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Facultad de Ingeniería Eléctrica
Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica.
TRABAJO DE DIPLOMA.
“Diseño de un Variador de Velocidad, aplicado a
motores asincrónicos trifásicos”
Autor: Lázaro Yosvany Acosta Noda.
Tutor: Ing. Pedro Yoel Fleites Suárez.
Consultante: Ing. Jean Pierre Rivera Hernández.
Santa Clara
Curso 2007-2008
“Año 50 de la Revolución.”
Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas
Facultad de Ingeniería Eléctrica
Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica
TRABAJO DE DIPLOMA
“Diseño de un Variador de Velocidad, aplicado a
motores asincrónicos trifásicos”
Autor: Lázaro Yosvany Acosta Noda
e-mail operacol@elecmtz.une.cu
Tutor: Pedro Yoel Fleites Suárez Centro de operaciones, OBET Colón
e-mail operacol@elecmtz.une.cu
Consultante: Jean Pierre Rivera Hernández Centro de operaciones, OBET Colón
e-mail operacol@elecmtz.une.cu
Santa Clara
Año 2008
"Año 50 de la Revolución."
Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central
“Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios en la especialidad
de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea
utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial
como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización
de la Universidad.
Firma del Autor
Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de
la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un
trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.
Firma del Autor Firma del Jefe de Departamento
donde se defiende el trabajo
Firma del Responsable de
Información Científico-Técnica
DEDICATORIA
A mis padres y hermanos.
AGRADECIMIENTOS
A mi mamá, mi papá y mis hermanos por estar siempre a mi lado y ayudarme a hacer
posible el sueño de toda mi vida.
A Pedro Yoel Fleites Suárez quien me brindó todo su apoyo en el momento final y
decisivo, dando un paso al frente cuando otras personas no fueron capaces de asumir el
reto.
A Jean Pierre por su importante colaboración en el desarrollo del trabajo de diploma y la
implementación del dispositivo.
A mis dos nuevos hermanos, Osmany y Alberto, por su apoyo, en las buenas y las malas,
todos estos años que hemos tenido que enfrentar juntos.
Al resto de mis compañeros de estudios a quienes siempre recordaré
A Liuber Figueredo por su apoyo incondicional en todo este tiempo. Y a sus compañeros
en Agropecuaria.
Al colectivo de trabajadores de la Empresa Eléctrica en Colón por el apoyo brindado al
comienzo de mis estudios y durante todo este tiempo. Muy en especial a María del Carmen,
Norma y Wilfredo; así como a Oslaida, Yuniel, Héctor, Pedrito, Adalberto y Omar.
Al colectivo de trabajadores de la ECIE en Colón, en especial a Guillermo, Calvo, Magdiel
y Reinier.
A Bernardo Herrera por su ayuda en la ejecución del proyecto.
A todas aquellas personas que de una u otra forma han colaborado y me han brindado su
apoyo en estos años.
TAREA TÉCNICA
• Revisión bibliográfica sobre el tema a tratar para la construcción del marco teórico.
• Establecer la hipótesis para el diseño del proyecto. • Desarrollo del proyecto en función de los recursos disponibles • Validación del proyecto.
Firma del Autor Firma del Tutor
RESUMEN
A partir de la necesidad existente en nuestro país de contar con la posibilidad de realizar el
diseño de un variador de velocidad que, aunque posea menores prestaciones en
comparación con los variadores de velocidad comerciales, cumpla con los principales
requerimientos encontrados en las diferentes aplicaciones industriales y a la vez sea de
menor costo de producción que los que se importan; se traza el objetivo fundamental de
este proyecto: Diseñar un variador de velocidad, aplicando el método de la modulación del
vector espacial de tensión y dotar al mismo de las características más comunes para un
desempeño óptimo.
Para la ejecución del mismo se realiza búsqueda y revisión bibliográfica sobre el tema
donde se abordan los principales aspectos teóricos para el diseño del variador,
procediéndose posteriormente a la implementación del hardware que responde a las
exigencias previstas, tomando como eje central la aplicación de un micro-controlador PIC y
el software para el control del mismo. Se considera implementar en el dispositivo como
principales potencialidades la comunicación interactiva con el usuario a través de display y
teclado, arranque suave y protección ante fallas de sobre-corriente y variación del voltaje de
líneas fuera de los valores establecidos.
INDICE
DEDICATORIA ....................................................................................................................iv
AGRADECIMIENTOS..........................................................................................................v
TAREA TÉCNICA................................................................................................................vi
RESUMEN .......................................................................................................................... vii
INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................1
Organización del informe ...................................................................................................2
CAPITULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA .....................................................................4
1.1 La variación de frecuencia en motores asincrónicos trifásicos...............................5
1.1.1 Problemática existente. ...................................................................................5
1.2 Solución propuesta..................................................................................................6
1.3 La variación de frecuencia aplicada al control de la velocidad ..............................7
1.3.1 Leyes de control de velocidad. .......................................................................9
1.4 La modulación del vector espacial de tensión .....................................................10
1.4.1 El inversor trifásico.......................................................................................10
1.4.2 El vector espacial de tensión.........................................................................13
1.4.3 Expresiones para las temporizaciones. .........................................................14
1.4.4 Posición angular de los vectores dentro del sector .......................................16
1.4.5 Transiciones entre estados y generación de varios vectores por sector ........17
1.5 Pantallas de cristal líquido. Generalidades ...........................................................20
1.5.1 Características generales del LCD utilizado.................................................21
1.5.2 Operaciones sobre el LCD............................................................................24
1.6 El micro-controlador PIC......................................................................................28
1.6.1 EL micro-controlador 16F877. Generalidades .............................................29
CAPITULO 2 MATERIALES Y MÉTODOS ..................................................................33
2.1 La modulación del VET en este prototipo ............................................................34
2.1.1 Arranque suave .............................................................................................35
2.1.2 Tiempo muerto..............................................................................................36
2.2 Cálculo de las temporizaciones.............................................................................36
2.2.1 Cálculo de las temporizaciones para 12 vectores .........................................37
2.2.2 Cálculo de las temporizaciones para 24 vectores .........................................39
2.3 Diseño del hardware de dispositivo ......................................................................41
2.3.1 Desacoplamiento óptico................................................................................42
2.3.2 Excitadores o drivers ....................................................................................43
2.3.3 Protecciones Eléctricas ................................................................................44
2.3.4 Adaptación de las señales de salida de la protecciones ................................47
2.3.5 El rectificador para el bus de corriente directa .............................................48
2.3.6 Interfaces micro-controlador, teclado y LCD ...............................................52
2.3.7 Fuente de alimentación auxiliar. ...................................................................53
2.4 Diseño del software ..............................................................................................54
2.4.1 Estructura del software .................................................................................55
2.4.2 El programa principal ...................................................................................56
2.4.3 Subrutinas .....................................................................................................58
CAPITULO 3. RESULTADOS Y DISCUSION .................................................................68
3.1 Comprobaciones y resultados alcanzados.............................................................68
3.2 Análisis económico...............................................................................................75
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ...................................................................77
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................79
ANEXOS ..............................................................................................................................80
INTRODUCCION 1
INTRODUCCIÓN
En la actualidad los dispositivos que se comercializan, en nuestro caso los variadores de
velocidad, son dotados de una gran cantidad de prestaciones y potencialidades, creándose
así un producto altamente competitivo aunque en su aplicación final solamente se use una
parte pequeña de sus posibilidades. En la gran mayoría de los casos en que se aplica uno de
estos equipos se ha demostrado que generalmente se paga un precio superior con respecto a
la parte que realmente de el se utiliza. En este proyecto se pretende lograr un producto más
sencillo y de menor costo de producción, que cumpla con las principales necesidades en las
diferentes aplicaciones que encontramos actualmente en nuestro país.
En Cuba se han realizado algunos estudios sobre el control de velocidad de motores
asincrónicos mediante el método del VET con resultados significativos. En los mismos se
utiliza tecnología un tanto atrasada, específicamente en el control (familia de los micro-
controladores 8051), por lo cual se hace necesario lograr su implementación con nuevos
dispositivos de mejor obtención en el mercado y que presentan mayores prestaciones,
siendo el caso de los micro-controladores PIC. Además teniendo en cuenta que los
requerimientos de un producto en específico para cumplir las demandas del mercado son
cada vez mayores, se justifica aun más la realización de nuevos proyectos con los cuales se
contribuya a lograr un mejor desempeño de la actividad productiva en las diferentes esferas
de nuestra economía.
Con la ejecución del proyecto se dan soluciones a problemáticas modernas vinculadas con
la adquisición de un hardware de gran complejidad y valor cuya adquisición no es viable
actualmente en nuestro país. Con él se logrará dar respuesta a un gran número de
necesidades existentes a las cuales no se encuentran cubiertas actualmente.
INTRODUCCION 2
Entre otros este trabajo tiene como aportes fundamentales el diseño de un variador de
velocidad, utilizando un micro-controlador de la familia de los PIC, que cumpla con los
fundamentales requerimientos del mercado y con un costo inferior a los que se importan
hoy día, contribuyendo además al desarrollo de este tema en nuestro país. La obtención de
un proyecto que pueda ser utilizado como punto de partida para estudios posteriores o
mejoramiento de los resultados obtenidos. Los resultados de la investigación poseen una
aplicación práctica y teórica de gran trascendencia para todos los especialistas,
investigadores y diseñadores del control de velocidad de motores trifásicos asincrónicos
pudiendo servir como punto de partida para estudios posteriores relacionados con el tema o
proyectos más específicos y de mayor alcance.
Para la ejecución de este trabajo se trazan como objetivos fundamentales los siguientes:
- Realizar búsqueda y revisión bibliográfica sobre artículos y trabajos relacionados con el tema.
- Abordar los aspectos teóricos específicos para lograr el diseño del circuito. - Diseñar un dispositivo lo más simplificado posible pero que a su vez cumpla con
los requerimientos generales en las diferentes aplicaciones de accionamiento eléctrico actualmente.
- Implementar en el sistema una interfaz que posibilite la comunicación con el usuario, consistente en LCD y teclado, logrando una operación interactiva.
- Dotar al circuito de mecanismos de protección ante diferentes fallas que puedan generarse durante su funcionamiento, considerándose fundamentalmente sobre-corriente y variación del voltaje de línea.
Organización del informe
El informe está estructurado de la siguiente manera:
Introducción
En la misma se expone, entre otras, la importancia que representa para nuestro país el
desarrollo de este proyecto teniendo en cuenta la necesidad actual de estos equipos, los
aportes realizados y los objetivos trazados para el diseño del dispositivo.
Capítulo 1
Cuenta con un resumen los principales aspectos teóricos necesarios para el diseño del
variador de velocidad y se evidencia como ha venido evolucionando el control de la
INTRODUCCION 3
velocidad en motores trifásicos asincrónicos, su estado actual y la necesidad actual que
presenta nuestro país.
Capítulo 2
Se dedica en general a diseño del hardware y software necesario teniendo en cuenta los
principales requisitos que se deben cumplir para ello.
Capítulo 3
Se hace un análisis de los resultados obtenidos a partir de diferentes pruebas realizadas al
dispositivo y se incluye además el un análisis económico del diseño del variador de
velocidad.
Conclusiones y recomendaciones
Donde se reflejan los resultados alcanzados y las principales recomendaciones a partir del
cumplimiento de los diferentes objetivos trazados.
Capítulo 1 Revisión bibliográfica 4
CAPITULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
En este capítulo se evidencia como ha venido evolucionando el control de la velocidad en
motores trifásicos asincrónicos, su estado actual y la necesidad existente en nuestro país de
dispositivos destinados a esta tarea. Además se resumen los principales aspectos teóricos
necesarios para el diseño de las diferentes partes que componen el variador de velocidad.
La composición del capítulo es la siguiente:
Epígrafe 1.1 La variación de frecuencia en motores asincrónicos trifásicos.
Se muestra en el mismo como se ha venido desarrollando el tema de la variación de la
velocidad en motores y como ha ganado popularidad la variación de frecuencia como un
método de control de velocidad.
Se evidencia la problemática existente en nuestro país en cuanto al tema de la aplicación de
variadores de frecuencia.
Epígrafe 1.2 Solución propuesta en este proyecto al problema existente.
Se explica la solución que se propone en este proyecto así como los objetivos trazados para
el diseño.
Epígrafe 1.3 La variación de frecuencia aplicada en el control de la velocidad
Explicación de los diferentes métodos de variación de frecuencia, las leyes de control en
dependencia del tipo de carga y selección de la ley a utilizar en el proyecto.
Epígrafe 1.4 La modulación del vector espacial de tensión
Capítulo 1 Revisión bibliográfica 5
Donde se explica en que consiste la modulación del VET y como surge. Que es un vector
espacial de tensión.
La aplicación del inversor trifásico en este trabajo, expresiones para el cálculo de las
temporizaciones.
Epígrafe 1.5 Pantallas de cristal líquido
Se abordan los aspectos necesarios para la aplicación de este dispositivo en el proyecto.
Epígrafe 1.6 El micro-controlador PIC. Generalidades
Se muestran algunos temas relacionados con los PIC y las principales característica del
micro utilizado en el diseño.
1.1 La variación de frecuencia en motores asincrónicos trifásicos.
Es común encontrarse, tanto en la industria como en aplicaciones específicas, con la
necesidad de variar la velocidad de un motor en forma continua y manteniendo el torque en
el eje. En muchos de los casos además se hace necesario proporcionar a los motores de un
arranque suave y gradual hasta la velocidad final definida. Para lograrlo se han diseñado gran
diversidad de motores y equipos de regulación que satisfacen estas necesidades.
Entre los más comúnmente usados encontramos los motores de corriente continua
controlados mediante la variación de la tensión del inducido y los motores trifásicos
asincrónicos controlados mediante la variación de la frecuencia.
Por el amplio desarrollo que han venido presentando los dispositivos de estado sólido, los
cuales permiten conmutar grandes corrientes a tensiones industriales, se ha venido
popularizando el uso de variadores de frecuencia para motores asincrónicos por encima de
los motores de corriente continua, los cuales son más caros, de mayor volumen y necesitan
mayor mantenimiento. De esta forma la variación de velocidad mediante el control de la
frecuencia es un método muy utilizado y de buenos resultados en nuestros días.
1.1.1 Problemática existente.
En nuestro país son cada vez mayores los procesos en los cuales se necesita la aplicación de
un dispositivo para la variación de la velocidad en motores, teniéndose en cuenta los
Capítulo 1 Revisión bibliográfica 6
beneficios y ventajas que trae consigo. Pero a pesar de los buenos resultados obtenidos con
ellos en ocasiones resulta muy cara la adquisición de un determinado equipo pues existe la
tendencia de dotarlos de una gran cantidad de prestaciones y potencialidades, lográndose así
un producto altamente competitivo aunque en su aplicación final solamente se use una parte
pequeña de sus posibilidades. Quedando demostrado que generalmente se paga un precio
superior con respecto a la parte que realmente de el se utiliza.
En este proyecto se pretende lograr un producto más sencillo y de menor costo de
producción, pero que a su vez cumpla con las principales necesidades en las diferentes
aplicaciones que encontramos actualmente.
1.2 Solución propuesta
En Cuba se han realizado algunos estudios sobre el control de velocidad de motores
asincrónicos mediante el método del VET con resultados significativos. En los mismos se
utiliza tecnología atrasada, específicamente en el control (familia de los micro-controladores
8051), por lo cual se hace necesario lograr su implementación con nuevos dispositivos de
mejor obtención en el mercado y que presentan mayores prestaciones (familia de los PIC).
Además teniendo en cuenta que los requerimientos de un producto en específico para
cumplir las demandas del mercado son cada vez mayores, se justifica aun más la realización
de nuevos proyectos con los cuales se contribuya a lograr un mejor desempeño de la
actividad productiva en las diferentes esferas de nuestra economía. Quedando entonces como
premisa fundamental para la realización del proyecto a la siguiente: ¿Cómo contribuir a
satisfacer las principales expectativas que tiene actualmente el mercado cubano mediante la
obtención de un dispositivo que cumpla con los principales requisitos que se tienen y que a
su vez tenga un costo de producción menor que los que se importarían?
Para lograr lo anteriormente dicho se traza como objetivo fundamental el diseño de un
variador de frecuencia, con la aplicación de un micro-controlador PIC como eje fundamental,
aplicado en motores trifásicos asincrónicos. Que el mismo disponga de las principales
prestaciones necesarias para un buen desempeño, entiéndase entre otras comunicación
interactiva con el usuario, arranque suave, posibilidad de protección ante variaciones en los
parámetros de línea.
Capítulo 1 Revisión bibliográfica 7
1.3 La variación de frecuencia aplicada al control de la velocidad
El Motor de Inducción Trifásico es el más popular entre las Máquinas Eléctricas Rotatorias,
por lo que se puede encontrar en disímiles aplicaciones y por consiguiente accionando
diferentes tipos de cargas. Es por tanto, de gran importancia el poder disponer de métodos
que permitan de una forma u otra el poder variar su velocidad y con esto lograr una mayor
prestación en estos accionamientos.
Varios son los métodos de control de velocidad para los motores trifásicos asincrónicos, pero
el más utilizado actualmente es variando o controlando la frecuencia de alimentación del
motor, para así variar la velocidad del campo magnético giratorio y con él la velocidad del
rotor.
Pf
sπ
ω2
=
Un aspecto fundamental a tener en cuenta en la aplicación de este método es el tipo de carga
sobre la cual se efectuará el accionamiento. Aunque las características mecánicas de las
cargas tienen formas muy diversas, estas se pueden sistematizar y reunir en grupos básicos o
genéricos, los cuales se mostrarán a continuación:
Cargas de momento o par constante
En este caso el par es independiente de la velocidad de giro, este tipo de característica
mecánica (Fig. 1.1) se presenta en cargas en las que predomina la gravedad y la fricción, por
ejemplo, grúas, cintas trasportadoras.
Cargas de par cuadrático
En esta carga el par es proporcional al cuadrado de la velocidad (Fig. 1.2), son características
en accionamientos con elementos como ventiladores y bombas de agua.
Capítulo 1 Revisión bibliográfica 8
Fig. 1.1 Carga de par constante. Fig. 1.2 Carga de par cuadrático.
Cargas de par lineal
En este caso el par aumenta proporcional a la velocidad (Fig. 1.3) y es característica en
máquinas de tratamiento de papel, de pulir y en el caso de un generador eléctrico (con carga
eléctrica constante), como carga mecánica de un motor.
Carga de potencia constante
En las cargas de potencia constante ó de tipo hiperbólica, el par es inversamente proporcional
a la velocidad (Fig. 1.4) por lo que la potencia consumida es constante en toda la gama de
velocidades. Esta carga es típica de accionamientos con maquinas herramientas como tornos,
fresadoras, enrolladoras de cable, hilo, papel etc.
Fig. 1.3 Carga de par lineal. Fig. 1.4 Carga de potencia constante.
Capítulo 1 Revisión bibliográfica 9
1.3.1 Leyes de control de velocidad.
Ley de Kostenco
La “Ley de Kostenko” permite ilustrar, bajo las condiciones de: factor de sobrecarga
constante e igual al nominal y circuito magnético no saturado; la manera en que debe ser
controlada la frecuencia y la tensión.
c
nnn
MM
ff
UU
⋅=
Fig. 1.5 Característica mecánica del motor a tensión y frecuencia nominales
(característica mecánica natural; c.m.n.)
Sustituyendo los diferentes tipos de cargas mecánicas, se puede obtener la relación con que
se debe variar tanto la tensión como la frecuencia y obtener diferentes leyes básicas de
control a aplicar en cada caso.
Para el diseño de este dispositivo se considera la utilización de una de las 5 leyes que se
derivan del análisis anterior, la ley U/F = Constante, por ser en buena medida abarcadora y
de posible aplicación en los diferentes tipos de cargas.
ff
UU nn = U/f=constante
Capítulo 1 Revisión bibliográfica 10
1.4 La modulación del vector espacial de tensión
La modulación, es la forma empleada para sintetizar la tensión de salida de los inversores
partiendo de una fuente de corriente directa de valor constante. Según la técnica de
modulación empleada en el inversor, es posible obtener mejores o peores resultados en
cuanto al aprovechamiento de la fuente de alimentación, calidad de la tensión y corriente de
salida, así como las pérdidas de potencia en la conmutación.
Un estudio del proceso de modulación trajo consigo que en 1986 Van der Broeck (profesor
de la universidad de ciencias aplicadas de Köln, autor de diferentes trabajos relacionados con
la modulación del VET, planteara una nueva técnica de modulación “Space Vector
Modulation” (SVM), o sea, la Modulación del Vector Espacial (MVE), idónea para su
aplicación en procesadores digitales. En su origen, se planteó sobre la base de una
concepción bidimensional de los vectores generados por el inversor, la cual es aplicable en
accionamientos con motores de inducción. Su principal característica es que se sustituye todo
el sistema trifásico por un solo vector en el que la frecuencia esta determinada por su
velocidad de giro con el paso del tiempo.
1.4.1 El inversor trifásico
Un inversor trifásico (fig. 1.6) está conformado por tres ramas, cada una de ellas dispone de
dos interruptores, unidireccionales en tensión y bidireccionales en corriente. En el mismo
debe tenerse en cuenta un factor fundamental: Nunca deben conducir los dos
semiconductores de una misma rama a la vez.
Fig. 1.6 Inversor trifásico
Capítulo 1 Revisión bibliográfica 11
Teniendo en cuenta la consideración anterior se definen ocho posibles estados de
conmutación los cuales se pueden clasificar como:
V0 y V7 vectores nulos
V1, V2, V3, V4, V5 y V6 vectores activos
Una representación grafica de estos estados de conmutación se muestran a continuación.
Vector0 (V0) Vector7 (V7)
Vector1 (V1) Vector2 (V2)
Capítulo 1 Revisión bibliográfica 12
Vector3 (V3) Vector4 (V4)
Vector5 (V5) Vector6 (V6)
Al generar los vectores activos las combinaciones de encendido determinan dos posibles
combinaciones para una carga conectada en estrella Fig. 1.7
Fig. 1.7 Esquema en conmutación de la carga
La interconexión en paralelo de dos fases a un mismo potencial y a su vez en serie con la
restante, condiciona la aparición de una tensión equivalente a dU31 en las fases en paralelo
y dU32 en la fase independiente.
El signo de las tensiones de fase corresponde con el signo del terminal del bus de corriente
directa. Las tensiones de fases también pueden ser cero, debido al esquema de conmutación
que generan los vectores nulos. En las tensiones de líneas solo es posible obtener tres valores
Capítulo 1 Revisión bibliográfica 13
( , y 0). A continuación se muestra la tabla 1.1 donde se resume lo anteriormente
explicado.
dU dU−
Tabla 1.1 Vectores y sus correspondientes voltajes de fase y línea
Tensión de Línea Tensión de Fase Vector Estados Semiconductores en conducción Uab Ubc Uca Uan Ubn Ucn
V0 101010 462 0 0 0 0 0 0 V1 100011 162 +Ud 0 -Ud (+2/3)Ud (-1/3)Ud (-1/3)Ud V2 000111 132 0 +Ud -Ud (+1/3)Ud (+1/3)Ud (-2/3)Ud V3 001110 432 -Ud +Ud 0 (-1/3)Ud (+2/3)Ud (-1/3)Ud V4 011100 435 -Ud 0 +Ud (-2/3)Ud (+1/3)Ud (+1/3)UdV5 111000 465 0 -Ud +Ud (-1/3)Ud (-1/3)Ud (+2/3)UdV6 110001 165 +Ud -Ud 0 (+1/3)Ud (-2/3)Ud (+1/3)UdV7 010101 135 0 0 0 0 0 0
1.4.2 El vector espacial de tensión
El vector espacial de tensión ( ) es: sU
( )cnbnans UaUaUV ⋅+⋅+= 2
32
(1.4.2.1)
Donde , y son las tensiones instantáneas de un sistema trifásico y anU bnU cnU
a y : 2a
ο1201∠=a
οοο 2401120112012 ∠=∠⋅∠=a
Sustituyendo los valores de , y en la expresión (1.4.2.1) para cada uno de
los vectores V1, V2,…, V6 (véase tabla1.1) se obtienen los VET representados en la fig. 1.8.
anU bnU cnU
Capítulo 1 Revisión bibliográfica 14
Se aprecia que el módulo de los vectores activos será dU32
diferenciándose entre sí
solamente por el desfasaje que existe entre ellos ( ). En el caso de los vectores
(nulos) su módulo es equivalente a cero.
060
70 VyV
°∠032:1 dUV °∠60
32:2 dUV
°∠12032:3 dUV °∠180
32:4 dUV
2
3 1
6 4
5
°∠= 24032
5 dUV °∠30032:6 dUV
V3 V2
V1V4
V5 V6
V0 V7
Fig. 1.8 Disposición espacial de los vectores
Sobre la base de esta representación se definen los sectores como la zona ubicada entre dos
vectores activos adyacentes formándose así seis sectores de trabajo. En cada uno de estos
Sectores se sintetizarán Vectores Espaciales de Tensión (VET) en la salida del Inversor, a
partir de sus dos Vectores Activos Adyacentes y los Nulos.
1.4.3 Expresiones para las temporizaciones.
Un determinado vector de salida ira rotando a una velocidad angularω desplazándose de
esta forma por los seis sectores en que se divide el plano de la fig. 1.8. La cantidad de
vectores generados dentro de un sector y la velocidad con que estos se desplacen determinará
la calidad de la forma de onda resultante.
En la siguiente figura se muestra el proceso de síntesis de un vector de salida partiendo de los
vectores activos adyacentes y los nulos.
Capítulo 1 Revisión bibliográfica 15
Fig. 1.9 Síntesis de un vector espacial
La tensión de salida promedio del inversor ( ) se puede expresar vectorialmente como: sV
( )zyyxxc
s VtVtVtt
V 01
++= (1.4.3.1)
Donde es el período de conmutación del inversor, el cual se define como: ct
1
1fN
tv
c = (1.4.3.2)
0tttt yxc ++= (1.4.3.3)
Siendo el número de vectores que se sintetizarán en un período de la frecuencia de salida
del armónico fundamental ( ). Analizando los módulos de los términos vectoriales y
conociendo que =0 se obtienen las temporizaciones necesarias para la síntesis de los
vectores.
vN
1f
nuloV
( )γ−°= 603 sentUU
t cd
sx (1.4.3.4)
Capítulo 1 Revisión bibliográfica 16
( )γsentUU
t cd
sy 3= (1.4.3.5)
Siempre que el vector de tensión ( ) se encuentre dentro del hexágono se obtiene: sV
yxc tttt −−=0 (1.4.3.6)
Siendo el tiempo que permanecen los vectores nulos. 0t
1.4.4 Posición angular de los vectores dentro del sector
Existen varias formas de lograr la distribución de los vectores dentro del sector, pero cada
una debe cumplir:
6v
vsNN =
vsN : Cantidad de vectores por sector.
La cantidad de vectores que se deseen obtener en un período de la frecuencia de salida deben
estar espaciados simétricamente dentro del hexágono, el ángulo de separación entre los
vectores de salida se calcula:
vN
0360=β
El primer vector de salida (primer sector) fija la posición angular de los restantes vectores.
Las dos posiciones más comunes del primer vector son:
Capítulo 1 Revisión bibliográfica 17
1. En fase con el vector activo , o sea, en cero grados. 1V
2. Con un ángulo igual a 12γβ
= .
Con este último se logran mejores resultado con el procesador, porque se generan iguales
temporizaciones, por cada pareja de vectores de salida dispuestos a iguales posiciones
angulares medidas desde el propio vector a sintetizar hasta su adyacente más cercano.
1.4.5 Transiciones entre estados y generación de varios vectores por sector
En el caso del inversor, es factible pasar de un vector a otro conmutando solamente una rama
del inversor. En la fig. 1.10 se muestra la secuencia de conmutación que se debe seguir para
tener el mínimo posible de conmutaciones en el inversor.
Fig. 1.10 Secuencia óptima de conmutación
Para lograr una tensión de salida más sinusoidal de forma digital, se hace necesario sintetizar
la mayor cantidad de vectores dentro de un sector, como se ha explicado con anterioridad.
Cuando se trabaja en diferentes frecuencias, es recomendable variar el número de vectores
(frecuencia es inversamente proporcional al número de vectores), para poder mantener una
misma calidad en la señal de salida del convertidor.
Si se desean obtener varios vectores por sector se procede de la forma siguiente:
Capítulo 1 Revisión bibliográfica 18
Obtención de dos vectores por sector:
Fig. 1.11 Obtención de dos vectores por sector
Quedando entonces el orden de generación de los básicos, para lograr un mínimo de
conmutaciones en el inversor, como se muestra en la tabla 1.2
Tabla 1.2 Síntesis de dos vectores por sector
Sector Vector Sintetizado
Orden de los
básicos V0 V1 V2 Vs1
V7 V7 V2 V1
1
Vs2
V0 V0 V3 V2 Vs1
V7 V7 V3 V2
2
Vs2
V0
Capítulo 1 Revisión bibliográfica 19
Obtención de cuatro vectores por sector:
Fig. 1.12 Síntesis de cuatro vectores por sector
Obsérvese que para obtener los dos primeros vectores de salida , es necesario seguir la
misma secuencia de conmutación en el inversor, sin embargo estos no se encuentran en la
misma posición espacial. La misma observación se puede realizar en la tabla 1.3 pues la
secuencia de síntesis de los dos primeros vectores de salida, es la misma que la de los dos
siguientes en el mismo sector. El tiempo de permanencia de los vectores básicos cuando se
sintetiza un vector de salida, es la causa de las diferentes posiciones espacial ( ), con
iguales secuencias de conmutación.
sV
sV
Siendo el orden de generación de los básicos el mostrado en la tabla 1.3
Capítulo 1 Revisión bibliográfica 20
Tabla 1.3 síntesis de cuatro vectores por sector
Sector Vector Sintetizado
Orden de los básicos
V0 V1 V2 Vs1 V7 V7 V2 V1 Vs2 V0 V0 V1 V2 Vs3 V7 V7 V2 V1
1
Vs4 V0 V0 V3 V2 Vs5 V7 V7 V2 V3 Vs6 V0 V0 V3 V2 Vs7 V7 V7 V2 V3
2
Vs8 V0
1.5 Pantallas de cristal líquido. Generalidades
Las pantallas de cristal líquido o LCD ("Liquid Crystal Display") están formadas, en general,
por un sistema eléctrico de representación de datos formado por 2 capas conductoras
transparentes y en medio un material especial cristalino (cristal líquido) que tienen la
capacidad de orientar la luz a su paso.
Capítulo 1 Revisión bibliográfica 21
Las pantallas LCD se aplican en gran cantidad de dispositivos industriales, desde
computadoras, equipos de telecomunicaciones hasta electrodomésticos.
Las principales partes componentes de los LCD son:
• La pantalla del LCD.
• Un microchip controlador.
• Una memoria que contiene una tabla de caracteres.
• Interfaz para la conexión externa.
Con la utilización del microchip controlador el trabajo con este dispositivo se hace más
sencillo debido a que proporciona una serie de funciones controlables mediante la aplicación
simultánea de varias señales eléctricas por la interfaz la cual suele ser de tipo paralela.
Las pantallas de cristal líquido pueden ser divididas dentro de dos grandes grupos, los LCD
de texto y los de gráficos. A continuación se explicarán detalladamente los LCD de tipo texto
por ser este tipo el que se utiliza en este trabajo.
Los LCD de texto solo pueden ser capaces de visualizar cortos mensajes de texto (o
caracteres). Esto los hace que sean más baratos y simples de utilizar. Existen muchos
modelos estandarizados, los cuales están definidos por los tamaños de estos dispositivos que
se miden según el número de filas y columnas.
1.5.1 Características generales del LCD utilizado
El LCD utilizado en este trabajo presenta una pantalla de 2 líneas de 20 caracteres cada una,
en el display real y una interfaz para conexión externa de 14 terminales. En la fig. 1.13 se
muestra la distribución de sus terminales y en la tabla 1.4 se puede ver la descripción de los
mismos.
Los terminales del 7 al 14 constituyen el bus de datos de 8 líneas por las cuales se le
introduce al LCD tanto los caracteres ASCII que se desea visualizar como los comandos de
control que influyen fundamentalmente en los efectos de visualización.
Capítulo 1 Revisión bibliográfica 22
Fig. 1.13 Terminales del LCD
Tabla 1.4 Descripción de los terminales del LCD
Terminal Nomenclatura Descripción
1 Vss Tierra
2 Vcc Alimentación de 5 V
3 Vee Contraste del cristal
4 Rs Selección: 1=Datos, 0=Escritura
5 R/W Lectura/Escritura 1=Lectura, 0=Escritura
6 E Habilitación
7 - 14 D0 - D7 Bus de datos (D0 - D7)
Estos dispositivos presentan una memoria interna, la cual se encuentra dividida en dos
secciones independientes: la DDRAM y la CGRAM.
La DDRAM (Display Data RAM) es la encargada de almacenar los caracteres que están
siendo mostrados en la pantalla o que se encuentran no visibles. Esta particularidad que
presenta este tipo de memoria se debe a la existencia de dos tipos de display, uno virtual y
otro real.
Capítulo 1 Revisión bibliográfica 23
El display virtual se compone de dos líneas de 40 caracteres cada una, siendo la posición
situada más a la izquierda la 1 y la situada en el extremo derecho de cada fila la posición 40.
Dentro de este espacio se encuentra una ventana que permite visualizar un total de 2 líneas y
20 caracteres cada una, a este espacio se le denomina display real y en él se encuentra lo que
el usuario está viendo (caracteres visibles). En la fig. 1.14 se pude ver un ejemplo de esto.
20 caracteres
Fig. 1.14 Configuración del LCD
Los caracteres ubicados en la línea 1 corresponden a las direcciones desde 01H – 027H y los
40 caracteres de la línea 2 comienzan en la dirección 040H y terminan en la posición 067H
de la DDRAM (ver fig. 1.15)
Fig. 1.15 Posición de los caracteres en el LCD
Capítulo 1 Revisión bibliográfica 24
Por su parte la CGRAM (Character generator RAM) permite almacenar hasta 8 caracteres
definidos por el usuario conformado por 8 posiciones de memoria de 5 bits cada una. Para
generar un determinado carácter solo es necesario enviar de forma consecutiva los 8 códigos,
donde los bits que se encuentran en 1 serán las posiciones activas. En la fig. 1.16 se muestra
un ejemplo de generación de un carácter.
Caracter definido Valores a almacenar
por el usuario. en la CGRAMBinario0111001110011100010011111001000101010001
Fig. 1.16 Generación de un carácter gráfico
1.5.2 Operaciones sobre el LCD
Realizando operaciones de lectura o escritura, a través del bus de datos, se pueden enviar o
recibir datos y enviar comandos. Para realizar estas instrucciones, el LCD demora un tiempo
mínimo de ejecución el cual es definido por el fabricante. Cuando se ordena una instrucción
es necesario tener en cuenta su tiempo de ejecución, pues si se envía otra información antes
de haber procesado la anterior esta última se perdería. En este proyecto se le dio solución a
esto mediante la espera por el bit de ocupado BF (Busy Flag) que el LCD coloca en cero al
terminar la ejecución de la instrucción.
En general sobre el LCD se pueden realizar dos tipos de operaciones, de control o de datos.
Las de control permiten determinar el modo de funcionamiento del visualizador mientras que
las de datos envían los códigos de los caracteres a representar.
En este proyecto las instrucciones de control utilizadas se pueden agrupar en:
• Instrucciones de inicialización
• Instrucciones de cursor y pantalla
Capítulo 1 Revisión bibliográfica 25
• Encuesta de estado
Instrucciones de inicialización
Por su sencillez en la aplicación la inicialización utilizada en este trabajo fue mediante el
software, teniendo en cuenta que de realizarse por hardware las condiciones a garantizar en
las líneas de alimentación serían muy estrictas.
• Establecer el modo de funcionamiento (Function set).
Código:
RS RW DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0
0 0 0 0 1 DL N F X X
Tiempo de ejecución: 40 µs.
(DL) establece el tamaño de interfase del bus de datos (4 ó 8 bits), (N) define el número de
líneas del display y (F) indica si el caracter será de 5X7 ó de 5X10 píxel.
DL=”1” trabaja en bus de 8 bits, si DL=”0” en bus de 4 bits.
N=”1” representación en 2 líneas, si N=”0” se usa 1 línea.
F=”1” caracteres de 5x10 píxel, si F=”0” carácter de 5X7 píxel.
• Modo de entrada (Entry mode set).
Esta instrucción hace referencia a las acciones que realizará tanto la pantalla como el cursor
después de una operación de lectura o escritura.
Código:
RS RW DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0
0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S
Tiempo de ejecución: 40 µs.
Capítulo 1 Revisión bibliográfica 26
Cuando I/D=1 el contador de direcciones se incrementa, provocando el avance del cursor una
posición hacia la derecha cada vez que se escriba un caracter. Si I/D=0 el contador de
direcciones se decrementa y provoca que al escribir un caracter el cursor avance una posición
hacia la izquierda. Cuando S=1, indica que al escribir un caracter el display real se mueve
una posición a la derecha y si S=0 el display se queda quieto.
Instrucciones de cursor y pantalla.
• Borrar pantalla (Clear Display).
Esta instrucción borra el contenido del LCD y coloca el display real en el extremo izquierdo
del display virtual y el cursor en la primera posición.
Código:
RS RW DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 1
Tiempo de ejecución: 1.64 ms.
• Pantalla On/Off (Display ON/OFF Control).
Código:
RS RW DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0
0 0 0 0 0 0 1 D C B
Tiempo de ejecución: 40 µs.
Si D=1 se activa el LCD y si D=0 el LCD funciona normalmente pero no se visualiza nada
en él.
Si C=1 se activa el cursor y con C=0 el cursor no se ve.
Capítulo 1 Revisión bibliográfica 27
Si B=1 los caracteres situados en la posición del cursor parpadean y con B=0 el cursor no
parpadea.
• Localizar el cursor.
Esta instrucción es muy importante por el hecho de poder situar el cursor en cualquiera de las
posiciones de la DDRAM.
Código:
RS RW DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0
0 0 1 Dirección de la RAM
Tiempo de ejecución: 40 µs.
En estas posiciones de A6-A0 se define la posición donde se escribirá el carácter. Si se
escribe en cada una de ellas un 0, entonces el carácter se escribirá en la posición 1 de la línea
1, pero si se pone A6=1 y los demás en cero, entonces estaremos escribiendo en la posición 1
de la línea 2.
Operaciones de encuesta de estado
Como anteriormente se explicó el controlador del LCD ofrece la posibilidad de determinar su estado, dicha información se obtiene al realizar una operación de lectura en el bit BF (Busy flag).
Código:
RS RW DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0
0 1 BF Dirección de la RAM
Tiempo de ejecución: 1 µs.
Capítulo 1 Revisión bibliográfica 28
Instrucciones de datos
Mediante este comando se escribe en la memoria los códigos ASCII de los caracteres que se
quieren llevar a la pantalla.
Código:
RS RW DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0
1 0 Código ASCII ó byte del carácter gráfico
Tiempo de ejecución: 40 µs.
1.6 El micro-controlador PIC
La familia de micro-controladores PIC incluye una amplia gama de micro-controladores por
lo que resulta posible encontrar un PIC adecuado para casi cualquier tipo de aplicación. Por
esta y otras razones que serán comentadas se considera al micro-controlador PIC como una
muy buena opción a utilizar para el diseño del dispositivo propuesto.
Características relevantes
• Arquitectura Harvard
Los micro-procesadores PIC están basados en una arquitectura tipo Harvard, los buses de
datos que conectan la CPU con la memoria de datos y la de programa están físicamente
separados.
• Ejecución segmentada de instrucciones
AL disponer de buses separados para la memoria de datos y la de programas es posible
acceder a ellas de forma simultánea. Durante la ejecución de una instrucción la CPU lee o
escribe información en la memoria de datos, pero nunca en la memoria de instrucción. Esta
situación la aprovechan los PIC para leer la siguiente instrucción del programa agilizando la
ejecución del mismo.
Capítulo 1 Revisión bibliográfica 29
• Todas las instrucciones tienen la misma longitud
Instrucciones de 12 bits para los PIC de gama baja y de 14 bits para los de gama media.
• Procesador RISC (Reduced Isntruction Set Computers)
33 instrucciones en los PIC gama baja
35 instrucciones en los de gama media
58 instrucciones en los de gama media-alta
77 instrucciones en los de gama alta
Con el RISC se suele ejecutar la mayoría de las instrucciones con un solo pulso del reloj. A
diferencia de otros equipos que usan instrucciones del tipo CISC (Complex Instruction Set
Computer), se logran instrucciones más poderosas, pero a costa de varios ciclos de reloj.
• Arquitectura basada en bancos de registros
Los objetos del sistema (puertos de E/S, temporizadores, etc.) están implementados como registros.
• Gran variedad de modelos con recursos y prestaciones diferentes.
• Herramientas de desarrollo potentes y económicas.
1.6.1 EL micro-controlador 16F877. Generalidades
Para la implementación de este proyecto se plantea la utilización del PIC 16F877. Se debe
señalar que se usa este dispositivo con memoria flash para la etapa de diseño y puesta a
punto del equipo, pudiéndose aplicar el 16C877, de menor costo, cuando se trate de una
producción de varios ejemplares de variadores de velocidad.
El circuito integrado programable 16F877 posee entre otras características las siguientes:
• Encapsulado del tipo PDIP de 40 terminales o pines.
• Pertenece a la gama media de la familia de los PIC por lo que tiene un repertorio de
solamente 35 instrucciones.
• Posee tres Timer para las operaciones de conteo o temporización.
Capítulo 1 Revisión bibliográfica 30
Siendo el Timer0 un contador/temporizador de 8 bit con pre-escalador de 8 bit, el Timer1 un
contador/temporizador de 16 bit mientras que el Timer2 es un contador/temporizador de 8 bit
con un registro periódico pre-escalador post-escalador de 8 bit.
• Posee 5 puertos de E/S configurables.
Dentro de estos 5 puertos se debe destacar la estructura del PORTB el cual cuenta con 8
líneas o E/S a las cuales es posible, cuando son configuradas como entradas, activarles las
resistencias internas de pull-up convirtiéndose de esta manera en una muy buena opción para
atención a teclado. Cuenta además con una opción de solicitud de interrupción externa a
través del pin RB0.
• La organización de memoria se encuentra distribuida en cuatro bancos (0, 1, 2 y 3)
Estos incluyen los registros especiales y los de propósito general. Al estos bancos se accede a
través de los bits RP0 y RP1 del registro STATUS.
• Voltaje de operación en el rango entre 2 y 5.5 V (recomendado entre 4 y 5.5 V para el
16F877).
• Máxima corriente de salida, en cualquiera de sus puertos, de 20 mA.
• Posibilidad de operar en cuatro diferentes modos de oscilador:
• LP (Low-Power Crystal)
• XT (Crystal/Resonator)
• HS (High-Speed Crystal/Resonator)
• RC (Resistor/Capacitor)
Las variantes recomendadas en aplicaciones donde sea de gran importancia la precisión en el
conteo de los tiempos son LP, XT y HS
Siendo la configuración la mostrada en la fig. 1.17
Capítulo 1 Revisión bibliográfica 31
Fig. 1.17 Operación del cristal o resonador en el PIC 16F877
Donde la Rs puede ser necesaria en algunos tipos de cristales y la RF varía de acuerdo con el
cristal seleccionado.
En la tabla1.5 se pueden ver las capacidades de C1 y C2 recomendadas según el modo y tipo
de cristal utilizado.
Tabla 1.5 Capacidades de C1 y C2 recomendadas.
Tipo de Osc.
Frec. Cristal
Rango Cap. C1
Rango Cap. C2
32 kHz 33 pF 33 pF LP 200 kHz 15 pF 15 pF
200 kHz 47-68 pF 47-68 pF XT 1 MHz 15 pF 15 pF 4 MHz 15 pF 15 pF 4 MHz 15 pF 15 pF
HS 8 MHz 15-33 pF 15-33 pF 20 MHz 15-33 pF 15-33 pF
• Posee seis diferentes condiciones o formas para el reset, dentro de las que
destacamos el MCLR reset que se aplica en este trabajo.
En la fig. 1.18 se muestra el circuito recomendado para el MCLR reset.
Capítulo 1 Revisión bibliográfica 32
Fig. 1.18 MCLR reset recomendado
Donde:
Se recomienda R1<40 kΩ para hacer efectivo que el voltaje que circule por R1 no viole la
especificación eléctrica del dispositivo.
En tanto R2>1 kΩ limitará cualquier corriente fluyendo hacia el MCLR desde el capacitor
externo en el caso de que en el MCLR/VPP ocurra una descarga electrostática o un sobre
voltaje.
CAPITULO 2 MATERIALES Y METODOS 33
CAPITULO 2 MATERIALES Y MÉTODOS
En este capítulo se define, en primer lugar, el proceso de la modulación del vector espacial
de tensión en este dispositivo, la estrategia seguida para dar solución a las diferentes
condiciones requeridas para su funcionamiento. El cálculo de los tiempos necesarios para
cada valor de frecuencia, teniendo en cuenta principalmente la zona de operación.
Se explica el diseño del hardware donde se muestran los diferentes bloques que lo
componen y su vínculo entre ellos. Y en último lugar se aborda el tema del software
necesario para el control de todo el dispositivo, donde se puede apreciar como se le da
respuesta a las exigencias que tiene un dispositivo como el que se propone.
La estructura de este capítulo es la siguiente:
Epígrafe 2.1 La modulación del VET en este prototipo
En el mismo se aborda todo lo relacionado con la implementación del método de variación
de frecuencia mediante la modulación del vector espacial de tensión en el dispositivo
propuesto. Soluciones propuestas para el arranque suave y el tiempo muerto, tomando en
consideración estos dos factores como fundamentales dentro del proceso de la modulación.
Epígrafe 2.2 Cálculo de las temporizaciones
Se explica todo lo relacionado con el tema del cálculo de los tiempos necesarios para cada
valor de frecuencia. Definición de las expresiones necesarias en cada caso, considerando la
división en dos bloques a partir de las zonas de trabajo que se plantean.
CAPITULO 2 MATERIALES Y METODOS 34
Epígrafe 2.3 Diseño del hardware del dispositivo.
Aquí se explican las soluciones planteadas para el diseño de los diferentes bloques que
componen el variador de velocidad. Entre otros el circuito de control de los inversores, la
etapa de entrada y visualización de datos, protecciones eléctricas, fuentes secundarias de
alimentación, el rectificador de potencia.
Epígrafe 2.4 Diseño del software
Por su parte en esta sección se muestra el diseño del software encargado del control del
dispositivo propuesto. La explicación de las principales subrutinas que componen el
programa y el papel que desempeñan cada una de ellas dentro del proceso de la
modulación.
De manera general se puede observar la solución que se plantea para cumplir todos los
requisitos que tiene el dispositivo tanto al inicio como en el transcurso proceso de
generación de los vectores.
2.1 La modulación del VET en este prototipo
Para el diseño del prototipo se definen como punto de partida las consideraciones
siguientes:
El motor se opera en el intervalo de frecuencias comprendido entre 5 y 60 Hz siendo el
paso mínimo posible de 1 Hz. Este intervalo se divide en dos regiones o zonas de trabajo,
zona 1 y zona 2, la primera entre 5 y 30 Hz y la segunda de 31 hasta 60 Hz.
En la primera zona se trabaja con 24 vectores, 4 vectores por sector y en la segunda con 12
vectores, 2 vectores por sector. Esta distribución se hace con el objetivo de mantener en los
límites superiores de cada zona la frecuencia de conmutación constante ( cT1 =cte.). Lo
expresado se puede observar en la fig. 2.1
CAPITULO 2 MATERIALES Y METODOS 35
fc
f (Hz) 30 60 15 5
fc2
fc3
Zona1 Zona2 Zona1:24 vectores
Zona2:12 vectores
fc1
Fig. 2.1 Zonas de operación
Para compensar el valor de la corriente de arranque del motor de inducción, la cual puede
llegar a ser varias veces la nominal, así como el tiempo de permanencia de la misma por
encima del valor final o de operación se implementa en el dispositivo un arranque suave, el
cual comenzara, al inicio de la modulación, con una frecuencia inicial de 5 Hz e ira
incrementándose hasta alcanzar el valor final de la frecuencia solicitada.
2.1.1 Arranque suave
Lo relacionado con el arranque suave se dispuso en el prototipo de la siguiente manera:
En la Zona 1 (de 24 VET) se transita de 1 Hz en 1Hz y el tiempo total estará definido por la
suma de los períodos de las frecuencias transitadas consecutivamente.
En la Zona 2 (de 12 VET) se transita de igual forma pero en cada frecuencia se permanece
un tiempo equivalente al doble de su período y el tiempo total estará definido por la suma
de los tiempos equivalentes de las frecuencias transitadas consecutivamente.
En el caso de los primeros y los últimos 3 Hz el tiempo de permanencia por cada 1 Hz será
cinco veces su período, para la zona 1 y de diez veces su período en la zona 2.
CAPITULO 2 MATERIALES Y METODOS 36
La fig. 2.2 muestra un ejemplo de lo expuesto.
F (Hz)
T (Seg)
Fig. 2.2 Característica del arranque suave
Este proceso es llevado a cabo no solo en el instante del arranque, sino cada ves que se
aumente o disminuya la frecuencia durante la operación del dispositivo, siendo entonces la
frecuencia de partida la de trabajo en ese momento. La característica de frecuencia contra
tiempo es la misma, tanto para el aumento como para el decremento de la frecuencia.
2.1.2 Tiempo muerto
La implementación del tiempo muerto, en el cual ambos semiconductores de la misma
rama se encuentran desactivados, es un factor muy importante en el trabajo con inversores
para evitar que ambos semiconductores entren en conducción simultáneamente. Este
tiempo puede lograrse de dos maneras, por hardware, cuando el dispositivo excitador que
se utiliza lo permite, o por software. En este diseño se implementa un tiempo muerto por
software de 3 μSeg.
2.2 Cálculo de las temporizaciones
Teniendo en cuenta que el intervalo de operación se divide en dos zonas y que en cada una
de ellas se trabaja con un número diferente de vectores se hace necesario el cálculo de los
tiempos de forma independiente para cada una de ellas.
CAPITULO 2 MATERIALES Y METODOS 37
2.2.1 Cálculo de las temporizaciones para 12 vectores
Se escoge como punto de partida para los cálculos de esta zona una frecuencia de 50 Hz.
Y teniendo en cuenta que la tensión y frecuencia nominales del motor son 220V y 60Hz
respectivamente, fijando la posición del primer vector a generar en γ = 150 (para lograr
distribución simétrica de los VET dentro del Sector) y que además el valor de la tensión en
el BUS de corriente directa es de aproximadamente 297,1V el procedimiento es el
siguiente:
VUsn 63.17922032
==
Donde Usn es valor pico de la tensión de fase a la frecuencia del armónico fundamental.
Manteniendo la premisa de que la ley de control aplicada en este trabajo es:
ctef
Uf
Un
n ==
Tenemos:
99.2
6063.179
==n
sn
fU
Entonces la tensión correspondiente a la frecuencia de 50Hz es:
VHzU s 5.1495099.2 =⋅=
Las expresiones utilizadas para realizar los cálculos de las temporizaciones son:
( )γ−°= 6031 sentUU
t cd
s
CAPITULO 2 MATERIALES Y METODOS 38
( )γsentUU
t cd
s32 =
fNt
vc
1=
Despejando para frecuencia de 50 Hz
mstc 67.15012
1=
⋅=
( )ο15601067.11.2975.1493 3
1 −°⋅⋅= − sent
st μ10291 =
( )ο151067.11.2975.1493 3
2 sent −⋅⋅=
st μ3772 =
Con los valores de , y se calcula el , despejando en la expresión (1.4.2.4) 1t 2t ct 0t
210 tttt c −−=
ssmst μμ 377102967.10 −−=
st μ2640 =
CAPITULO 2 MATERIALES Y METODOS 39
Los tiempos y no cambian en toda la gama de frecuencia de la zona ya que no varía
la posición angular ni la cantidad de vectores a generar y se mantiene una proporción
constante (inversa) entre y para poder así lograr una ley
1t 2t
sV ct ctef
V=
2.2.2 Cálculo de las temporizaciones para 24 vectores
Para el cálculo de tiempos se escoge una frecuencia de 20 Hz y se procede de manera
similar que en la zona 1, aunque teniendo en cuenta que de los cuatro vectores que se
generan por sector dos tienen iguales temporizaciones aunque invertidas con respecto al
estado o vector activo a generar. Ocurriendo lo mismo con los restantes dos vectores pero
con otros valores. Esto se debe a que los vectores que se encuentran en los extremos del
sector, tienen los mismos ángulos relativos a los vectores adyacentes y al igual que los
otros 2 que se encuentran en el interior.
En resumen se necesitan calcular un juego de tiempos ( , y ) para cada dúo de
vectores dispuestos simétricamente. Para una mejor comprensión se puede realizar este
análisis con el auxilio de la fig. 1.12
1t 2t 0t
Temporizaciones para los vectores en los extremos del sector
Estos vectores se encuentran ubicados en una posición de γ = 7.50 con respecto al vector
básico adyacente.
El necesario para 20Hz es: sV
VHzU s 8.592099.2 =⋅=
Y conociendo que =24 y =20Hz, Nv f
mstc 08.22024
1=
⋅=
CAPITULO 2 MATERIALES Y METODOS 40
( )ο5.7601008.21.297
8.593 31 −°⋅⋅= − sent
st μ5751 =
( )ο5.71008.21.297
8.593 32 sent −⋅⋅=
st μ952 =
Con los valores y despejando entonces en la expresión (1.4.2.4) 1t 2t
ssmst μμ 9557508.2120 −−=
st μ1410120 =
Temporizaciones para los vectores en el interior del sector
Para el caso de estos vectores la ubicación es en una posición de γ = 22.50 con respecto al
vector básico adyacente.
Donde:
( )ο5.22601008.21.297
8.593 33 −°⋅⋅= − sent
st μ4413 =
( )ο5.221008.21.297
8.593 34 sent −⋅⋅=
CAPITULO 2 MATERIALES Y METODOS 41
st μ2784 =
ssmst μμ 27844108.2340 −−=
st μ1361340 =
Por ultimo se debe tener en cuenta que para los cuatro vectores los valores del tiempo de permanencia de los vectores activos son iguales si no se cambia la zona de trabajo, cambiando solamente las temporizaciones de los vectores nulos cada vez que varíe la frecuencia.
2.3 Diseño del hardware de dispositivo
Para el diseño del variador de velocidad hay una serie de factores a tener en cuenta. Siendo los aspectos fundamentales los siguientes:
-Implementación en el dispositivo de protección ante variaciones del voltaje de línea y sobre-corriente en la carga.
-Adaptación de las señales de control y de protecciones para posibilitar su manejo por el micro-controlador.
-Desacoplamiento óptico los bloques que lo requieran.
-Posibilidad de conexión tanto a una red monofásica como trifásica.
En la fig. 2.3 se muestra un esquema general del variador donde se pueden apreciar las
diferentes partes que lo componen, así como su interrelación entre ellas.
Para un mejor análisis se muestra en el anexo1 el diagrama completo del dispositivo.
CAPITULO 2 MATERIALES Y METODOS 42
3
Fig. 2.3 Esquema general del dispositivo
2.3.1 Desacoplamiento óptico
El desacoplamiento óptico es de vital importancia en muchas situaciones en las cuales se
necesita transmitir información entre circuitos conmutadores. Este aislamiento puede ser
provisto por medio de transformadores de aislamiento o relés. Sin embargo cuando se desea
protección contra tensiones peligrosas y aislamiento ante señales “ruidosa”, así como
cuando el tamaño del dispositivo es un factor a considerar, se recomienda la utilización de
opto-acopladores. Los mismos tienen como principal ventaja que realizan un acople entre
dos sistemas mediante la transmisión de energía radiante (fotones), eliminándose la
necesidad de una tierra común, donde ambas partes acopladas pueden tener diferente
potencial de referencia.
CAPITULO 2 MATERIALES Y METODOS 43
En el este trabajo se utilizaron específicamente el MB104/4D y al TLP521-4, mostrados en
la fig. 2.4
a) MB104/4D b) TLP521-4
Fig. 2.4 Opto-acopladores utilizados, a) MB104/4D b) TLP521-4
Como el dispositivo MB104/4D presenta la base del opto-transistor de salida accesible, y la
misma no se utiliza en este proyecto, se le colocó una resistencia a tierra de 10kΏ para
protegerlo de posibles disparos no deseados inducidos por “ruidos”, además de influir
positivamente en la mejoría del frente de onda de salida al hacerlo más abrupto.
2.3.2 Excitadores o drivers
La implementación de un bloque excitador a drivers es necesaria para adaptar la señal del
circuito de control a las necesidades de las compuertas de los semiconductores de las
ramas. En el caso que la tierra del circuito de control de los semiconductores coincida con
el terminal de referencia de la señal de gobierno del transistor inferior de la rama, la
conexión de la señal de disparo con la puerta del transistor, solo requiere una sencilla
adaptación de nivel. Sin embargo, en un medio puente, el terminal de referencia para el
control del transistor superior presenta una tensión que fluctúa respecto a la tierra del
CAPITULO 2 MATERIALES Y METODOS 44
circuito de control entre 0 y Ud, por lo que es preciso lograr un aislamiento entre el
terminal de puerta de dicho transistor y su circuito de control.
Existen diferentes variantes para la solución de este inconveniente, entre las cuales se
encuentran la utilización de transformadores para el aislamiento galvánico y la técnica de
bootstrap. Esta última es una de las técnicas más comúnmente empleadas para obtener la
alimentación necesaria para el gobierno del transistor superior de un semipuente debido a
su sencillez, ya que, tan solo necesita un diodo y un condensador para su implementación.
Para el diseño práctico de circuitos de control para inversores se dispone actualmente de
múltiples circuitos integrados. En este proyecto se utiliza uno de estos dispositivos,
específicamente el IR 2110, el cual está diseñado para el gobierno de un semipuente
mediante la técnica bootstrap y permite conmutar a una frecuencia limite de 200KHz.
En la fig. 2.5 se ejemplifica la aplicación del IR 2110 en este proyecto.
297.1V
Fig. 2.5 Aplicación del IR 2110 en este proyecto
2.3.3 Protecciones Eléctricas
El dispositivo se diseño para trabajar dentro de un rango de voltaje y una corriente de carga
máxima. Para lograr que estos parámetros se mantengan en los valores permitidos se
implementan dos protecciones fundamentales, contra bajo y alto voltaje y contra sobre-
corriente entregada a la carga. Ante cualquier anomalía en alguno de estos tres parámetros
se procede a la desconexión del equipo de la fuente de corriente directa y se envía una
CAPITULO 2 MATERIALES Y METODOS 45
indicación de error al display del variador donde el usuario puede verificar el tipo de
anomalía existente.
Es necesario destacar que el dispositivo, luego de desconectar al motor de la fuente de
corriente directa, se mantiene en ese estado hasta que se reciba una orden de encendido o
reset.
Protección contra alta tensión
Para la protección contra alta tensión se plantea un diseño como el mostrado en la fig. 2.6
En el mismo se toma una muestra de la señal de entrada, por medio del divisor de voltaje
formado por R1 y R2, para ser comparada por el operacional con un voltaje de referencia
obtenido a través del ajuste del potenciómetro R3.
Fig. 2.6 Esquema para la protección contra alta tensión
Cuando la señal de muestra se hace superior a la de referencia, la salida del operacional
cambia de estado, de “1” a “0”, si no se cumple la condición anterior, la salida del
operacional se mantiene en “1”.
Protección contra baja tensión
Para el caso de la protección contra baja tensión se plantea un diseño como el de la fig. 2.7
La muestra de la señal de entrada es la misma que la obtenida por el divisor de voltaje
formado por R1 y R2, utilizada para la protección contra alto voltaje, solamente cambian de
CAPITULO 2 MATERIALES Y METODOS 46
posición las entradas de referencia y de muestra, es decir, la señal que antes se encontraba
en la entrada no inversora, ahora pasa a la inversora. El operacional realiza la comparación
con el voltaje de referencia obtenido a través del ajuste del potenciómetro R5.
Se destaca además que el operacional usado en la protección contra alto voltaje y el usado
en esta forman parte del mismo encapsulado, es decir, en este proyecto se usa el KA 358,
dos operacionales en un dispositivo.
Fig. 2.7 Esquema para la protección contra baja tensión
Protección contra corriente de sobrecarga
La fig. 2.8 muestra el esquema eléctrico de la protección contra corriente de sobrecarga.
El principio de operación de la protección contra sobrecarga es en esencia el mismo que el
de la protección contra alta tensión, cambiando solamente la forma de obtención de la
muestra de la magnitud a controlar.
En este caso la muestra se obtuvo mediante un transductor de corriente LA55-P, el cual
entrega en su salida una corriente proporcional a la medida (proporción de 1000/1).
CAPITULO 2 MATERIALES Y METODOS 47
Fig. 2.8 Esquema para la protección contra sobre-corriente
Esta señal de corriente fue convertida en tensión colocándole una resistencia entre la salida
del dispositivo y la tierra. Esta muestra de la corriente total del circuito, convertida en
tensión, es la utilizada para compararla con una señal de referencia, ajustada mediante el
potenciómetro R7. El disparo se efectúa cuando la muestra de la corriente es mayor que la
tensión de referencia.
2.3.4 Adaptación de las señales de salida de la protecciones
Para lograr que el micro-controlador pueda llevar a cabo el procesamiento de las señales
obtenidas en los bloques de protecciones es necesario una correcta adaptación. Para ello se
mezclan las salidas de las protecciones mediante una compuerta lógica V4012D para
entregarle al Micro-controlador una señal que contenga implícita la información de las tres
protecciones, de modo que cuando cualquiera de ellas actúe, se detecte existencia de
interrupción a través de un solo terminal.
En la fig. 2.9 se muestra el esquema del circuito propuesto.
El dispositivo ULN2003 (arreglo de Darlington) es el encargado de amplificar la corriente
de las señales que se encuestarán por el micro-controlador ya que estas necesitan ser
aisladas con opto-acopladores (TLP521-4) por tener referencia con la fuerza.
CAPITULO 2 MATERIALES Y METODOS 48
RB0 INT
RA0
RA1
Fig. 2.9 Adaptación de las señales de las protecciones
2.3.5 El rectificador para el bus de corriente directa
El Rectificador de entrada que provee la tensión del Bus de directa cuando el Inversor es
modulado por ancho de pulso, es del tipo de seis pulsos no controlado. Se le brinda la
posibilidad al usuario de conectar al Variador, tanto a una red monofásica como a una
trifásica, teniéndose en cuenta que el condensador de entrada debe tener una capacidad tal
que garantice en el Bus de directa una adecuada tensión media. En la fig. 2.10 se
ejemplifica esta aplicación.
CAPITULO 2 MATERIALES Y METODOS 49
Fig.2.10 El rectificador de línea
Si la alimentación al puente trifásico de entrada fuese monofásica, entonces el condensador
puede calcularse para lograr una tensión media en la salida del rectificador similar a la que
se obtiene para la misma tensión entre líneas, pero proveniente de un rectificador trifásico
de 6 pulsos.
Lo anterior puede analizarse en la fig. 2.11
Fig. 2.11 Salida del rectificador para alimentación trifásica y monofásica
Para el cálculo del condensador se ha supuesto lineal el proceso de descarga e instantáneo
el de carga.
CAPITULO 2 MATERIALES Y METODOS 50
LL UUUπ
2322
⋅−⋅=
Δ
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⋅−⋅⋅=Δ LL UUU
π2322
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −=
π3122 LU
LUU ⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −
=Δπ
π 322
Suponiendo un proceso de descarga lineal en el condensador C:
( )Uf
IU
TIU
tICΔ
=Δ
=ΔΔ
=2
2 (2.3.5.1)
LUf
IC
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −
=
ππ 3222
Para el caso de =60Hz y tensión =220V la expresión (anterior) quedará así: f LU
( ) FIC μ14.297=
Donde I es la mayor corriente de entrada al inversor.
Con este valor de C obtenido en los terminales del condensador la tensión de directa será 297,1V.
Con este mismo valor de C, cuando la alimentación sea desde una red de 220V trifásica,
entonces la tensión media de directa (Ud) será algo mayor y aproximadamente igual a:
22 UUU Ld
Δ−=
CAPITULO 2 MATERIALES Y METODOS 51
En este caso el ( UΔ ) se obtiene de la ecuación (2.3.5.1) sustituyendo en ( ) T/6 o sea
1/360 para f = 60 Hz.
tΔ
Cálculo de la resistencia de descarga del condensador
Es de gran importancia garantizar el proceso de descarga del condensador, cuando se
desconecta el circuito, pues este queda cargado con una elevada tensión la cual puede
resultar peligrosa. Este proceso se logra colocando una resistencia de descarga Rc en los
terminales del condensador.
El procedimiento para el cálculo es el siguiente:
El comportamiento de una red RC se rige por la ecuación:
( ) ( ) τt
fiftc eUUUU −−+=
Donde:
: Tensión final a la que tiende el condensador fU
: Tensión inicial en el condensador, (como limite el valor pico de la tensión efectiva
entre las líneas de entrada al Variador
iU
t : Tiempo en segundos
CR=τ : Constante de tiempo en segundos
: Tensión que tiene el condensador en el instante ( )tcU t
Y sabiendo que el valor final al que tiende la tensión en el condensador es cero, entonces:
( ) ( ) CRt
itc eUU−
=
CAPITULO 2 MATERIALES Y METODOS 52
( )
CRt
UU
ci
tc −=ln
( )⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
=
i
tcc
UU
C
tRln
Se aconseja sustituir en t un valor comprendido entre 3 y 5 minutos, tiempo en el cual, el
usuario no tendrá acceso al condensador.
2.3.6 Interfaces micro-controlador, teclado y LCD
Para el diseño de esta etapa del proyecto se tomaron entre otras consideraciones las
siguientes:
Se utilizó un teclado matricial de tres filas por cuatro columnas atendido a través del puerto
B, específicamente las líneas RB1-RB7, con la implementación de la bandera RBIF para la
detección del cambio de estado en el puerto B.
Esta teclado cuenta con diez teclas usadas para la selección de los números del cero al
nueve, una tecla (=) utilizada como enter y una ultima tecla (X) para borrar un número
tecleado no deseado.
El display es atendido mediante los puertos C y E. Siendo el puerto C para el manejo del
bus de datos como bus de 8 bit. Y por su parte las tres líneas del puerto E se utilizan para el
control de los terminales RS, RW y E del display.
En la fig. 2.12 se muestra el esquema donde se relacionan estos tres elementos.
CAPITULO 2 MATERIALES Y METODOS 53
Fig. 2.12 Interfase micro-controlador, teclado y LCD
2.3.7 Fuente de alimentación auxiliar.
Este bloque se diseño considerando como premisa fundamental la necesidad de contar con
dos voltajes, 5 V y 15 V, con referencias a masa independientes una de la otra.
En la fig. 2.13 se observa el circuito propuesto para la fuente de alimentación.
CAPITULO 2 MATERIALES Y METODOS 54
Fig. 2.13 Esquema de la fuente de alimentación auxiliar
La salida a 5 V es necesaria para la alimentación del micro, LCD, opto-acopladores y el
amplificador (buffer). Mientras que los 15 V se utilizan en el los propios opto-acopladores,
transductor de corriente, los excitadores (drivers) y para el relé del bus de directa.
Para anular los posibles efectos inductivos provocados en los conductores largos se
conectan los capacitores C2 y C4, ambos de 0.1 uF.
2.4 Diseño del software
En el diseño del software para el control se tomaron en cuenta un grupo de consideraciones,
partiendo fundamentalmente de los requerimientos de trabajo del micro-controlador en el
dispositivo. A continuación se relacionan las fundamentales:
- Cuando se da comienzo al proceso de modulación este no debe ser interrumpido o
provocársele alguna demora que puede afectar alguno de los tiempos previstos en
la misma.
- Como en el proyecto el excitador (drivers) utilizado es el IR2110, el cual no tiene
incorporados circuitos lógicos para el tiempo muerto, se implementa una solución
por software para el tiempo muerto.
CAPITULO 2 MATERIALES Y METODOS 55
- Como el micro-controlador previsto no es capaz de realizar los cálculos, con el nivel
requerido para determinar los tiempos de los vectores nulos, en los pequeños
intervalos de tiempo disponibles, estos valores fueron almacenados en tablas a las
cuales se accede en la ejecución del programa.
- Solamente se declara como posible una interrupción, externa a través del pin RB0,
solicitada por el bloque de protecciones. Esta si puede interrumpir el proceso de
modulación y desconectar al bus de corriente directa.
2.4.1 Estructura del software
El programa tiene como misión fundamental en la primera etapa preparar las condiciones
del arranque y el modo de trabajo de los periféricos, se habilitan las protecciones,
comprueba el voltaje en el bus de directa y en caso de no existir problemas en el mismo,
continúa mostrando una secuencia de mensajes de información al usuario, finalizando con
la espera de la solicitud de la frecuencia deseada.
Al recibir el valor de la frecuencia de trabajo se inicia una segunda etapa en la ejecución del
programa. Comenzando por definir si el valor se encuentra dentro del rango de trabajo,
entre 5 y 60 Hz, y a continuación se actualizan los valores de los tiempos de los vectores
nulos a partir de la tabla, teniendo en cuenta que al inicio se parte de 5 Hz, y finalmente se
comienza el ciclo de la modulación. Dentro de esta se inicia el arranque suave hasta llegar
al valor de frecuencia final solicitado.
En una tercera y última etapa se continúa con el proceso de modulación y se mantiene la
atención al teclado en espera de algún cambio en la frecuencia.
Se debe señalar que desde el momento que se habilitan las protecciones en adelante, se
están monitoreando constantemente los tres parámetros fundamentales del bus de corriente
directa; por lo que de ocurrir una solicitud de interrupción el dispositivo desconecta el
motor de la fuente de alimentación e interrumpe el proceso de modulación.
CAPITULO 2 MATERIALES Y METODOS 56
2.4.2 El programa principal
El programa esta compuesto por una sección o bloque, denominada PRINCIPIO, que
constituye el programa principal a partir del cual existen veinticinco subrutinas.
Precisamente a través de la ejecución de PRINCIPIO se da comienzo a la primera etapa del
programa.
Es necesario aclarar que aquí se explica de forma general la estructura de PRINCIPIO y de
los bloques que lo componen, para un análisis más detallado se encuentran en los anexos de
este trabajo dicha rutina y el código del programa.
El proceso de ejecución es el siguiente:
- Se definen las condiciones de funcionamiento del display, se inicializa el mismo y se
configuran los puertos C y E para su atención.
- Es preparado el puerto B para atención de teclado, cargándose el PORTB 0XF0 y el
TRISB con 0XF1, conectándose además las resistencias de PULL-UP
- Se habilita la interrupción externa (RBINT) para las protecciones
- Se verifica el voltaje existente en el bus de directa y en caso de existir un valor
inadecuado para el funcionamiento del dispositivo se interrumpe el proceso mostrándose
el error encontrado en el display.
- Se carga el valor inicial de frecuencia (5 Hz) y zona de trabajo (zona 1) para el
comienzo de modulación.
- Llamada a subrutina PRE_TEC_DISPLAY donde se muestran una serie de carteles de
información al usuario, nombre del equipo, rango de frecuencia; concluyéndose con la
solicitud de la frecuencia de trabajo.
- Llamada a subrutina BUSCAR, al recibir solicitud de atención a teclado a través de la
bandera RBIF, donde se obtiene el valor de la frecuencia de trabajo. A continuación se
llama a subrutina ENTER para, entre otras cosa, verificar que la frecuencia este dentro
del rango de trabajo y validar su valor.
- Llamada a subrutina TABLAS para, partiendo del valor inicial de frecuencia de
partida, cargue los valores correspondientes para el comienzo de la modulación.
CAPITULO 2 MATERIALES Y METODOS 57
- Llamada a subrutina MODULACION donde inicia el proceso de generación del los
vectores.
En la fig. 2.14 se muestra el diagrama en bloques de PRINCIPIO
Fig. 2.14 Diagrama en bloques de PRINCIPIO
CAPITULO 2 MATERIALES Y METODOS 58
2.4.3 Subrutinas
Como se dijo anteriormente el programa cuenta con veinticinco subrutinas de las cuales se
explicarán las de mayor relevancia, pudiendo consultarse el resto en los anexos de este
trabajo.
Subrutina PRE_TEC_DISPLAY
Se comienza por la subrutina PRE_TEC_DISPLAY encargada de mostrar los carteles de
información al usuario.
En la fig. 2.15 se puede observar esta subrutina.
Fig. 2.15 Subrutina PRE_TEC DISPLAY
CAPITULO 2 MATERIALES Y METODOS 59
Subrutina BUSCAR
Esta subrutina es la encargada de identificar la tecla oprimida a partir de la cual se invoca la
función específica para cada una de ellas. En el caso de las teclas que representan los
números se almacena el valor en binario correspondiente en una variable. El programa
permite como máximo la entrada de dos dígitos, decena y unidad, que conforman el valor
de frecuencia; a continuación solamente es aceptada la petición de borrar el valor
introducido, función cumplida por la tecla (X) o aceptar dicho valor a través de la tecla
enter (=). A partir de ese momento se convoca a la subrutina ENTER.
En la fig. 2.16 se muestra una parte de la subrutina BUSCAR
Fig. 2.16 Muestra de la subrutina BUSCAR
CAPITULO 2 MATERIALES Y METODOS 60
En la misma se ha querido ejemplificar solamente una parte del proceso que se ejecuta, ya
que cuando el programa se encuentra dentro del ciclo de
que en todos los casos el proceso es similar cambiando solamente el valor a comprobar con
DATO y DATO1, cuando se pulsa una tecla hasta que finalmente se determina de cual se
trata ejecutándose las instrucciones correspondientes para ella.
Subrutina CONTROLPROC
Esta subrutina surge debido a
MODULACION, proceso que no debe ser interrumpido por ningún motivo a excepción de
una interrupción externa, los tiempo disponibles entre la generación de los vectores básicos
son muy reducidos (entre 95 y 1029 μSeg) y es precisamente en estos intervalos que se
debe atender al display, el teclado y muy en particular a las subrutinas que se derivan a
partir de ENTER. A continuación se plantean algunos de los aspectos fundamentales a
tener en cuenta en la ejecución de esta subrutina:
- Se toma como principio que los procesos a ejecutar, cuando este en marcha la
- e se podrán utilizar para la atención de estas subrutinas aquellos tiempos
n la figura 2.17 se muestra la secuencia de ejecución de la subrutina CONTROLPROC
modulación, se dividen en partes, las cuales ser irán ejecutando a medida que sea
posible.
Solament
mayores que 243 μ Seg. O sea, en zona1 a 24 vectores los tiempos T1 y T2, mientras
que en zona2 a 12 vectores únicamente en el tiempo T1.
E
donde se puede apreciar todo lo anteriormente mencionado.
CAPITULO 2 MATERIALES Y METODOS 61
Fig. 2.17 Diagrama en bloques de la subrutina CONTROLPROC
CAPITULO 2 MATERIALES Y METODOS 62
Subrutina MODULACION
Esta es la subrutina encargado de todo el proceso de generación de los vectores por sector
para lograr la modulación deseada.
Se muestra en la fig. 2.18 la estructura de esta subrutina
Fig. 2.18 Subrutina MODULACION
CAPITULO 2 MATERIALES Y METODOS 63
Continuación de MODULACION
Fig. 2.18 Continuación.
Subrutina CPROCESO
Esta subrutina se encarga del control de los valores de tiempo y de los vectores básicos
necesarios para la generación de los vectores según la zona y el sector que se encuentre
recorriendo.
En el caso de la modulación en zona 1 (24 vectores) un ciclo de la frecuencia se logra
recorriendo los seis sectores definidos y dentro de cada uno de ellos los cuatro subsectores
correspondientes, existiendo por cada uno de estos subsectores diferentes tiempos y valores
de los básicos.
CAPITULO 2 MATERIALES Y METODOS 64
En zona 2 (12 vectores) un ciclo de la frecuencia se logra, como en la zona 1, con el
recorrido de los seis sectores pero en este caso cada uno de ellos se divide en dos
subsectores. Al igual que en la zona 1 existen cambios en cuanto al vector a generar y los
tiempos necesarios en cada subsector.
La fig. 2.19 muestra la subrutina CPROCESO
Fig. 2.19 Subrutina CPROCESO
CAPITULO 2 MATERIALES Y METODOS 65
Subrutina ENTER
La subrutina ENTER es la encargada de conformar el valor definitivo de la frecuencia a
partir de los números almacenados en DATO y DATO1; Se debe señalar que no
necesariamente se necesitan los dos dígitos para conformar dicho valor, pues está prevista
la posibilidad de, en el caso de las frecuencias entre 5 y 9 Hz, introducir la frecuencia
deseada sin teclear el 0 en la decena.
Además esta subrutina verifica que el valor seleccionado este dentro del rango de trabajo de
equipo, de 5 a 60 Hz, actualizando este, si es correcto, o mostrando un mensaje de ERROR
en la pantalla borrando además el valor incorrecto.
En la fig. 2.20 se muestra la subrutina.
Fig. 2.20 Subrutina ENTER
CAPITULO 2 MATERIALES Y METODOS 66
Subrutina TABLAS
En esta subrutina se actualizan los valores de tiempo de los vectores nulos en dependencia
de la zona en que se encuentra la modulación y el valor de la frecuencia a generar.
A continuación se muestra dicha subrutina.
Fig. 2.21 Subrutina TABLAS
Subrutina ARRANQUE_SUAVE
Esta subrutina es de gran importancia dentro del proceso de la modulación siendo la
encargada de, como bien lo indica su nombre, efectuar el control del arranque suave desde
la frecuencia de partida hasta el valor de la frecuencia seleccionada.
En este caso, como sucede en otras subrutinas, se ha debido concebir que la ejecución de
ARRANQUE_SUAVE se realice en bloques de un tamaño tal que se puedan insertar en los
pequeños tiempos que se disponen en el proceso de la modulación. Es por esta razón que la
estructura de la subrutina es más compleja.
En la fig. 2.22 se puede observar la subrutina ARRANQUE _SUAVE, aunque para un
análisis más detallado se recomienda consultar los anexos donde se encuentra la misma en
más detalle.
CAPITULO 2 MATERIALES Y METODOS 67
Fig. 2.22 Subrutina ARRANQUE_SUAVE.
Capítulo 3 Resultados y discusión 68
CAPITULO 3. RESULTADOS Y DISCUSION
En este capítulo se realiza, en primer lugar, un resumen de las comprobaciones realizadas y
resultados obtenidos, tanto de forma virtual como real, en el dispositivo diseñado. En las
mismas se comprueba el correcto funcionamiento del equipo y muy en especial los valores
de voltaje y frecuencia que se obtienen. Se incluye también un análisis económico con el
objetivo de determinar su posible costo de producción y su factibilidad.
El capítulo se compone de la siguiente manera:
Epígrafe 3.1 Comprobaciones y resultados alcanzados
Se muestran un resumen del las comprobaciones y los resultados que se alcanzaron a partir
de las pruebas realizadas con el objetivo de verificar el desempeño del equipo.
Epígrafe 3.2 Análisis económico
Se realiza un estudio para determinar el costo de producción del dispositivo así como su
factibilidad económica teniendo en cuenta sus potencialidades y aplicación práctica.
3.1 Comprobaciones y resultados alcanzados
Con el objetivo de lograr un menor tiempo de ejecución en las diferentes etapas del proyecto
se realizó un diseño virtual, con el empleo del PROTEUS como herramienta de simulación,
donde se montaron los diferentes bloques del dispositivo siendo posible de esta forma
realizar un gran número de pruebas a partir de las cuales se verificaron las diferentes señales
que se generan en el proceso de la modulación.
Capítulo 3 Resultados y discusión 69
Comprobación del tiempo muerto
Anteriormente se explicó la necesidad de incluir el tiempo muerto en el proceso de
conmutación de los semiconductores del inversor. En la fig. 3.1 se puede observar el tiempo
muerto.
Fig. 3.1 Tiempo muerto simulado
Comprobación del patrón de encendido
Fue posible comprobar la forma y los tiempos de los diferentes patrones de encendido de una
rama del inversor, tanto en 24 como en 12 vectores. Para una mejor comprensión solamente
se muestran los patrones de una sola rama, teniendo en cuenta que las dos restantes son
iguales pero con el desfasaje correspondiente.
En la figura 3.2 se puede observar la forma del patrón de encendido para 12 vectores y los
tiempos correspondientes.
Capítulo 3 Resultados y discusión 70
Fig. 3.2 Patrón de encendido para 12 vectores
Partiendo de este criterio se comprueba el patrón de encendido, para una frecuencia de 50
Hz, tanto en la simulación, fig. 3.3, como en el circuito real, fig. 3.4
Fig. 3.3 Patrón de encendido simulado, para frecuencia igual a 50 Hz
Capítulo 3 Resultados y discusión 71
Fig. 3.4 Patrón de encendido real, para frecuencia igual a 55 Hz
Por otra parte se comprobaron los diferentes patrones de encendido para las frecuencias que
se encuentra en la zona a 24 vectores. A continuación se muestran, para una frecuencia de 20
Hz, el patrón obtenido en la simulación y el real.
Fig. 3.5 Patrón de encendido simulado, para frecuencia de 20 Hz
Capítulo 3 Resultados y discusión 72
Fig. 3.6 Patrón de encendido real, para frecuencia de 22 Hz
Comprobación de los voltajes de línea y fase
Se comprueba primeramente que existe el correcto desfasaje (1200) entre cada una de las tres
fases del sistema. Continuando después con la comprobación de los voltajes de línea y fase
para una carga conectada en estrella.
Fig. 3.7 Patrón de encendido simulado en 50 Hz, para las tres fases
Capítulo 3 Resultados y discusión 73
Fig. 3.8 Patrón de encendido real en 55 Hz, para dos fases
Fig. 3.9 Voltaje de fase obtenido en la simulación
Capítulo 3 Resultados y discusión 74
a) b)
Fig. 3.10 Voltaje de fase real en el circuito
a). Para frecuencia de 55 Hz b). Para frecuencia de 22 Hz
Fig. 3.11 Voltaje de línea simulado
Capítulo 3 Resultados y discusión 75
3.2 Análisis económico
El proyecto fue concebido con posibilidades de aumentar su potencia, con la realización de
mínimos cambios y con vista a una posible fabricación en serie. Teniendo en cuenta esto se
realiza un resumen del costo del dispositivo obtenido, a partir del recuento de los
componentes utilizados en el mismo.
En la tabla 3.1 se puede ver un resumen de los principales costos, en CUC, del dispositivo
Tabla 3.1 Resumen de los costos de los componentes utilizados
Componente Cantidad Precio Total
Inversor CPV 364MF 1 41.20 41.20 Excitador IR2110 3 1.75 5.25 Amplificador ULN 2003 2 0.99 1.98 PIC 16F877 1 9.60 9.60 Teclado matricial 1 30.50 30.50 LCD WM-C2002M 1 4.17 4.17 Opto-acoplador MB 104/4 6 0.25 1.50 Opto-acoplador TLP 521-4 1 0.75 0.75 Operacional KA358 1 0.46 0.46 Transductor de I LA 55-P 1 33.88 33.88 Compuerta Lógica V4012D 1 0.55 0.55 Regulador 7805 1 1.75 1.75 Regulador 7815 1 1.75 1.75 Capacitor 300µF 400 V 1 43.23 43.23 Rectificador potencia onda completa 2 3.34 6.68 Circuito impreso 1 12.50 12.50 Transformador 220V/2X18 V 5VA 1 4.35 4.35 Otros componentes 1 30.00 30.00
Total $ 230.10
Capítulo 3 Resultados y discusión 76
Teniendo en cuenta que para la implementación del dispositivo se necesitaron un total de
34H/H que representan un costo en mano de obras de 48.00 pesos, la ejecución total del
proyecto tiene un costo de 230.10 CUC, en gastos de materiales y 48.00 pesos por el
concepto de mano de obra.
Teniendo en cuenta que actualmente el costo de un equipo de características similares al
propuesto, aunque con mayores prestaciones y potencialidades, está por encima de los 1000
CUC resulta una buena alternativa para dar solución a la demanda que existe en nuestro país.
Conclusiones y Recomendaciones 77
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Conclusiones
1. Se realizó búsqueda y revisión bibliográfica sobre artículos y trabajos relacionados
con el tema.
2. Se abordaron los aspectos teóricos específicos para lograr el diseño del circuito.
3. Se diseñó un dispositivo lo más simplificado posible pero que a su vez cumple con
los requerimientos generales en las diferentes aplicaciones de accionamiento
eléctrico actualmente.
4. Implementación en el sistema una interfaz para la comunicación, consistente en LCD
y teclado, lográndose una operación interactiva.
5. Se dota al circuito de mecanismos de protección ante diferentes fallas de sobre-
corriente y variación del voltaje de línea.
Recomendaciones
Los resultados de investigación poseen una aplicación práctica y teórica de gran
trascendencia para todos los especialistas, investigadores y diseñadores del control de
velocidad de motores trifásicos asincrónicos, pudiéndose utilizar este trabajo como punto de
partida para estudios posteriores relacionados con el tema o proyectos más específicos y de
mayor alcance.
Continuar trabajando en el tema propuesto para lograr su completamiento o ampliación para
su uso en aplicaciones futuras con el objetivo de incorporar mejoras para lograr:
Conclusiones y Recomendaciones 78
1. La incorporación de otras potencialidades que posean los variadores comerciales
acorde a otras necesidades más frecuentes.
2. El aumento del número de vectores en cada zona.
3. El aumento de hasta cuatro zonas de trabajo.
4. Mejora de la resolución de la frecuencia hasta 0.25 Hz.
5. Posibilidad de selección entre el modo “lineal” o tipo “S” en el arranque suave, así
como permitir la selección del tiempo deseado en estos procesos, tanto en la
aceleración como en la desaceleración.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 79
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1-Sanz Feito, Javier (2002). Máquinas Eléctricas. Pearson Educación, SA, Madrid.
2-M. P. Kostenko (1968). Máquinas Eléctricas.
3-Dewan. S. D, Slemon. G. R, Straughen. A (1990). Power Semiconductor Drives.
Edición Revolucionaria.
4- WEG. Manual del convertidor de frecuencia. Serie CFW-09. Brasil. 2002.
6- Basanta, A (1998). Aspectos fundamentales sobre la teoría y el diseño del accionamiento
eléctrico del Vehículo Eléctrico Cubano VEC. Tesis de Maestría. Facultad de Ing.
Eléctrica. Cuba.
7- Inversores.pdf. www.irf.com/product-info/datasheets/data/ir2110.pdf
8- IR2110.pdf. www.datasheetcatalog.com
9- LA55-P. pdf. www.datasheetcatalog.com
12- PIC16F877.pdf. www.alldatasheet.com
14- Wintek Corp (2001). Especificaciones para modulos de LCD WM-C2002P. Taiwan.
16-International Rectifier (1994). IGBT DESIGNER´S MANUAL. USA.
17- Basanta. L, Martín. I (1999). Mejoras y documentación del VEC. Tendencia actual y
perspectivas futuras. Trabajo de diploma. Facultad de Ing. Eléctrica. Cuba.
18- Fleites Pedro Y. y Rivera Jean Pierre (2006). Variador de velocidad controlado
mediante el vector espacial de tensión utilizando el micro AT89C52. Trabajo de Diploma.
Ciudad de La Habana.
ANEXOS SUBRUTINAS DEL PROGRAMA 80
ANEXOS
Programa principal
INTCON,0=1
PRINCIPIO
. Condiciones iniciales del programa (frecuencia inicial, valor de NZONA, conectar resistencias de Pull-Up) . Inicializar el DISPLAY. . Habilitar las protecciones
. CALL
CONT_ENTER,6
1
0
1
1
0
0
CALL ENTER
CONT_ENTER,6
CONT_ENTER,1
.BCF CALL TABLAS
CALL MODULACION
¿Int. Por teclado ¿
¿ENTER en ejecución ¿
¿Termine con ENTER ¿
¿Termine con ENTER, pero dio Error 10
. CALL
ANEXOS SUBRUTINAS DEL PROGRAMA 81
Subrutina PRE_TEC_DISPLAY
ANEXOS SUBRUTINAS DEL PROGRAMA 82
Subrutina BUSCAR
ANEXOS SUBRUTINAS DEL PROGRAMA 83
Continuación (1) BUSCAR
ANEXOS SUBRUTINAS DEL PROGRAMA 84
Continuación (2) BUSCAR
ANEXOS SUBRUTINAS DEL PROGRAMA 85
Continuación (3) BUSCAR
ANEXOS SUBRUTINAS DEL PROGRAMA 86
Continuación (4) BUSCAR
ANEXOS SUBRUTINAS DEL PROGRAMA 87
Subrutina CONTROLPROC
CONTROLPROC
. BCF STATUS,C
. 0X03 – W W
STATUS,C
10¿El tiempo es suficiente ¿
CON_ENTER,6 1 0
¿ENTER en ejecución ¿
CALL ENTER
CON_ENTER,1 1 0 ¿Term. ENTER, dio ERROR
. BCF CON ENTER,1
CON_ARRANQUE,2
10
NSECTOR,5 1 0
CON_ARRANQUE,3 10
CON_ARRANQUE,0 10
CON_ARRANQUE,4 10
. BCF CON_ENTER,1
. CALL ARRANQUE_SUAVE
FINCONTROLPRO EXIT
¿SECTOR 1 ¿
Ejecutar solo una vez por
¿En ejecución
¿Ppetición de ARRANQUE ¿
ANEXOS SUBRUTINAS DEL PROGRAMA 88
Continuación (1) CONTROLPROC
FINCONTROLPROC EXIT
. CALL REBOTE_Y_TTECLA
RETURN
ANEXOS SUBRUTINAS DEL PROGRAMA 89
Subrutina M
ODULACION
ANEXOS SUBRUTINAS DEL PROGRAMA 90
Continuación MODULACION
Subrutina TIEMPOM
ANEXOS SUBRUTINAS DEL PROGRAMA 91
Subrutina TIEMPOVV1
Subrutina TIEMPOVV2
ANEXOS SUBRUTINAS DEL PROGRAMA 92
Subrutina TIEMPOVV3
Subrutina TIEMPOVV4
ANEXOS SUBRUTINAS DEL PROGRAMA 93
Subrutina TIEMPOVV0
Subrutina TIEMPOVV7
ANEXOS SUBRUTINAS DEL PROGRAMA 94
Subrutina CPROCESO
ANEXOS SUBRUTINAS DEL PROGRAMA 95ANEXOS SUBRUTINAS DEL PROGRAMA
Continuación (1) CPROCESO
95
Continuación (1) CPROCESO
ANEXOS SUBRUTINAS DEL PROGRAMA 96
Continuación (2) CPROCESO
ANEXOS SUBRUTINAS DEL PROGRAMA 97
Subrutina ALMACENAMIENTO
Subrutina COMANDO_ESCRITURA
ANEXOS SUBRUTINAS DEL PROGRAMA 98
Subrutina CARACTER_NUMERO
ANEXOS SUBRUTINAS DEL PROGRAMA 99
Subrutina CARÁCTER_ESCRITURA
ANEXOS SUBRUTINAS DEL PROGRAMA 100
Subrutina BUSY
Subrutina DEMORA
ANEXOS SUBRUTINAS DEL PROGRAMA 101ANEXOS SUBRUTINAS DEL PROGRAMA 101
Subrutina ENTER
ANEXOS SUBRUTINAS DEL PROGRAMA 102
Subrutina ENVIAR_CARACT
Subrutina RETARDO2
ANEXOS SUBRUTINAS DEL PROGRAMA 103
Subrutina RETARDO1
ANEXOS SUBRUTINAS DEL PROGRAMA 104
Subrutina TABLAS
ANEXOS SUBRUTINAS DEL PROGRAMA 105
Subrutina ARRANQUE_SUAVE
CONT_ARRANQUE,1
ARRANQUE_SUAVE
. BCF CONT_ARRANQUE,3
. BCF CONT_ARRANQUE,2
. BCF STATUS,Z
. SUB VFRECUENCIA - VFRECANTERIOR
STATUS,Z
0
1
1
0
¿Está en ejecución alguna RAMPA ¿
¿VFRECUENCIA = VFRECANTERIOR¿
¿En ejecución ARRANQUE_SUAVE ¿ 1
CONT_ARRANQUE,0
0
. BSF CONT_ARRANQUE,0
STATUS,C
¿Incrementar o decrementar ¿ 0 1
. VFRECANTERIOR – VFRECUENCIA W
. W TEMPORAL
. VFRECUENCIA – VFRECANTERIOR W
. W TEMPORAL
. BCF STATUS,C
. TEMPORAL – 0X06 , 0
STATUS,C
. TEMPORAL RAMPA3
. CRLF RAMPA 2 y RAMPA1. 0X03 RAMPA1 y RAMPA2 . TEMPORAL – 0X06 W . W RAMPA2
¿EL recorrido es de 6 Hz o más ¿
NZONA,0
. 0X0A MULTIRAMPA1 y 3
. 0X02 MULTIRAMPA2
. BSF CONT_ARRANQUE,1
. 0X05 MULTIRAMPA1 y 3
. 0X01 MULTIRAMPA2
. BSF CONT_ARRANQUE,1
¿En que ZONA me encuentro ¿
0 1
0 1
FIN_ARRANQUE_SUAVE EJEC_RAMPA
ANEXOS SUBRUTINAS DEL PROGRAMA 106
Cont E
inuación (1) de ARRANQUE_SUAV
EJEC RAMPAF ARRANQUE SUAVEIN
. BCF STATUS,Z 0X00 – RAMPA1 W
STATUS,Z
10
. BCF STATUS,Z 0X00 – RAMPA2 W
STATUS,Z
10
. BCF STATUS,Z 0X00 – RAMPA3 W
STATUS,Z
10
. BCF CONT_ARRANQUE,1
. BCF CONT_ARRANQUE,0
. BCF CONT ARRANQUE,4
DECFSZ MULT_RAMPA1
1 0
. CALL IN_DEC_FRECUENCIA
. DECF RAMPA1, 1
. BCF CONT ARRANQUE,1
DECFSZ MULT_RAMPA2
1 0
. CALL IN_DEC_FRECUENCIA
. DECF RAMPA2, 1
. BCF CONT ARRANQUE,1
DECFSZ MULT_RAMPA3
1 0
. CALL IN_DEC_FRECUENCIA
. BCF CONT_ARRANQUE,1
DECFSZ RAMPA3
1 0
. CALL IN_DEC_FRECUENCIA
. BCF CONT_ARRANQUE,1
¿RAMPA1 = 0 ¿
¿RAMPA3 = 0 ¿
RETURN
ANEXOS SUBRUTINAS DEL PROGRAMA 107
Subrutina IN_DEC_FRECUENCIA
ANEXOS SUBRUTINAS DEL PROGRAMA 108
FRECUENCIA
ANEXOS SUBRUTINAS DEL PROGRAMA 109
ACTUALIZAR_FREC
ANEXOS SUBRUTINAS DEL PROGRAMA 110
ERROR_FREC
ANEXOS SUBRUTINAS DEL PROGRAMA 111
Continuación ERROR_FREC
ANEXOS SUBRUTINAS DEL PROGRAMA 112
Subrutina INT_PROTEC
ANEXOS SUBRUTINAS DEL PROGRAMA 113
Subrutina REBOTE_Y_TTECLA