Aplicacion de Un Inversor Multinivel Como Variador de Frecuencia de Un Motor de Induccion Trifasico

7/31/2019 Aplicacion de Un Inversor Multinivel Como Variador de Frecuencia de Un Motor de Induccion Trifasico

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PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE CHILEESCUELA DE INGENIERIA

APLICACIN DE UN INVERSOR

MULTINIVEL COMO VARIADOR DE

FRECUENCIA DE UN MOTOR DE

INDUCCIN TRIFSICO

CRISTIAN MARCELO ELGUETA DAZ

Tesis para optar al grado de Magster en Ciencias de la Ingeniera

Profesor Supervisor:JUAN W. DIXON ROJAS

Santiago de Chile, Julio 2005


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PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE CHILEESCUELA DE INGENIERIADepartamento de Ingeniera Elctrica

APLICACIN DE UN INVERSOR

MULTINIVEL COMO VARIADOR DE

FRECUENCIA DE UN MOTOR DE

INDUCCIN TRIFSICO

CRISTIAN MARCELO ELGUETA DAZ

Tesis presentada a la Comisin integrada por los profesores:

JUAN DIXON R.

HUGH RUDNICK

MATAS RODRIGUEZ

LUIS CONTESSE

Para completar las exigencias del grado de Magster en Ciencias de laIngeniera

Santiago de Chile, Julio 2005


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ii

A mis Padres.


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iii

AGRADECIMIENTOS

Este trabajo representa el trmino de un proyecto que no hubiese podido

ser finalizado satisfactoriamente si no es por el apoyo y consejos de muchas

personas.

Quiero agradecer especialmente a mi familia y amigos, que nunca

dejaron de apoyarme durante estos largos aos de estudio. Gracias por la paciencia y

cario.

Especial mencin merece el Profesor Juan Dixon que gui el trabajo

realizado y, que gracias a sus consejos y conocimientos este proyecto pudo llegar a

un exitoso final.

A mis compaeros de laboratorio que siempre tuvieron la disponibilidad

de ayudar y aportar ideas en todos los problemas que se presentaron. En especial al

Ingeniero Micah Ortzar, quin aport con su experiencia y conocimientos en

muchos problemas a lo largo del desarrollo de esta tesis.

Finalmente quisiera agradecer la colaboracin de los funcionarios del

Departamento de Ingeniera Elctrica, especialmente a Eduardo Cea, que siempre

estuvo presente cuando se necesit su ayuda.


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iv

NDICE GENERAL

AGRADECIMIENTOS .............................................................................................. iii

NDICE GENERAL.................................................................................................... iv

NDICE DE FIGURAS............................................................................................... vi

NDICE DE TABLAS................................................................................................. ix

RESUMEN................................................................................................................... x

ABSTRACT................................................................................................................ xi

I. INTRODUCCIN.............................................................................................. 1

1.1. Objetivos de la Tesis .................................................................................. 3

1.1.1. Origen de la Tesis ............................................................................ 3

1.1.2. Cobertura de la Tesis ....................................................................... 3

1.1.3. Organizacin de la Tesis.................................................................. 4

II. INVERSORES MULTINIVEL .......................................................................... 52.1. Caractersticas del Inversor Multinivel con puentes H en cascada. ........... 8

2.1.1. Modulacin de Voltaje................................................................... 10

2.1.2. Distribucin de Potencia................................................................ 12

2.1.3. Comparacin con Inversores de dos niveles.................................. 14

III. CONTROL DE MOTORES DE INDUCCIN ............................................... 16

3.1. Control Escalar o Volts Hertz ............................................................... 21

IV. SISTEMA DE CONTROL IMPLEMENTADO .............................................. 274.1. Caractersticas del inversor utilizado. ...................................................... 27

4.2. Sistema de Control. .................................................................................. 32

4.3. Software y Algoritmo de control.............................................................. 36

4.3.1. Caractersticas del DSP empleado y de la caja de control. ............ 37

4.3.2. Tabla de control y de funcin. ....................................................... 39


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v

4.3.3. Programa de Control...................................................................... 45

4.4. Sensores utilizados y circuitos anexos. .................................................... 54

4.4.1. Sensor de Flujo .............................................................................. 54

4.4.2. Sensor de Velocidad ...................................................................... 55

V. RESULTADOS EXPERIMENTALES. ........................................................... 57

5.1. Pruebas sin Perturbaciones....................................................................... 58

5.2. Pruebas con Perturbaciones...................................................................... 59

VI. CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO. ................................................... 61

BIBLIOGRAFA........................................................................................................ 63

A N E X O S............................................................................................................... 66

ANEXO A: Programa realizado en el DSP y Tablas. ................................................ 67

ANEXO B: Programa DSP externo para el ajuste de la seal del encoder.............. 101

ANEXO C: Clculo del tiempo muerto. .................................................................. 114

ANEXO D: Clculo del nmero de puntos de la sinusoide discretizada................. 116

ANEXO E: Hoja de datos del DSP TMS320F241................................................... 120

ANEXO F: Hoja de datos del Regulador TPS75925............................................... 134

ANEXO G: Hoja de datos del Regulador LM338 ................................................... 142

ANEXO H: Hoja de datos MOSFETS IRF540N..................................................... 146

ANEXO I: Hoja de datos MOSFETS IRFP250....................................................... 149

ANEXO J: Hoja de datos Driver IR 2113................................................................ 153


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NDICE DE FIGURAS

Figura II.1 Inversor de (a) 2 niveles, (b) 3 niveles, (c) m niveles. ....................................6

Figura II.2 Esquema Inversor Acoplado por Condensador. (a) Tres niveles. (b) Cinco

niveles. ............................................................................................................7

Figura II.3 Esquema de Inversor Acoplado por Diodo. (a) Tres niveles. (b) Cinco

niveles. ............................................................................................................8

Figura II.4 Inversor Multinivel del tipo puente H, con cuatro puentes...........................9

Figura II.5 Voltaje Modulado en amplitud, medio ciclo de la forma de onda. ................10

Figura II.6 Comparacin de las ondas de salida de inversores con 3, 11, 31 y 81

niveles. .......................................................................................................... 11

Figura II.7 Frecuencias de Conmutacin de los cuatro puentes H del inversor de 81

niveles. .......................................................................................................... 12

Figura II.8 Potencias entregadas por cada fuente DC del inversor. (a) Carga Resistiva.(b) Carga inductiva (f.p. = 0.11)....................................................................13

Figura II.9 Comparacin de la onda de salida de corriente entre un inversor de 81

niveles y un inversor convencional de dos niveles con modulacin PWM

(carga inductiva)............................................................................................15

Figura III.1 Curvas de operacin de un motor de induccin con control de velocidad

por cambio en el nmero de polos. ...............................................................18

Figura III.2 Curvas de operacin de un motor de induccin cambiando el voltaje dealimentacin. .................................................................................................19

Figura III.3 Puntos de operacin para un motor de induccin con control de velocidad

por frecuencia variable. El motor puede operar en cualquier punto de la

zona achurada................................................................................................20


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vii

Figura III.4 Curva de Operacin Tpica de un motor de induccin. ................................23

Figura III.5 Puntos de Operacin de un motor de induccin con control Escalar............24

Figura III.6 Esquema de un control Escalar en lazo abierto.............................................25

Figura III.7 Esquema de un control Escalar en lazo cerrado por control de frecuencia

de deslizamiento............................................................................................25

Figura IV.1 Distribucin de potencias para distintas frecuencias en un motor de

induccin de 3,7 KW.....................................................................................28

Figura IV.2 Circuito de fuentes DC y resistencias en paralelo. .......................................29

Figura IV.3 Resistencias instaladas para disipar la potencia cuando esta deba ser

absorbida por las fuentes DC. .......................................................................30

Figura IV.4 (a) Circuito Nuevas Fuentes DC. (b) Fuentes instaladas en el Inversor. ......31

Figura IV.5 Configuracin del Inversor Multinivel con un Motor de induccin de

devanados separaros......................................................................................32

Figura IV.6 Sistema de Control Implementado en lazo abierto. ......................................33

Figura IV.7 Sistema de Control Implementado en lazo cerrado, con realimentacin de

velocidad. ...................................................................................................... 34

Figura IV.8 Circuito equivalente del motor utilizado. ..................................................... 35

Figura IV.9 Velocidad del motor alimentado con un inversor ideal, utilizando el

sistema de control propuesto.........................................................................36

Figura IV.10 Diagrama de puertos I/O en la tarjeta de control del inversor. ...................38

Figura IV.11 Configuracin de una fase del inversor. ..................................................... 40

Figura IV.12 Sinusoide Discretizada de la Tabla de Funcin..........................................45


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viii

Figura IV.13 Relacin entre el intervalo de interrupcin T1PR y la frecuencia de

salida de la sinusoide.....................................................................................52

Figura IV.14 (a) Circuito para ajustes del voltaje del sensor de flujo. (b) Placa con los

circuitos de ambos sensores. .........................................................................55

Figura IV.15 (a) Circuito Encoder. (b) Imagen del Encoder instalado. ...........................56

Figura V.1 Diagrama de conexiones del accionamiento..................................................57

Figura V.2 Respuesta del sistema a un escaln de 450 [RPM]........................................59

Figura V.3 Respuesta del sistema a una perturbacin de carga. ......................................60

Figura VI.1 Diagrama de Flujo del Loop Principal, Interrupcin Externa e

Interrupcin por Timer 1 del cdigo implementado en el DSP externo. ....103

Figura VI.2 Diagrama de Flujo de la Interrupcin por Timer 2, del cdigo

implementado en el DSP externo................................................................104

Figura VI.3 Sinusoide Tabulada para distinta cantidad de puntos N..........................118


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ix

NDICE DE TABLAS

Tabla IV.1: Caractersticas de las fuentes utilizadas en los puentes auxiliares................31

Tabla IV.2 Tabla de Control ............................................................................................40

Tabla IV.3 Distribucin de los datos en la Tabla de Funcin..........................................44

Tabla IV.4 Valor de la variable MUX y su relacin con la fase activa............................ 48

Tabla VI.1 Tabla de Frecuencias para DSP .....................................................................89

Tabla VI.2 Tabla de valores T1PR para DSP...................................................................93

Tabla VI.3 Tabla de Control ............................................................................................97

Tabla VI.4 Tabla de la Funcin Seno...............................................................................98

Tabla VI.5 Tabla para calcular el PWM del DSP externo ............................................. 112

Tabla VI.6 Tiempo de Apagado de los Mosfets utilizados y del circuito de disparo.....115


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x

RESUMEN

Actualmente casi todos los convertidores estticos utilizados en la

industria estn basados en inversores de dos niveles con tcnicas de modulacin de

ancho de pulso (PWM o Pulse Width Modulation). Este tipo de modulacin no

genera una onda de voltaje perfecta y por lo tanto se tienen problemas relacionados

principalmente con las armnicas y la alta frecuencia de operacin de las vlvulas

electrnicas que componen los puentes de estos convertidores.

Los inversores multinivel, en tanto, son convertidores de ltimatecnologa, los que pueden generar corrientes, e incluso voltajes, ms sinusoidales y

con mucho menor contenido armnico. Estos se pueden modular tanto en ancho de

pulso, como en amplitud (por el gran nmero de escalones o niveles de tensin que

pueden generar), lo que hace que los problemas generados por las armnicas puedan

ser visiblemente atenuados. Adems la frecuencia de conmutacin de los

semiconductores se reduce considerablemente y por lo tanto tambin sus prdidas.

Dentro del contexto de utilizar y probar el desempeo de los inversores

multinivel, se dise e implement un sistema de control de velocidad para un motor

de induccin utilizando un inversor de 81 niveles construido anteriormente en el

laboratorio. Este inversor cuenta con 3 puentes auxiliares y uno principal que

sumados en serie entregan un voltaje total de 63 [Vaceff] y una corriente de 5 [A], por

fase. El sistema de control diseado es un sistema de control escalar con un sensor

para medir el flujo directamente y de esta manera compensar la cada de voltaje en la

resistencia del estator a bajas frecuencias. Se lograron velocidades controlables entre15 [RPM] y 900 [RPM] y tiempos de respuesta cercanos al segundo.

En este trabajo se describe el sistema de control implementado y las

pruebas realizadas con el inversor para analizar su funcionamiento a distintas

frecuencias de operacin.


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xi

ABSTRACT

Today almost every static converter is based on two-level topologies and

PWM (Pulse Width Modulation). This modulation technique does not yield perfect

voltages waveforms, and a series of problems is generated because of the high

harmonic distortion and switching frequency on which the semiconductors must

operate.

Multilevel converters are stateoftheart technology inverters, which

can generate currents and voltages waveforms closer to a sinusoidal shape and hencewith less harmonic distortion. This kind of converters can be modulated with PWM

techniques, but also with amplitude modulation techniques, witch make the problems

generated by the harmonics almost disappear. Also, the switching frequency of the

semiconductors is considerably reduced and, as a result, the switching losses become

also reduced.

In the context of using and testing multilevel converters applications, a

speed control system was designed and developed to control a three phase induction

motor using an 81 level converter previously implemented in the laboratory. This

inverter has three auxiliary bridges and one main bridge, which connected in series,

produce 63 [Vaceff] and 5 [A] per phase. The control system designed is based on a

V/F control, using a sensor to measure the stator flux directly from the motor,and

hence compensating the voltage drop on the stator resistance at low frequencies.

Controllable speeds between 15 [RPM] and 900 [RPM] were accomplished with a

response time closer to the second.

In the present work the design and construction of the control system is

described, along with the tests made to the converter at different frequencies of

operation.


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1

I. INTRODUCCIN

Los motores de induccin de jaula de ardilla son hoy en da uno de los

tipos ms usados en el sector industrial. Si bien el control de velocidad, torque o

posicin de estas mquinas, es ms complejo que el de los motores de corriente

continua, la electrnica de potencia ha ayudado a solucionar estos problemas y ha

posicionado a este motor como el de menor precio y mayor robustez, adems de su

casi nulo mantenimiento.

El control de velocidad de los motores de induccin se puede realizar dediversas maneras. Cambiando el nmero de polos, el voltaje, o la frecuencia de

alimentacin. El mtodo que mayor aceptacin ha tenido es una combinacin de los

dos ltimos, debido al mayor rango de controlabilidad, tanto en torque como en

velocidad.

Para poder variar la frecuencia de alimentacin se requiere de un inversor

trifsico, el cual es un aparato capaz de transformar corriente continua en corriente

alterna.

Actualmente la mayora de los inversores estn basados principalmente

en inversores de dos niveles con modulacin por ancho de pulso, o PWM (Pulse-

Width Modulation), la cual entrega solamente dos niveles de tensin y por lo tanto la

frecuencia con que deben operar las vlvulas del inversor es considerablemente alta.

Daos y fallas en las mquinas han sido evidenciados en la industria debido a estas

altas frecuencias de operacin. Entre los principales problemas estn las fallas en losrodamientos del motor, y prdidas de la aislacin en las bobinas de las mquinas,

causadas por corrientes circulantes, desgaste dielctrico, sobretensin y descargas

corona [1, 2, 3, 4, 5]. Las corrientes circulantes son generadas por capacidades

parsitas que se generan en las distintas capas de las bobinas del motor. Los bruscos

cambios de voltaje (dV/dt) inducen corrientes y descargas corona en los enrrollados


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2

del motor, lo que provoca el desgaste prematuro del aislamiento de las bobinas.

Adems de estos problemas, la alta frecuencia de operacin de los semiconductores,

produce mayores perdidas por conmutacin, rizado en la corriente y gran cantidad de

ruido que puede llegar a contaminar los sistemas de control, sobre todo los sensores

que se encuentran cercanos al motor. Esto ha llevado a muchas investigaciones en el

campo de la modulacin PWM en busca de solucionar, o disminuir, los problemas

antes mencionados utilizando mejores mtodos de modulacin [6, 7, 8, 9].

Los convertidores multinivel en cambio minimizan estos problemas. Su

funcin principal es mejorar el perfil de la onda de voltaje alterna generada,utilizando tres o ms niveles de voltaje continuo. Su funcionamiento es tal, que al

aumentar el nmero de niveles, el voltaje de salida, que est formado por la suma de

escalones de tensin, tiene mayor resolucin porque aumenta el nmero de escalones,

acercndose a una onda sinusoidal con mayor precisin. A mayor cantidad de

escalones (o niveles) en la onda de salida, menor distorsin armnica.

Estos convertidores pueden trabajar con tcnicas convencionales de

PWM, pero adems pueden ser modulados en amplitud, lo que produce salidas

mucho ms limpias. Este mtodo de operacin permite obtener muy buenas ondas de

voltaje y corriente, eliminando la mayora de las armnicas. Mejor an, cada puente

del convertidor funciona a baja frecuencia de conmutacin, lo cual da la posibilidad

de poder trabajar con semiconductores de menor velocidad, generando menos

prdidas por conmutacin y haciendo ms eficiente el convertidor esttico.


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3

1.1. OBJETIVOS DE LA TESIS

El objetivo de la Tesis consiste en analizar el comportamiento de un

inversor multinivel cuando es utilizado en todo su rango de frecuencias como es en el

control de motores.

1.1.1. ORIGEN DE LA TESIS

Esta tesis presenta el trmino de un gran proyecto que naci como

respuesta a la necesidad de realizar trabajos de investigacin con aplicaciones

prcticas, donde se pudieran obtener resultados reales del comportamiento de los

Inversores Multinivel. Es parte de una serie de proyectos, que en conjunto pretendan

construir un sistema rectificador-inversor que, conectado a la red, fuera capaz de

controlar un motor de induccin trifsico.

En este trabajo se implement un sistema simple de control escalar del

motor, considerando una serie de restricciones, dadas principalmente por las

limitaciones de los inversores multinivel utilizados. Estos inversores fueronconstruidos en trabajos anteriores [10, 11] y son de baja potencia y bajos voltajes de

operacin. Esto impidi operar el motor en condiciones reales, an con cargas

dbiles. Ms an, una de las limitaciones ms importantes de estos convertidores era

la falta de fuentes reversibles adecuadas para la correcta operacin del motor.

1.1.2. COBERTURA DE LA TESIS

El trabajo abarc diversos temas referentes al diseo e implementacin

de un sistema de control de velocidad en un motor de induccin trifsico utilizando

un inversor de 81 niveles. Entre estos se encuentran las simulaciones del sistema de

control implementado, la programacin del inversor, los sensores utilizados para la

realimentacin de diversas mediciones como flujo y velocidad, y las posteriores


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4

pruebas finales para verificar el correcto funcionamiento del control utilizando en el

inversor multinivel.

1.1.3. ORGANIZACIN DE LA TESIS

En el presente captulo se presenta una introduccin del trabajo realizado,

junto con una descripcin de cmo se encuentra estructurada la tesis y que fue lo que

motiv este trabajo.

En un segundo captulo se describen las principales caractersticas de los

inversores multinivel, sus ventajas y desventajas, hacindose una descripcin ms

detallada del inversor multinivel con puentes H en cascada.

En el tercer captulo se resumen las caractersticas de los principales tipos

de control de velocidad que existen para la mquina de induccin, analizndose en

profundidad el control escalar, en el cual se basa el sistema implementado en este

trabajo.

En un cuarto captulo se describen los principales componentes que se

utilizaron para implementar el sistema de control. Se describe el inversor utilizado,

sus limitantes de corriente y voltaje, y la forma en que se solucionaron los problemas

de bidireccionalidad en las fuentes de alimentacin del inversor. Tambin se describe

el algoritmo de control, sus diagramas de flujo asociados, las simulaciones realizadas

y los sensores utilizados.

En el quinto captulo se presentan los resultados finales que se obtuvieron

y el anlisis de stos. Finalmente en el sexto captulo se presentan las conclusiones y

se describen posibles trabajos futuros.


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5

II. INVERSORES MULTINIVEL

La funcin principal de los inversores es generar una corriente alterna a

partir de una fuente de corriente continua.

Los inversores multinivel son topologas que se basan en un arreglo de

semiconductores y fuentes DC, para formar ese voltaje alterno [6]. Las

conmutaciones de los semiconductores permiten el escalonamiento de las distintas

fuentes de voltaje continuo, generando una onda de voltaje de varios niveles. Si bien

son ms complejos que los tradicionales inversores de dos niveles, algunastopologas permiten que los semiconductores trabajen con voltajes ms reducidos y a

una menor frecuencia de conmutacin.

La Figura II.1 muestra algunos diagramas esquemticos de inversores

multinivel con diferente nmero de niveles, en los cuales, la accin del

semiconductor est representada por un interruptor ideal con distintas posiciones. Un

inversor de dos niveles, como el mostrado en la Figura II.1 (a), genera una salida de

voltaje con dos valores distintos, VC y cero, con respecto al terminal negativo de la

fuente (0), mientras que un mdulo de tres niveles genera tres voltajes distintos a la

salida (2VC, VC y Cero), y as sucesivamente. Las distintas posiciones del interruptor

ideal se implementan en la prctica con una cantidad de semiconductores que est en

directa relacin con el nmero de niveles [10].

Generalizando, para este tipo de configuracin, el nmero de niveles m

de la onda de voltaje de salida de un inversor con n fuentes de voltaje quedadeterminado por la siguiente frmula:

m = n + 1 (2.1)


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6

Mientras mayor es el nmero de niveles de un inversor, mayor ser el

nmero de componentes y ms complicado resulta el control para ste, pero por otro

lado, el voltaje de salida tendr mayor cantidad de pasos, formando una sinusoide

escalonada con menor distorsin armnica.

VC

(a)

+

Va

a

0(b)

+

Va

a

0

+

(c)

+ Va

a

0

+V

C(m-1)

+V

C(m-2)

VC

(1)VC

(1)

VC

(2)

Figura II.1 Inversor de (a) 2 niveles, (b) 3 niveles, (c) m niveles.

Algunas caractersticas de los Inversores Multinivel son [13]:

a) Pueden generar voltajes de salida con muy poca distorsin y bajo

dv/dt.

b) Las corrientes de entrada son de muy baja distorsin.

c) Generan pequeos voltajes de modo comn, protegiendo los motores.

Ms an, utilizando sofisticados mtodos de modulacin, el voltaje de

modo comn puede ser eliminado.

d) Pueden operar con baja frecuencia de conmutacin, provocando

menores perdidas.


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7

Existen distintas soluciones para implementar topologas de inversores

multinivel [10, 11, 14]. Entre algunas de ellas, aplicables a los esquemas de la Figura

II.1, se encuentran el Inversor Acoplado por Condensadores (Capacitor-Clamped

Inverter), Figura II.2 , y el Inversor Acoplado por Diodos (Diode-Clamped Inverter),

Figura II.3. Otra topologa, basada en fuentes de voltaje flotantes aisladas

galvnicamente, utiliza inversores de puentes H en cascada (Cascade H-Bridge

Inverter). Esta ltima topologa se detalla mejor a continuacin.

(a)

2dcV

dcV

2dc

V

1C

2C

n a

0

1C

'1S

'2S

1S

2S

(b)

4dcV

dcV

2dc

V

4C

4C

n a

0

3C

'1S

'2S

3S

4S

2dcV

4dcV

4C

4C

1C

'3S

'4S

1S

2S

2C

2C

3C

3C

van

Figura II.2 Esquema Inversor Acoplado por Condensador. (a) Tres niveles. (b) Cinco niveles.


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8

(a)

2dcV

dcV

2dc

V

1C

2C

n a

0

1D

'1D

'1S

'2S

1S

2S

(b)

4dcV

dcV

2dc

V

3C

4C

n a

0

3D

'3D

'1S

'2S

3S

4S

2dcV

4

dcV

1C

2C

1D

'1D

'3S

'4S

1S

2S

2D

'2D

van

Figura II.3 Esquema de Inversor Acoplado por Diodo. (a) Tres niveles. (b) Cinco niveles.

2.1. CARACTERSTICAS DEL INVERSOR MULTINIVEL CON

PUENTES H EN CASCADA.

En esta Tesis se utiliza un inversor trifsico de 4 etapas y 81 niveles, del

tipo puentes H en cascada, el que se muestra en la Figura II.4. Este inversor, como

su denominacin lo indica, consta de cuatro etapas o puentes H conectados en

serie, con una fuente DC independiente para cada etapa. Los valores de cada una de

estas fuentes podran ser iguales, pero si se utilizan valores escalonados en potencia

de tres, como en el inversor implementado, se maximiza la cantidad de niveles desalida del inversor y se minimizan las fuentes DC necesarias [10]. No obstante, esta

solucin maximizada implica que para generar ciertos niveles de tensin, en la salida

alterna del inversor, se hace necesario que las fuentes DC de algunos puentes

auxiliares estn absorbiendo potencia. Esta absorcin de potencia requiere que las


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fuentes DC de los puentes auxiliares sean bidireccionales, ya que bajo esta topologa,

de fuentes escalonadas, no existen combinaciones redundantes de semiconductores

para generar el mismo nivel de tensin en la salida del inversor sin que los puentes

auxiliares absorban potencia en algunos momentos. A este tipo de inversores con

fuentes escalonadas se les llamar inversores multinivel asimtricos.

En la Figura II.4 se puede observar la topologa de este inversor. Se

llamar Principal al puente que trabajaba con el voltaje ms alto, mientras que al

resto de los puentes H se les llamar Auxiliares. El Principal, adems, es el que

trabaja con la menor frecuencia de conmutacin, mientras que el Auxiliar superior dela cadena presenta las caractersticas inversas, es decir, la mayor frecuencia de

conmutacin, pero el menor voltaje, lo que es una ventaja en este tipo de topologas.

Figura II.4 Inversor Multinivel del tipo puente H, con cuatro puentes.


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10

2.1.1. MODULACIN DE VOLTAJE

Al escalar las fuentes de tensin del inversor en potencias de 3 se

obtienen 81 niveles de tensin con slo cuatro etapas, generando una forma de onda

sinusoidal de manera muy precisa, como se puede observar en la Figura II.5.

Figura II.5 Voltaje Modulado en amplitud, medio ciclo de la forma de onda.

En la Figura II.5 se pueden observar diferentes niveles de tensin, los

cuales se obtienen controlado los disparos de los semiconductores de potencia. De

este modo, el inversor se comporta como un dispositivo de Modulacin por

Amplitud. Para el caso del 100% se utilizan todos los niveles que posee el inversor,

el resto de los voltajes posee menor nmero de niveles, manteniendo la mismadiferencia de tensin entre niveles. A menor nmero de niveles mayor la

contaminacin armnica, como se puede apreciar en la Figura II.6.


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11

Figura II.6 Comparacin de las ondas de salida de inversores con 3, 11, 31 y 81 niveles.

La Figura II.7 muestra las frecuencias de conmutacin resultantes en cada

uno de los cuatro puentes de una fase del inversor, para una salida de tensin

sinusoidal con 81 niveles o escalones y una frecuencia de 50 [Hz] (frecuenta nominalde alimentacin del motor a controlar). Si las tensiones de la figura se suman, se

obtendr una forma de onda aproximadamente sinusoidal, con 40 escalones

positivos, 40 negativos y un nivel de cero Volts. Se puede observar que la frecuencia

de la etapa Principal es la ms baja, coincidiendo con la frecuencia fundamental del

voltaje de salida del inversor. En este caso, las vlvulas se abren y cierran solo una

vez por ciclo, por lo tanto, la frecuencia de conmutacin del puente Principal es de

50 [Hz]. El Auxiliar ms rpido opera a 54 veces la frecuencia fundamental, es decir,

2700 [Hz].


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12

Figura II.7 Frecuencias de Conmutacin de los cuatro puentes H del inversor de

81 niveles.

2.1.2. DISTRIBUCIN DE POTENCIA.

Debido al escalonamiento de las fuentes de tensin, los voltajes de estas

fuentes decrecen rpidamente, y con ello la potencia que estos puentes entregan a la

carga. De hecho, slo el puente principal maneja el 80 % de la potencia transferida

[11]. Los otros puentes no manejan ms all del 20% de la potencia del inversor. Este

fenmeno se explica debido a que los puentes auxiliares modulan la tensin de forma

tal que entregan y reciben potencia activa desde sus fuentes muchas veces en un


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13

periodo, por lo que la potencia media que entregan es muy reducida comparada a la

del puente principal, incluso negativa en ciertos puntos de operacin, o bajo ciertos

tipos de carga. Esto se puede apreciar en la Figura II.8, la que muestra la potencia

total que entregan los distintos puentes para una carga puramente resistiva y otra

inductiva (f.p. = 0,11).

Figura II.8 Potencias entregadas por cada fuente DC del inversor. (a) Carga

Resistiva. (b) Carga inductiva (f.p. = 0.11)

Debido a este fenmeno esta topologa de inversor requiere

obligatoriamente de fuentes DC-DC bidireccionales en cada puente auxiliar, y es en

este punto donde radica su principal desventaja al maximizar los niveles y eliminar la

posibilidad de conexiones redundantes. Esto, ya que no existen combinaciones

alternativas para conectar los semiconductores de forma de generar el mismo nivel de

voltaje y en que los puentes auxiliares no estn absorbiendo potencia.


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14

Como se puede observar de la Figura II.8 el puente Principal tambin

absorbe potencia reactiva cuando la carga con que trabaja el inversor es inductiva.

Esto implicara instalar fuentes bidireccionales en los puentes principales. Sin

embargo en la prctica esto no fue necesario ya que la potencia que deban absorber

estas fuentes fue disipada en las resistencias instaladas en paralelo con las fuentes de

los puentes auxiliares.

2.1.3. COMPARACIN CON INVERSORES DE DOS NIVELES

El inversor multinivel, posee ciertas ventajas frente al inversor de dosniveles. Las corrientes generadas por los inversores multinivel son bastante ms

puras que las de los inversores de dos niveles y presentan menores componentes

armnicos. En la Figura II.9 se muestra una simulacin con las corrientes en una

carga inductiva para los dos tipos de inversor, donde se puede apreciar que la

corriente del inversor de dos niveles posee rizado, y la del inversor multinivel es

prcticamente sinusoidal.

Los inversores de dos niveles modulan el voltaje por ancho de pulso, lo

que hace que el voltaje de salida no sea perfectamente sinusoidal y se mueva

bruscamente, generando grandes dV/dt. Esto puede causar problemas en las

aislaciones, y en el caso de los motores, producir daos a los rodamientos. Por el

contrario, como los inversores multinivel generan la tensin modulando la amplitud

del voltaje de salida, ste vara desde cero al valor mximo de la sinusoide de forma

suave y escalonada, por lo que no se presentan los problemas que se mencionaban

para el inversor de dos niveles.


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15

Figura II.9 Comparacin de la onda de salida de corriente entre un inversor de 81 niveles y un

inversor convencional de dos niveles con modulacin PWM (carga inductiva).


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16

III. CONTROL DE MOTORES DE INDUCCIN

Las mquinas de induccin trifsicas o asincrnicas, y en particular los

motores con rotor tipo jaula de ardilla, son en la actualidad las mquinas elctricas

con mayor aplicacin industrial. La operacin tpica de estas mquinas es como

motor, en cuyo caso el funcionamiento bsico consiste en alimentar el devanado del

estator desde una fuente trifsica para producir un campo magntico rotatorio, el que

induce corrientes en las barras del rotor, producindose as un torque motriz en el eje

de la mquina.

El motor de induccin es esencialmente de velocidad constante, cercana a

la velocidad sncrona, sin embargo en muchas aplicaciones es necesario operar con

diferentes velocidades o poder variar stas continuamente.

Para entender mejor los mtodos de control de velocidad en el motor de

induccin es bueno recordar las ecuaciones que rigen el torque y la velocidad de esta

mquina.

222

2

)(3

seq

r

e

e

s Ls

RR

V

s

RrT

++

= (3.1)

sm s )1( = (3.2)

2/pred

s

= (3.3)

donde Rr es la resistencia rotrica, Re la resistencia del estator, Leq la inductancia

equivalente del rotor y estator vista desde los terminales del estator, s el

deslizamiento, p el nmero de polos, red la frecuencia angular de alimentacin, s la

velocidad sincrnica y m la velocidad mecnica del motor.


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17

Para variar la velocidad del motor de induccin pueden utilizarse uno de

los siguientes mtodos:

Cambio del nmero de polos

Variacin del voltaje de alimentacin

Variacin de la frecuencia de alimentacin

Al cambiar el nmero de polos de un motor de induccin se esta

cambiando la velocidad sncrona del campo rotatorio (ecuacin 3.3), por lo cual se

vara la velocidad de operacin de la mquina. Este mtodo no es muy utilizado ya

que slo permite velocidades discretas (el nmero de polos es una cantidad entera),

adems para ms de 3 combinaciones de nmero de polos la cantidad de conexiones

en el estator se vuelve sumamente compleja, por lo que este mtodo entrega 2 o 3

tipos de velocidades solamente. En la Figura III.1 se aprecia como cambia la curva

Torque-velocidad de un motor de induccin para distintos nmeros de pares de

polos.


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18

Figura III.1 Curvas de operacin de un motor de induccin con control de velocidad por cambio

en el nmero de polos.

Como se puede ver de la ecuacin (3.1) el torque interno desarrollado por

la mquina es proporcional al cuadrado del voltaje aplicado, y segn este voltaje

variar el punto de operacin del sistema. Controlando la magnitud del voltaje de

alimentacin solo se puede controlar la velocidad de la mquina en un pequeo rango

de velocidades, en torno a la velocidad nominal. Se puede apreciar como cambia la

curva Torque - velocidad utilizando este mtodo de control en la Figura III.2.


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19

Figura III.2 Curvas de operacin de un motor de induccin cambiando el voltaje de

alimentacin.

Si se vara la frecuencia de alimentacin de una mquina de induccin,

segn la ecuacin (3.2) y (3.3), se puede variar la velocidad sncrona de la mquina y

a travs de sta, la velocidad mecnica del motor. Este mtodo de control se basa enaplicar una determinada frecuencia de alimentacin a la mquina, para lograr una

velocidad mecnica cercana a la deseada. Como normalmente los motores de

induccin utilizados son de bajo deslizamiento, existe una buena relacin entre

velocidad y frecuencia aplicada.

Hoy en da este es el mtodo ms utilizado, ya que combinado con un

adecuado control del voltaje, permite un amplio rango de operacin (ver Figura III.3).

En funcin de su efectividad dinmica se destacan tres tipos de control de velocidad

por frecuencia variable: el control escalar o Voltz-Hertz, el control Vectorial o de

Flujo Orientado, y el DTC (Direct Torque Control) o Control Directo del Torque.


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20

El control escalar es un mtodo simple, que solo requiere controlar las

magnitudes del voltaje y la frecuencia aplicadas al estator. Se controlan estas dos

variables de manera de mantener el flujo en el entrehierro constante y as un torque

constante en todo el rango de velocidades. Generalmente este mtodo de control es

utilizado en control abierto, siendo as de muy fcil implementacin y de bajo costo.

Adems utilizando este mtodo no se requiere conocer informacin detallada del

motor a controlar. Una desventaja del control escalar es que el torque no es

controlado directamente por lo tanto depende de la carga que se va a mover. Adems

la respuesta dinmica del sistema no es tan buena como en el control vectorial o en el

DTC.

Figura III.3 Puntos de operacin para un motor de induccin con control de velocidad por

frecuencia variable. El motor puede operar en cualquier punto de la zona achurada.

El control por campo orientado, o control vectorial, es en la actualidad

uno de los mtodos que entrega la mejor respuesta dinmica en una mquina de

corriente alterna. Este mtodo requiere medir, o estimar, la magnitud y posicin del


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21

flujo magntico, de manera de controlar las variables de voltaje y frecuencia para

posicionar el flujo en cuadratura con la corriente de armadura y mantenerlo en un

valor constante. Esta medicin del flujo se puede realizar, directamente, o utilizando

transformaciones matemticas y midiendo las corrientes del estator. Adems se debe

conocer con precisin la posicin del rotor y los parmetros de la mquina. Estas

mediciones hacen de este mtodo uno mucho ms complejo que el por control

escalar, y por lo tanto no se justifica a menos que se requiera una respuesta dinmica

muy rpida.

En el mtodo de control directo del torque (DTC) [14] se utilizancomparadores de histresis para controlar directamente el flujo y el torque de la

mquina. Se obtiene de esta manera una rpida respuesta de torque, siempre que se

tomen las muestras del flujo a una muy alta frecuencia para mantenerse dentro de las

bandas de histresis.

En esta tesis, cuyo objetivo era probar la operacin de un inversor

multietapa de 81 niveles, se implement un sistema de control de velocidad del tipo

escalar con algunas variaciones, el que se explica en ms detalle en el capitulo

siguiente.

3.1. CONTROL ESCALAR O VOLTS HERTZ

En una mquina de induccin, alimentada desde una fuente trifsica

sinusoidal se induce un flujo magntico que gira a velocidad sncrona. Este flujo

induce en el estator una tensin que tiene la siguiente expresin:

44.4 ese NfE = (3.4)

Donde Ee es el voltaje inducido en el estator, fs la frecuencia de las corrientes en el

estator, Ne el nmero de vueltas de los enrollados y el flujo total en el entrehierro.


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22

Si se desprecia la cada de tensin en las bobinas del estator entonces se tiene que el

voltaje inducido debe ser igual al voltaje aplicado, y por lo tanto se desprende que:

s

e

es

e

f

VK

Nf

V

44.4== (3.5)

Luego si se desea mantener el flujo constante se debe mantener la

relacin V/f constante.

La ecuacin de torque (3.1) se puede rescribir de la siguiente manera si se

desprecia la resistencia del estator Re y el deslizamiento s es pequeo.

r

s

e

eqsr

rr

s

e

eqsr

e

s

r KV

LsR

RV

LsR

VRsT

=

+

=

+

=

22222

2

222

2

)()(

33 (3.6)

Como se puede observar de la ecuacin (3.6), si se mantiene el flujo

constante (V/f = cte), entonces, para deslizamientos pequeos, el torque es

proporcional a la frecuencia rotrica (r), que es generalmente la zona donde se

opera el motor de induccin. Ver Figura III.4.


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24

Figura III.5 Puntos de Operacin de un motor de induccin con control Escalar.

En la Figura III.6 se muestra el esquema bsico de un sistema decontrol escalar en lazo abierto. En la prctica este sistema de control generalmente se

implementa utilizando una curva V/f, la cual entrega la relacin necesaria entre el

voltaje y la frecuencia de entrada para mantener el flujo constante. Esta curva posee

una compensacin de voltaje para bajas frecuencias debido a que la cada de tensin,

en la resistencia de los devanados del estator, ya no es despreciable frente a la cada

en la inductancia de estos devanados. A esta compensacin se le denomina

compensacin IR y es necesaria para mantener el flujo constante en bajas

velocidades.

Si se desea un sistema de control de velocidad ms preciso se debe

realimentar la velocidad. En la Figura III.7 se muestra un sistema de control de

velocidad realimentado, y controlado por frecuencia de deslizamiento. Donde la seal


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25

de velocidad del motor es restada de una referencia producindose as un error

proporcional a la frecuencia de deslizamiento de la mquina. El controlador PI

procesa este error intentando anularlo, es decir intenta hacer el deslizamiento igual a

cero aumentando la frecuencia de operacin de la mquina. Claro esta que el

deslizamiento de la mquina nunca llega a cero, pero el error entre la referencia y la

velocidad del motor si.

Figura III.6 Esquema de un control Escalar en lazo abierto.

Figura III.7 Esquema de un control Escalar en lazo cerrado por control de frecuencia de

deslizamiento.

El sistema implementado en este trabajo se basa en el sistema de control

escalar hasta aqu descrito, pero en lugar de hacer uso de una curva V/f, se decidi

medir el flujo en el entrehierro directamente, y controlar el voltaje y la frecuencia de

manera de mantener este flujo constante y cercano a su valor nominal.


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26

Se decidi implementar este sistema debido a que presentaba un control

ms exacto a bajas velocidades, ya que no era necesaria una compensacin IR, o esta

se realizaba automticamente. El problema de esta variacin al sistema de control

escalar clsico radica en que se debe intervenir la mquina para instalar el sensor de

flujo. En el siguiente captulo se explica este sistema de control en profundidad.


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27

IV. SISTEMA DE CONTROL IMPLEMENTADO

En este captulo se describe el sistema de control implementado, as

como las caractersticas de los componentes ms importantes que se utilizaron, como

son el inversor, el motor y los sensores involucrados.

4.1. CARACTERSTICAS DEL INVERSOR UTILIZADO.

El inversor con el cual se realizaron las pruebas es un inversor construido

en el laboratorio [11], el cual presenta la topologa multinivel en cascada de cuatropuentes H y 81 niveles. Las fuentes DC de estos puentes estn escalonadas en

potencias de 3, siendo la ms pequea de 2.33 [Vdc], por lo que las otras fuentes

quedan con voltajes de 7 [Vdc], 21 [Vdc] y 63 [Vdc]. As el inversor puede entregar un

voltaje mximo de 93.33 [V].

Como se mencion en el captulo anterior, la potencia en los puentes

auxiliares fluye bidireccionalemente, por lo que se requieren fuentes DC-DC

bidireccionales para alimentar estas etapas del inversor. Adems las fuentes en cada

uno de los cuatro puentes H deben ser flotantes, es decir, sin referencia comn,

pues lo que se esta haciendo con el inversor es sumar o restar voltajes para ir

generando una onda alterna escalonada. Luego se requieren fuentes DC-DC

bidireccionales y aisladas galvnicamente entre si.

En la Figura IV.1 se pueden apreciar las potencias en cada uno de los

puentes para distintas frecuencias de operacin de un motor de induccin. Como se

puede observar, y tal como se hizo ver anteriormente, existen circunstancias en que

las fuentes DC deben ser capaces de absorber potencia en lugar de entregarla. Es por

esto que para un correcto funcionamiento del control del motor y del inversor las

fuentes DC-DC bidireccionales para los puentes auxiliares son un requerimiento

ineludible. Adems, y en caso que el motor opere en el modo de frenado


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regenerativo, el puente principal tambin requerir de una fuente de alimentacin

bidireccional.

-400

-200

0

200400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 20 40 60 80 100

Frecuencia [Hz]

Po

tencia[W]

TotalPrincipalAuxiliar 1Auxiliar 2Auxiliar 3

Figura IV.1 Distribucin de potencias para distintas frecuencias en un motor de induccin de3,7 KW.

Una solucin para evitar la utilizacin de fuentes DC-DC bidireccionales,

es utilizar una combinacin de las tcnicas de modulacin PWM y AM. De esta

forma, si alguno de los puentes auxiliares debe entregar tensin negativa debido a un

valor particular de amplitud, simplemente se inhibe. Al mismo tiempo se aplica

modulacin PWM al puente inmediatamente superior para ajustar el voltaje.

Si se adopta este esquema de modulacin, las fuentes bidireccionales no

son necesarias, y se pueden reemplazar estas por fuentes unidireccionales, las que son

de menor costo, y ms fciles de encontrar. Claramente se requiere de un algoritmo

de control mucho ms elaborado y de sensores de corriente para poder determinar en

que cuadrante de operacin se encuentra operando cada puente del inversor.


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29

El inversor utilizado en el laboratorio no contaba con fuentes

bidireccionales al momento de iniciarse esta tesis, siendo trabajo de otra memoria la

construccin e implementacin de las mismas. Por esta razn se decidi implementar

resistencias en paralelo con las fuentes para poder disipar la energa de retorno. En la

Figura IV.2 y Figura IV.3 se pueden observar las resistencias instaladas.

Figura IV.2 Circuito de fuentes DC y resistencias en paralelo.


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30

Figura IV.3 Resistencias instaladas para disipar la potencia cuando esta deba ser absorbida por

las fuentes DC.

Este cambio en la construccin del inversor no fue menor, ya que ahora

las fuentes DC estaban constantemente entregando una cantidad de corriente que

consuman las resistencias. Por ejemplo si se deseaba que cada fuente DC fuese

capaz de entregar y absorber un mximo de 2.5 [A], entonces esta fuente debera ser

capaz de entregar 5[A], ya que siempre se estaran disipando 2.5 [A] en las

resistencias. Por esta razn, y ya que las fuentes de los puentes auxiliares de menor

voltaje, que se encontraban instaladas en el inversor, no entregaban ms all de 1.5

[A], se debieron instalar nuevas fuentes DC para estos puentes. Quedando as el

inversor compuesto por etapas con las caractersticas mostradas en la Tabla IV.1, y

limitado a entregar una corriente mxima de 2.5 [A]. Las caractersticas de las


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31

fuentes DC se pueden ver en el anexo F y G. En la Figura IV.4 se puede ver el

circuito de las nuevas fuentes DC y el lugar donde se instalaron en el inversor.

Tabla IV.1: Caractersticas de las fuentes utilizadas en los puentes auxiliares.

Etapa Regulador Voltaje [Vdc] CorrienteMxima [A]

Resistencia enparalelo []

Auxiliar 3 TPS75925 2.5 5 2.4Auxiliar 2 LM338 7 5 4.3Auxiliar 1 LM338 21 5 11.3

(a)

(b)

Figura IV.4 (a) Circuito Nuevas Fuentes DC. (b) Fuentes instaladas en el Inversor.


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32

En teora las fuentes DC que alimentan al puente Principal de cada fase

tambin deben ser aisladas entre s, pero para poder realizar esto se requeriran tres

fuentes de 63 [Vdc] independientes, de las cuales no se dispona. Por esta razn se

aliment el puente Principal de las 3 fases con una fuente comn, y para las pruebas

se utiliz un motor de induccin de devanados separados. De esta manera no haba

problema en usar una fuente DC comn en el puente Principal de las tres fases. Esta

configuracin se muestra en la Figura IV.5

Figura IV.5 Configuracin del Inversor Multinivel con un Motor de induccin de

devanados separaros.

4.2. SISTEMA DE CONTROL.

Como se mencion en el capitulo anterior, el sistema de control que seimplement en este trabajo es un control escalar tpico en el cual, en lugar de hacer

uso de una curva V/f para determinar el flujo en el entrehierro, se utiliza un sensor

para medir ste directamente.


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33

En la Figura IV.6 se puede observar el sistema de control implementado

en lazo abierto. Mediante una espira de cobre insertada en las ranuras del estator se

mide una seal proporcional al flujo en el entrehierro. Esta seal de flujo es

comparada con un valor de referencia (valor de flujo nominal u otro) y el error entre

ambas seales es procesado por un controlador PI, para mantener el flujo lo ms

cercano posible a su valor nominal o de referencia.

Figura IV.6 Sistema de Control Implementado en lazo abierto.

Como se observa en la Figura IV.6 la salida del controlador es una seal

de voltaje que se utiliza como referencia para controlar el inversor. Este voltaje esta

limitado a 93 [Vfnpic], que es el mximo voltaje que puede entregar el inversor. La

seal de frecuencia para el inversor es obtenida de la referencia de velocidad que

ingresa el usuario. De esta manera no es necesaria una compensacin IR o una curva

V/f, ya que automticamente el controlador PI ajusta el voltaje para mantener, a una

frecuencia dada, el flujo lo ms cercano a su valor nominal u otro valor escogido para

la operacin.


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34

Para controlar la velocidad de la mquina se utiliza un tacmetro y un

sistema de control por frecuencia de deslizamiento, como el que se puede apreciar en

la Figura IV.7. Aqu se resta la velocidad de referencia con la velocidad real del

motor, obtenindose as la frecuencia de deslizamiento, luego esta frecuencia es

controlada por un PI, de manera que se mantenga entre los valores de 5 [Hz] y -2

[Hz]. Finalmente la salida del PI es sumada a la velocidad de la maquina para obtener

as la seal de control de frecuencia para el inversor.

Los valores de saturacin del controlador PI se obtuvieron de forma que

la saturacin positiva correspondiera al valor de la frecuencia del deslizamiento quetiene la mquina cuando est entregando el torque mximo. La saturacin negativa se

configur de forma que el motor no pudiera regenerar ms de 2,5 [A], para proteger

al inversor.

Figura IV.7 Sistema de Control Implementado en lazo cerrado, con realimentacin de velocidad.


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En el lazo de control de velocidad se limit esta a 30 [Hz] o 900 [RPM],

principalmente debido a que la potencia nominal del motor era mucho mayor que la

potencia mxima del inversor. Esto implicaba que para un flujo de referencia

nominal y una velocidad correspondiente a 50 [Hz], el motor deba estar alimentado

con 220 [Vrms]. Lo que significaba un voltaje mayor de lo que el inversor poda

entregar, por lo que se redujo la velocidad a un valor para el cual el motor trabaja con

un flujo alto, menor que el nominal, pero suficiente para poder aplicarle una carga

que exija al motor un consumo de 2 [A].

A continuacin se presenta una simulacin de este sistema de controlpara un motor de induccin de 3.7 [KW], como el que se utiliz en el laboratorio. Su

circuito equivalente se muestra en la Figura IV.8. Como se puede observar en la

Figura IV.9 el sistema de control funciona correctamente y el motor alcanza la

velocidad de referencia en menos de 0.3 [seg]. Se debe tener en cuenta que el

inversor utilizado en la simulacin es ideal y no posee las limitaciones de voltaje y

corriente que se tienen en la realidad con el inversor construido en el laboratorio.

Figura IV.8 Circuito equivalente del motor utilizado.


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Figura IV.9 Velocidad del motor alimentado con un inversor ideal, utilizando el sistema de

control propuesto.

Para implementar ste sistema se program un Procesador Digital de

Seales (DSP), el que fue montado en una tarjeta de control construida en trabajosanteriores para manipular las salidas del inversor [12]. El algoritmo de control se

explica en el siguiente captulo.

4.3. SOFTWARE Y ALGORITMO DE CONTROL.

Para implementar el sistema antes descrito, se utiliz una caja de control

que entrega las seales digitales necesarias para activar las tarjetas de dispar en cada

una de las fases del inversor, de acuerdo al algoritmo grabado en el procesador de la

caja. El procesador consista en un DSP Texas Instrument TMS320F241, cuya hoja

de datos y caractersticas se puede observar en el anexo E. Este DSP presenta

caractersticas adecuadas para el control de motores, aunque si se desea realizar un

control ms sofisticado, se debera utilizar un DSP de mayor capacidad de


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procesamiento, de forma de alcanzar mayores velocidades con el motor a controlar.

Adems se debera ajustar la caja de control para poder habilitar conversores

anlogos - digitales que no fueron habilitados.

4.3.1. CARACTERSTICAS DEL DSP EMPLEADO Y DE LA CAJA

DE CONTROL.

El procesador funciona a una frecuencia de 20 [MHz], disponiendo de 4

puertos digitales, los que totalizan 26 canales I/O. De estos se utilizarn 16 para el

bus de datos principal que controla el encendido y apagado de los Mosfets, 2 para elcontrol del demultiplexor de fase, que elije a que fase van los datos del bus principal.

Tres para las seales de iluminacin en el panel de control, 1 para la habilitacin de

las salidas y 2 para la comunicacin serial, los que totalizan 25 canales.

Posee adems 8 canales para la conversin anlogo-digital, de los cuales

se utilizarn 3 de ellos, ya que no se tiene acceso al resto de los canales desde el

exterior de la caja de control. Un canal se utiliza para la referencia de la seal de

frecuencia, otro para la realimentacin de velocidad y otro para la realimentacin de

la seal del flujo.

Los registros de variables son de 16 bits y el acumulador sobre el que se

trabaja es de 32 bits, posee adems una serie de instrucciones ya definidas que son de

gran ayuda al momento de trabajar en Assembler. Se escogi este lenguaje de

programacin ya que no se contaba con compiladores de C en el laboratorio y

adems de esta manera se tena un mejor control sobre lo que estaba sucediendo encada paso del programa, optimizndolo para que trabaje lo ms rpido posible.

Posee tambin dos relojes internos independientes, Timer 1 y Timer 2,

los que pueden ser utilizados para generar seales de modulacin por ancho de pulso


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(PWM), contadores, comparadores o gatillar interrupciones por ciclo del periodo del

timer.

El bus de datos consta de 16 bits, y est formado por los puertos I/O B y

C. El puerto B entrega los 8 bits menos significativos, y el puerto C los 8 bits ms

significativos. Siendo que el bus de datos slo cuenta con 16 bits, y se requieren 48

seales para controlar las 48 vlvulas de los inversores, 16 por fase, es que se

requiere demultiplexar la seal de datos para poder alternarla en las 3 fases, y lograr

as un bus de control de 48 bits. Esta demultiplexin se realiza utilizando dos pines

I/O del puerto A que controlan un multiplexor y unos LATCH que mantienen losdatos en cada fase hasta que deben ser cambiados nuevamente. En la Figura IV.10 se

muestra un diagrama con las conexiones ms relevantes de la tarjeta de control. Para

un mejor entendimiento de sta referirse al trabajo de Carlos Schwartz [12].

Figura IV.10 Diagrama de puertos I/O en la tarjeta de control del inversor.


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4.3.2. TABLA DE CONTROL Y DE FUNCIN.

La seal que se desea formar utilizando el inversor multinivel es una

sinusoide de amplitud y frecuencia variable, de forma tal que controlando estos

parmetros se logre controlar la velocidad del motor. Para lograr esto se debe

controlar el encendido y apagado de los Mosfets que componen cada uno de los doce

puentes H del inversor, cuatro puentes por cada fase.

En la Figura IV.11 se puede apreciar la configuracion de una fase del

inversor con cada uno de los puentes que posee y cada uno de sus contactos.Cerrando y abriendo estas valvulas se obtienen los 81 niveles de tensin que entrega

el inversor. La tabla de control representa la forma en la cual se combinarn o

conmutarn estos contactos, de las 4 fuentes de una fase, para obtener un valor de

voltaje determinado. Esta tabla de control se muestra en la Tabla IV.2. Existen

combinaciones de contactos que dejan los puentes en circuito abierto, lo que provoca

que la salida del inversor quede en circuito abierto tambin. De igual manera existen

otras combinaciones de contactos que dejan las fuentes de los distintos puentes en

cortocircuito, pudiendo daarse de esta forma el inversor. Estas dos situaciones no

son deseables y por lo tanto la tabla de control se revisa cada vez que se reinicia el

programa del DSP, antes de activarse las salidas, para que no existan este tipo de

combinaciones.


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Figura IV.11 Configuracin de una fase del inversor.

Tabla IV.2 Tabla de Control

Principal Auxiliar 1 Auxiliar 2 Auxiliar 3

C4 C3 C2 C1 C4 C3 C2 C1 C4 C3 C2 C1 C4 C3 C2 C1 Voltaje [V]

0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 -93,33

0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 -91

0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 -88,67

0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 -86,33

0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 -84

0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 -81,67

0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 -79,33

0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 -77

0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 -74,67


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41

Principal Auxiliar 1 Auxiliar 2 Auxiliar 3

C4 C3 C2 C1 C4 C3 C2 C1 C4 C3 C2 C1 C4 C3 C2 C1 Voltaje [V]

0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 -72,33

0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 -70

0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 -67,67

0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 -65,33

0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 -63

0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 -60,67

0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 -58,33

0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 -56

0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 -53,67

0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 -51,33

0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 -490 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 -46,67

0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 -44,33

0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 -42

0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 -39,67

0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 -37,33

0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 -35

0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 -32,67

0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 -30,33

0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 -28

0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 -25,67

0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 -23,33

0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 -21

0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 -18,67

0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 -16,33

0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 -14

0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 -11,67

0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 -9,33

0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 -7

0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 -4,67

0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 -2,33

0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 00 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 2,33

0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 4,67

0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 7

0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 9,33

0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 11,67

0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 14

0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 16,33


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Mientras la tabla de control entrega los valores de encendido y apagado,

de los distintos Mosfets de una fase, para que en la salida del inversor exista un

voltaje fijo, la forma de la onda de salida viene dada por una tabla de funcin.

En el caso de este programa, como se dijo anteriormente, lo que se desea

es obtener en la salida una onda sinusoidal. Para esto se discretiz una sinusoide en

255 puntos y 81 niveles (40 niveles de amplitud), la que se ingres en la memoria del

programa. Se eligieron 255 puntos, para aprovechar la mxima cantidad de datos que

permite un registro del DSP, teniendo en cuenta que el mnimo de datos para tener

una sinusoide que utilize una resolucin de 40 niveles de amplitud es de 252 datos(ver anexo D). El DSP tiene registros de 16 bits, pero los 8 ms significativos se

utilizan para el control de salida y entrada de los 8 datos menos significativos, por lo

que la mxima cantidad de datos que pueden tenerse en un registro son 28 = 256.

Para la tabulacin de la sinusoide bastara considerar los datos necesarios

para la formacin de slo un ciclo, es decir 255 datos, y en base a ellos lograr los

desfases nesesarios para las 3 fases. Esta tabla, basada en un slo periodo, presenta la

dificultad de tener que realizar los clculos para los desfases dentro del programa

principal del DSP, lo que extendera el tiempo de procesamiento. Por otra parte, el

DSP tiene una capacidad de memoria superior a la requerida para el almacenamiento

de las tablas y el propio programa, por lo que la limitante se presenta en la capacidad

de procesamiento, y no en la capacidad de memoria. Por esta razn se implement la

tabla con muchos ms datos que los nesesarios para un ciclo. De esta manera, para

generar el desfase entre las tres fases slo se aumenta el valor del indice de tabla, N,

en un valor equivalente a un desfase de 120. En el caso de esta tabla un desfase de120 equivale a 85 datos en la tabla de funcin, por lo que slo se debe sumar al

indice de tabla, N, el valor 85 o 170 para obtener un desfase de 120 o 240

respectivamente. Esta suma se realiza por medio de una variable llamada MUX, la


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El programa cuenta con un loop principal y dos rutinas de interrupciones

por Timer, una por cada timer del DSP. Estas 3 partes del programa se detallan a

continuacin.

Loop Principal: Esta rutina presenta una pequea inicializacin donde

se definen las variables a utilizar y se configuran distintos registros. Adems se revisa

la tabla de control para evitar que se enven datos de conmutacin que puedan causar

cortocircuitos en caso de que la tabla de control se hubiese grabado mal.

Luego de esta inicializacin la rutina entra en un LOOP infinito que solo

puede ser interrumpido por alguna de las rutinas de interrupcin. Dentro de este

LOOP se realizan las operaciones para leer la tabla de funcin y obtener uno de los

255 datos que componen la sinusoide de acuerdo a un ndice de lectura de tabla, N.

Una vez obtenido el valor de la sinusoide segn el indice N, este valor es

multiplicado por la variable ATN, el que atena el valor de la sinusoide para obtener

la amplitud deseada. Luego el valor atenuado de la sinusoide, el que corresponde a un

nivel entre 0 y 93,33 [V], es buscado en la tabla de control, de donde se obtiene lacombinacin de conmutacin para los Mosfets correspondiente al nivel de voltaje

seleccionado.

Finlmente el DSP enva las nuevas seales de conmutacin al inversor

luego de haber esperado el tiempo muerto correspondiente. El clculo del tiempo

muerto y la manera en que se implement se puede ver en el anexo C. Al terminar

este LOOP infinito el DSP queda en un LOOP de espera hasta que es interrumpido

por una de las rutinas de interrupcin.


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#

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)$$%%%)


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50


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52

T1PR vs Frecuencia

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

0 10 20 30 40 50 60

Hz

T1PR

T1PR = 3268

Frecuencia

Figura IV.13 Relacin entre el intervalo de interrupcin T1PR y la frecuencia de salida de la

sinusoide.

Una vez calculada la nueva frecuencia de salida de la sinusoide, se

calcula el flujo real del motor dividiendo el valor obtenido en el conversor

Anlogo/Digital por la nueva frecuencia de salida. Se procede de esta forma porque

el voltaje obtenido en el sensor de flujo, slo es proporcional al voltaje aplicado al

motor y no a la frecuencia de la sinusoide con que se alimenta el motor.

Luego de obtenerse el flujo real se calcula el error entre ste y el flujo de

referencia. El resultado ingresa a un controlador PI, el que entrega en su salida la

amplitud de voltaje que debe tener la sinusoide que genere el inversor. Este voltaje se

divide por 93,33 [V] y el resultado de esta divisin es el atenuador ATN.

Finalmente se restauran los valores de memoria y del acumulador que

tena el programa antes de ser interrumpido y se retorna al LOOP principal.


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.

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Entonces el voltaje que entrega la espira, que es proporcional al voltaje

aplicado a los bornes del motor, se debe dividir por la frecuencia de la sinusoide para

obtener un voltaje proporcional al flujo. Esta operacin, ya mencionada, se realiza

dentro del DSP, siendo nesesario para esto acotar el voltaje que entrega el sensor de

flujo a valores entre 0 y 5 [V] para que puedan ser ledos y transformados por el

conversor anlogo/digital (CAD). El circuito y la placa utilizados para ajustar los

voltajes del sensor a valores que pudiese interpretar el CAD del DSP se muestra en la

Figura IV.14.

(a)

(b)

Figura IV.14 (a) Circuito para ajustes del voltaje del sensor de flujo. (b) Placa con los circuitos

de ambos sensores.

4.4.2. SENSOR DE VELOCIDAD

Para medir la velocidad del motor se utiliz un encoder simple de 180

ranuras que se encontraba en el laboratorio. Este encoder, por problemas en el sensor,

no entregaba exactamente un tren de pulsos, por lo que se debi ajustar la seal de

salida, procesndola con un comparador para finalmente tener un tren de pulsos entre

0 y 5 [Vdc]. Este circuito funcion correctamente hasta una frecuencia cercana a los


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5.1. PRUEBAS SIN PERTURBACIONES.

Para realizar estas pruebas se le aplicaron al motor dos escalones en la

referencia de velocidad, mantenindose constante el flujo de referencia en un valor

para el cual la salida del inversor slo alcanzaba los 93 [V fnpic] cuando el escaln de

velocidad era el mximo (0 a 900 [RPM]). Esto para que la salida del controlador PI

de flujo no se saturara. En la Figura V.2 se puede observar la respuesta del motor a

un escaln positivo de 0 a 450 [RPM] y de otro escaln negativo de 450 a

210[RPM].

Se puede apreciar que el motor demora 1,2 [seg] en llegar a la velocidad

de referencia y luego oscila entorno a sta durante 4 [seg], llegando a un valor

mximo de sobreoscilacin de 570 [RPM] o 26%. Al observar la onda de voltaje del

inversor mientras se realizaron las pruebas se pudo apreciar que el voltaje mximo

entregado por el inversor nunca fue mayor a 40 [V] para un escaln como el que se

ve en la Figura V.2.

Si se compara la curva de la Figura V.2 con la obtenida en las

simulaciones se puede apreciar que el tiempo de respuesta del sistema real es mucho

mayor, debido a que se est alimentando el motor con un voltaje 7 veces menor y con

una limitante de corriente de 2.5 [A] para proteger al inversor.

En cuanto al escaln negativo, se puede observar que el motor demora

0,7 [seg.] en alcanzar la nueva referencia de velocidad y luego oscila entorno a esta 3

[seg.]. Este tiempo se podra disminuir considerablemente si se permitiese al motor

regenerar ms de 2.5 [A]. Esto ser posible una vez terminadas las fuentes DC-DC

bidireccionales, en las cuales se est trabajando en otra investigacin paralela.


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Figura V.2 Respuesta del sistema a un escaln de 450 [RPM].

5.2. PRUEBAS CON PERTURBACIONES.

Para realizar esta prueba se aplic al motor el mismo escaln positivo de

velocidad que en el caso anterior y una vez alcanzado el estado estacionario de

velocidad se le aplic a la mquina una carga constante, que exigi al motor un

consumo de 2 [A], y que fue removida luego de 5 [seg]. En la Figura V.3 se puedeapreciar la respuesta del sistema a la perturbacin aplicada.

Se observa que el motor demora 2 [seg] en recuperar la velocidad de

referencia una vez aplicada la carga. Cuando la carga es removida, el motor toma el

mismo tiempo en volver a la velocidad de referencia. Nuevamente este tiempo se

podra disminuir si se utilizaran fuentes bidireccionales que permitiesen regenerar

una cantidad de potencia mayor.


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VI. CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO.

Se implement satisfactoriamente un variador de frecuencia para un

motor de induccin utilizndose la tecnologa de inversores multinivel. Se logr un

rango de velocidades entre 15 y 900 [RPM], con tiempos de respuesta al escaln de 1

[seg] y una respuesta a perturbaciones de 2 [seg]. Estos tiempos tan lentos se

debieron fundamentalmente a las limitaciones de voltaje del inversor y a la poca

capacidad de corriente de las fuentes bidireccionales utilizadas.

Luego de realizadas las pruebas finales se pudo corroborar el adecuadofuncionamiento del control implementado y la calidad de las tensiones sinusoidales

que esta topologa de inversor entrega. Claramente mucho mejores que las seales de

los inversores de dos niveles.

Si bien el motor no logr alcanzar su mximo torque ni velocidad, se

debi principalmente a que el inversor construido en el laboratorio no superaba los

60 V rms, mientras que el motor utilizado en las pruebas finales tena una tensin

nominal de 380 V rms. Esta situacin se podra mejorar a futuro construyndose un

inversor adecuado o cambiando el motor, pero siempre utilizndose uno de

devanados independientes, dada la menor cantidad de fuentes flotantes que esta

conexin necesita.

Como trabajo futuro se podra mejorar el sistema de control

implementado utilizando un control vectorial o un sistema de control Directo del

Torque (DTC). Ambos sistemas de control son ms sofisticados que el actual yrequieren de un inversor cuyo diseo se ajuste al motor, con sensores de mayor

precisin, de forma de poder calcular la posicin y la magnitud exacta del flujo

rotrico en todo momento. Un requisito indispensable como se pudo corroborar

repetidamente a lo largo de la Tesis es la implementacin de las fuentes

bidireccionales para mejorar la eficiencia y potencia del inversor. Si no se cuenta con


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ellas, puede utilizarse una estrategia de control con modulacin PWM que evite

potencia en reversa. Las fuentes bidireccionales no obstante, permiten trabajar con

frecuencias de conmutacin muy bajas. Por esta razn ya se esta trabajando en las

fuentes DC-DC bidireccionales, las cuales deberan estar prontamente terminadas.


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Aplicacion de Un Inversor Multinivel Como Variador de Frecuencia de Un Motor de Induccion Trifasico

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