociales Universidad Nacional de San Luis pabloandreslencinas@hotmail.com Resumen: En este trabajo se presenta el diseño de un control de velocidad /f bidireccional de un motor monofásico implementado en un microcontrolador de 8 bits de bajo costo, el MC68HC908MR3. Este control tiene como característica principal, que las tensiones en cuadratura necesarias para hacer girar el motor se sintetizan a partir de un puente trifásico. Se demuestra como a partir de un sistema de fasores trifásicos desbalanceados se puede generar un sistema de fasores bifásico, en cuadratura y de amplitudes conocidas, y se muestran resultados experimentales que validan el control propuesto. Palabras claves: motor monofásico, control /Hz bidireccional, microcontrolador.. INTRODUCCIÓN Los Motores de Inducción Monofásicos (MIM) son los motores eléctricos más utilizados a nivel domiciliario. Esto se debe a su bajo costo, a que prácticamente no requieren mantenimiento y, debido a que se alimentan directamente de la red monofásica domiciliaria. En particular los motores monofásicos sin escobillas de dos bobinados, uno de anque y otro permanente, son el componente fundamental de electrodomésticos tales como, ventiladores, heladeras, equipos de aire acondicionado, extractores, bombas, entre otros. En este trabajo se propone un control /F bidireccional de un motor monofásico a partir de un microcontrolador (MC) de 8 bits de bajo costo de Freescale, el MC68HC908MR3. También se propone utilizar una topología de electrónica de potencia, alimentando al MIM con tres tensiones trifásicas desbalanceadas, sintetizadas a partir de un inversor trifásico, consiguiéndose mejoras considerables con respecto a la topología convencional de un inversor monofásico (Holmes et al, 993; Ba-thunya et al, 00), prescindiendo de circuitos auxiliares para el anque y cambio de sentido de giro. A su vez se diseñó y desolló la placa de control necesaria para el funcionamiento del MCU utilizado. Este desollo fue presentado como trabajo final de la cera Ingeniería Electricista-Electrónica de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Económico Sociales de la Universidad Nacional de San Luis. El resto del trabajo se organiza de la siguiente manera. En la sección se describe el hardware utilizado. En la sección 3 se describe el desollo del control. En la sección 4 se muestran las experiencias obtenidas. Finalmente, en la sección 5, se presentan las conclusiones y trabajos futuros. En la Figura se muestra una foto del sistema implementado.. IMPLEMENTACIÓN DEL HARDWARE DEL SISTEMA.. Elección de la topología del inversor En este trabajo la topología empleada no es la de un inversor monofásico, si no la de un inversor trifásico que se usa para generar tres fases desbalanceadas tal que las tensiones de línea generadas, que alimentan a los bobinados auxiliar y principal, estén desfasadas 90 grados entre sí.
3 de Agosto al de Septiembre de 00 Buenos Aires, Argentina. Fig. : Sistema Implementado Para explicar porqué se optó por esta topología, se considerará en primer lugar la topología de un inversor monofásico, la cual se podría considerar como convencional (Microchip, 005). Analizando la figura, se puede ver que desde el punto de vista del control es relativamente más fácil realizar el código de programa para el controlador del motor si se utilizara una modulación de ancho de pulso (en inglés Pulse-Width Modulation, PWM), y sólo dos pares de salidas necesarias complementarias para generar las señales de disparo de las llaves semiconductoras. Esta modificación requiere el doble de llaves semiconductores y circuitos de disparo, y la necesidad de contar con ocho salidas PWM en el controlador. Se puede modificar la topología convencional como muestra la figura 4. Esta configuración incorpora un divisor de tensión para generar una referencia de tensión nula (neutro). La conexión con el MIM es diferente y necesita un algoritmo de control más complejo para generar las ondas de tensión necesarias (Yedamale, 004). Pero esta topología presenta las siguientes desventajas: Debido a que el bobinado de anque tiene una impedancia mayor a la del bobinado de marcha, el consumo de los bobinados será distinto y por tanto, el desgaste de los semiconductores de potencia será desparejo. El punto común de los bobinados del motor está conectado al neutro de la línea, esto hace que aumenten los armónicos inyectados a la línea por el inversor. La tensión en el bus de corriente continua es el doble que en la topología convencional, debido al circuito rectificador. A causa, también del rectificador, se utilizan dos capacitores, el costo del inversor aumenta. Fig. : Topología convencional para un inversor monofásico Esta topología presenta las siguientes desventajas: No se puede invertir el sentido de giro del motor. Para el anque del motor se necesita un capacitor, y si el mismo no es permanente, se requiere también de un circuito auxiliar para la desconexión del capacitor a velocidad nominal de giro del motor. Debido a que la impedancia del capacitor depende de la frecuencia, no producirá el mismo desfasaje en las tensiones principal (o anque) y auxiliar para todas las frecuencias que genera el control, lo cual le quitará eficiencia al motor. Por otro lado, pueden utilizarse dos inversores monofásicos conectados como lo muestra la figura 3, solucionando algunos de los problemas antes mencionados. Fig. 3: Topología modificada utilizando dos inversores monofásicos Finalmente, si se utilizara un inversor trifásico para alimentar al MIM (figura 5), se incorporan las siguientes ventajas con respecto a las topologías anteriores (Holmes et al, 993; Ba-thunya et al, 00), y es por ello que en este trabajo se optó por esta última: La tensión del bus de CC disminuye, por lo que se puede omitir uno de los capacitores.
3 de Agosto al de Septiembre de 00 Buenos Aires, Argentina. Fig. 4: Topología convencional para un inversor monofásico El punto común de las dos bobinas del motor está conectado al inversor, disminuyendo así la emisión de ruido y a la inyección de armónicos a la red. Se puede utilizar un controlador que cuente con seis salidas PWM, tal como los dedicados al control de motores trifásicos. Se puede realizar cambio de sentido de giro. con su respectivo el driver, y aislación y adaptación de las señales de control de la etapa de potencia (Bossa et al., 006). La planta a controlar es un motor de inducción monofásico, rotor jaula de ardilla modelo LMOICINXX/4 de la empresa WEG de 0 RMS y 0,5 kw. El controlador utilizado para el control es un microcontrolador de 8 bits de bajo costo, modelo MC68HC908MR3 de Freescale, cuenta con periféricos orientados al control de motores eléctricos como ser: módulo PWM, módulo ADC, manejador de interrupciones, entradas y salidas digitales, entre otros (Freescale, 005). El MC se montó sobre una placa diseñada y desollada para este trabajo. La misma permite dos opciones de funcionamiento, una en modo programación, y la otra en modo usuario, que permite al MC correr el programa. Se adaptó la placa Eval- 08-QTY de Electrocomponentes S.A. para poder programar el MC utilizando el puerto serie, como lo muestra el esquema lo muestra la figura 7. Fig. 5: Topología de un inversor trifásico Como desventajas del uso de esta topología, se pueden mencionar que el algoritmo de control a utilizar es más complejo, y se necesita una pierna extra de semiconductores de potencia en comparación con un inversor monofásico... Descripción del hardware utilizado La Figura 6 muestra el diagrama en bloques del sistema implementado. Fuente de Energía (Bus de CC) Interfaz Hombre-Máquina Actuador (Puente Trifásico) Controlador (MC68HC908MR3) Planta (MIM) Fig. 6: Diagrama en bloques del sistema implementado A continuación de hace una breve descripción del hardware utilizado para realizar el control. Como fuente de energía para el bus de CC que alimenta al actuador, se utilizó un rectificador trifásico que cuenta con protecciones para sobretensiones, sobre corrientes, y contra variaciones rápidas de tensión (d/dt). La parte principal del actuador está constituida por un puente trifásico, compuesto por transistores IGBT, Fig. 7: Programación del MC68HC908MR3 La referencia de velocidad, como así también los comandos de anque, parada, y cambio de sentido de giro se realizan a través de una interfaz hombremáquina (en inglés Human Machine Interface, HMI). En la misma se incluyeron señalizaciones para el estado de marcha y parada, y dos visualizadores de 7 segmentos para mostrar la frecuencia de referencia y la calculada por el MC. 3. IMPLEMENTACIÓN DEL CONTROL 3.. Teoría de operación En este trabajo se utilizó para la generación de las dos señales senoidales y desfasadas 90º entre sí, una terna desbalanceada. Se puede demostrar cómo, a partir de dicho sistema trifásico desbalanceado cuyos fasores tienen como condición tener la misma amplitud, se puede generar un sistema bifásico en cuadratura y de amplitudes conocidas (Holmes et al, 993; Yuanhai et al, 00; Microchip, 005). Para ello se definirá en primer lugar a la relación de transformación del motor como: m 3.
3 de Agosto al de Septiembre de 00 Buenos Aires, Argentina. Donde marcha y anque. m es la tensión aplicada al bobinado de es la tensión aplicada al bobinado de Con el propósito de que las llaves semiconductoras soporten las mismas tensiones de bloqueo inversa, se establece como condición, que los módulos de las tensiones de fase generadas por el inversor deben ser iguales. Es decir, 3. a b c Donde An; b Bn; c Cn (ver fig 8) a Se puede armar un sistema vectorial (figura 9a) de acuerdo a las premisas mencionadas. Del mismo se obtiene que, b c 3.3 m a c 3.4 Relacionando la ecuación 3. con el triángulo rectángulo formado por, m y de la figura 8a, se tiene que, - - tan tan 3.5 Analizando el triangulo isósceles formado por, y del diagrama vectorial, se observa que, o 80 3.6 Por tanto, o - 80 tan 3.7 Aplicando el teorema de Pitágoras, puede ser calculado como, m a 3. 8 Quedando, Fig. 8: Tensiones generadas 90 Remplazando a por m 3.9 b c m a ( m 3.0 Conociendo m y, con el motor conectado a la red sin el inversor y con el capacitor conectado se puede calcular de forma aproximada como. m R 3. R Xc_ Donde estas magnitudes se pueden apreciar en la fig 0 (aquí se desprecia la reactancia inductiva del bobinado de anque). De estas relaciones se puede obtener y luego. m (a) Fig. 9: Sistema generador (rojo) y generado (negro) Fig. 0: Sistema generador (rojo) y generado (negro)
3 de Agosto al de Septiembre de 00 Buenos Aires, Argentina. Por tanto de deberá generar una tabla para modular las salidas PWM del MC según las siguientes funciones: a () t cos dc t 3. () t b cos dc t 3.3 c () t cost dc 3.4 Donde, dc es el voltaje del bus de cc, y ω la velocidad angular del fasor. Nuevamente y de las figuras 9a y 9b, se puede ver que el sentido de rotación del MIM se controla cambiando el signo del ángulo. 3.. Control /Hz Cuando el motor está en marcha y tiene una carga acoplada, resulta deseable que el torque entregado por el motor se mantenga constante a cualquier velocidad. Asimismo, debido a que la reactancia inductiva del motor disminuye con la frecuencia, se debe reducir la tensión de alimentación del mismo para evitar sobrecorrientes. Teniendo en cuenta estas dos condiciones, se puede mantener el flujo inducido del motor constante si se delimita la tensión en función de la frecuencia. Finalmente, a muy bajas frecuencias el flujo en el entrehierro se debilita debido a que una disminución de la inductancia del motor frente a la preponderancia la resistencia resultando en una caída importante de la fem inducida, para compensar la caída en la resistencia del estator se agrega un valor constante de tensión que puede variar entre el 0 al 0% de la tensión nominal. (Rashid, 995). De acuerdo a lo mencionado anteriormente, la relación /Hz se puede expresar como: k 3.5 0 f 3.3. Programación del MC El programa del MC fue desollado en el entorno CodeWior de la empresa Freescale, en lenguaje C. 3.4. Configuración de los periféricos Se utilizó el módulo de generación de reloj para generar la frecuencia de reloj base para el MC. Como fuente del reloj se configuró el PLL (Phase Lock Loop) interno del MC y se utilizó un cristal de 9.8304 MHz, ya que resultó óptimo tanto para el funcionamiento en modo usuario como en modo de programación a través del puerto serie. Quedando la frecuencia de bus fijada en 7.378MHz. Tanto el control del estado del motor y el control /F se hacen en tiempo real, el mismo es implementado por medio de dos interrupciones periódicas generadas por dos temporizadores, el TIMA y el TIMB cuya función es descripta debajo. TIMA, genera la interrupción periódica para el monitoreo de las señales de comando encendido/apagado, lectura de referencia de velocidad y sentido de giro del motor. TIMB, genera la interrupción periódica (de periodo variable) que sirve de base de tiempo para el bido de las tablas de generación de las ondas senoidales y, realiza el control /Hz. El módulo PWM fue utilizado para generar las señales de disparo de cada una de las llaves semiconductoras del puente trifásico. Se lo configuró para generar un PWM de 4.4 khz, y salidas complementarias. Se utilizó una tabla de 9 valores para lograr que, por medio de la modulación del ancho de pulso, se logre formar una onda cuadrada cuyo ciclo de trabajo module una onda senoidal en las salidas físicas del módulo PWM. Para la comunicación con la HMI se configuraron puertos digitales de entrada/salida, tanto para los comandos como para las señalizaciones. 3.5. Control Implementado El control implementado consiste en leer la frecuencia deseada y al resultado de esta lectura se le aplica el control /f que escala según la ecuación 3, el valor de la amplitud de salida en función de la frecuencia de salida (figura ). Al utilizar un MC de 8 bits y punto fijo, el escalado del ciclo de trabajo de las salidas del módulo PWM es llevado a cabo a través de una tabla que contiene los números a dividir, donde los valores que se extraen de esta tabla dependen de la frecuencia de salida actual. Por encima de la frecuencia nominal se mantiene la amplitud máxima constante debilitándose el campo a medida que aumentamos la frecuencia por encima de este valor. El desfasaje de las tres ondas senoidales se realiza variando el comienzo de la tabla durante su bido según la teoría de operación descripta anteriormente. Fig. : Diagrama de bloques del control implementado
3 de Agosto al de Septiembre de 00 Buenos Aires, Argentina. El anque/parada del motor es realizado mediante unas rampas con la misma aceleración. El cambio de dirección también se realiza mediante estas rampas. 4. RESULTADOS EXPERIMENTALES En primer lugar se aplicó una tensión reducida al bus de CC y se conectó una carga RC trifásica en estrella para comprobar el funcionamiento del control propuesto. La figura muestra las tensiones de salida del inversor aplicadas para un sentido de giro. Y, en la figura 3 se ve claramente el cambio de desfasaje de las señales al invertir el sentido de giro, se utiliza un filtro para poder apreciar mejor el cambio de desfasaje. Fig. 4 Tensión bobinado principal Luego se conectó al motor según la topología elegida. Las figuras 4 y 5 muestran las tensiones aplicadas al bobinado principal y auxiliar, respectivamente. Las figuras 6 y 7 muestran las corrientes consumidas por el motor. La distorsión en la corriente del bobinado de anque, I, de debe a la saturación del hierro del estator. Fig. 5: Tensión bobinado auxiliar Fig. 9: Sentido de giro izquierdo Fig. 6: Corriente bobinado principal Fig. 03: Sentido de giro derecho Fig. 7: Corriente bobinado auxiliar La figura 8 muestra el cambio en la amplitud de la tensión del bobinado principal, m, a medida que varía la frecuencia de acuerdo a la estrategia /Hz.
3 de Agosto al de Septiembre de 00 Buenos Aires, Argentina. Finalmente, la figura 9 muestra un cambio de sentido de giro, comprobando que el control de velocidad bidireccional se comportó correctamente. 5. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS En este trabajo se presentó la implementación de un control de velocidad bidireccional /Hz de un motor de inducción de monofásico usando el MCU MC68HC908MR3 de Freescale y un puente trifásico. Los resultados experimentales validaron el control implementado y la topología utilizada. Se incluyó una interfaz hombre-máquina. La misma funcionó correctamente permitiendo al usuario controlar el anque, parada, cambio de sentido de giro y velocidad del motor. Como trabajos futuros se pretende cerrar el lazo de control, e incorporar la posibilidad de modificar la aceleración. Bossa J.L., Serra F.M., Falco C.A. (006), Banco didáctico dedicado a la electrónica de potencia, XX Congreso Argentino de Control Automático, AADECA 006. Buenos Aires, Argentina. Freescale Semiconductor, Inc., (005). MC68HC908MR3, MC68HC908MR6 Data Sheet. Holmes, D. G. y Kotsopoulos, A. (993), ariable Speed Control of Single and Two Phase Induction Motors Using a Three Phase oltage Source Inverter, Industry Applications Society Annual Meeting, 993., Conference Record of the 993 IEEE, pp. 63-60 vol.6. Microchip (005). AN967 Bidirectional -F control of single and 3-fhase Motors using the PIC6F7. Rashid M.H. (995). Electrónica de Potencia: Circuitos, Dispositivos y Aplicaciones, Prentice Hall, nd. Edition, México. Yedamale P. (004). Three Ways to Control a Single-Phase Induction Motor. Design News. Yuanhai, C., Blaabjerg, F. y Andersen, G. (00), An Asymmetrical Space ector Method for Single Phase Induction Motor, Industrial Electronics, 00. ISIE 00. Proceedings of the 00 IEEE International Symposium on, pp. 76-78 vol.74. Fig. 38: Curva /F tensión principal Fig. 49: Tensión durante el cambio de giro REFERENCIAS Ba-thunya, A. S., Khopkar, R., Kexin, W. y Toliyat, H. A. (00), Single Phase Induction Motor Drives-a Literature Survey, Electric Machines and Drives Conference, 00. IEMDC 00. IEEE International, pp. 9-96.