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AADECA 2010 – Semana del Control Automático – XXIIº Congreso Argentino de Control Automático
31 de Agosto al 2 de Septiembre de 2010 – Buenos Aires, Argentina.
IMPLEMENTACIÓN DE UN CONVERTIDOR CC-CA DIDÁCTICO PARA EL
ACCIONAMIENTO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS
Guillermo Luciano Magaldi, Federico Gastón Rosales
Asesor: Ing. Federico Martin Serra
Laboratorio de Control Automático. Facultad de Ingeniería y Ciencias Económico-Sociales.
Universidad Nacional de San Luis. RP #55, ex RN #148 Ext. Norte (5730). Villa Mercedes.
San Luis. Argentina.
email:[email protected]
Resumen: Se presenta la implementación de un Convertidor CC-CA utilizado como
accionamiento de motores trifásicos de CA con fines didácticos. El mismo posee puntos de
medición para las diferentes señales de control, siendo utilizable como prototipo de
laboratorio para la enseñanza de la electrónica de potencia. Se muestran resultados de
simulación y resultados experimentales que validan el comportamiento del convertidor. Ésta
implementación fue presentada como trabajo final de carrera.
Palabras claves: Convertidor CC-CA, Electrónica de Potencia, Accionamiento de Máquinas
Eléctricas
1.
INTRODUCCIÓN
de laboratorio. (García, G. O. et al, 1996; Susin,
R.M. et al, 1999).
En la actualidad existen diversas aplicaciones en las
que es necesario obtener una tensión de salida cuya
amplitud y frecuencia sean variables. Una de estas
aplicaciones la constituyen los accionamientos de
máquinas de CA. La parte principal de éstos es un
convertidor CC-CA comúnmente conocido como
Inversor que tiene por finalidad convertir una tensión
de entrada de CC en una tensión de salida de CA
simétrica con la amplitud y frecuencia deseada. Los
dispositivos utilizados como llaves semiconductoras
de potencia, en el inversor, pueden ser MOSFET,
IGBT, IGCT, GTO entre otros y utilizan, por lo
general, señales de control PWM en sus compuertas
para producir una tensión de salida de CA (Rashid,
2004; Mohan et al., 1995)
La Electrónica de Potencia (EP), dedicada al estudio
de los convertidores electrónicos, se ve potenciada
con la realización de prácticas de laboratorio, siendo
factible para ello la utilización de equipos
comerciales. Estos resultan, en muchos casos, de un
elevado costo, por lo que las universidades se ven
obligadas a proyectar y construir sus propios equipos
Un equipo pensado y desarrollado para la enseñanza
debe contemplar la facilidad de monitorear y medir
diferentes señales, en función del estudio que se esté
realizando (de la Barrera et al., 2002).
Por todo esto, en el Laboratorio de Control
Automático (LCA) de la Facultad de Ingeniería y
Ciencias Económico-Sociales de la Universidad
Nacional de San Luis surgió la necesidad de construir
un equipo capaz de ser utilizable para el
accionamiento de máquinas eléctricas como así
también para la enseñanza de la EP (Bossa et al.,
2006; Serra y Falco, 2008).
Este trabajo está organizado de la siguiente manera:
la introducción presentada, la sección 2 donde se
describe el convertidor de potencia, la sección 3
donde se presentan los resultados de simulación, la
sección 4 donde se presentan los resultados
experimentales y finalmente en la sección 5 se
exponen las conclusiones y se proponen trabajos
futuros.
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Rectificador
2. CONVERTIDOR DE POTENCIA
BUS
de CC
Chopper de
frenado
Inversor
Trifásico
El convertidor de potencia implementado en este
trabajo consta de tres etapas:
Etapa de potencia
Etapa de acondicionamiento y aislación de
señales
Etapa de control.
En la figura 1 se muestra el diagrama de bloques del
sistema implementado y en la figura 2 se observa una
foto del mismo.
Rectificador
BUS
de CC
Inversor
Trifásico
Chopper de
frenado
Red
50 Hz
M
Etapa de
potencia
Etapa de acondicionamiento y
aislación
Etapa de control
Fig. 1: Diagrama de bloques del sistema
Fig. 3: Diagrama en bloques de la etapa de potencia
Se implementó un filtro, sobre el BCC, compuesto
por 4 capacitores, en combinación serie-paralelo,
dando una capacidad total de 330 µF-900V. Sobre los
terminales del BCC se colocaron puntos de conexión
para el circuito de sensado.
Como inversor trifásico se utilizó un Módulo
Inteligente de Potencia (Intelligent Power Module,
IPM) PM50RSA120, de 50A y 1200V. El mismo
posee diversas ventajas que lo hacen utilizable,
principalmente, en aplicaciones que involucran el
control de motores. El IPM consiste en dispositivos
semiconductores de potencia IGBT conjuntamente
con circuitos integrados de disparo y protección
(Motto, 1992). En el punto de conexión entre el
inversor y el BCC se dispuso un capacitor de
conmutación de 1µF-1200V, con el fin de absorber la
energía de las inductancias parásitas de
interconexión, disminuyendo con esto los picos de
tensión producidos en la conmutación de las llaves
semiconductoras.
Los módulos de potencia mencionados fueron
montados sobre un disipador de aluminio de un solo
cuerpo y base plana. Se añadió al conjunto
ventilación forzada para mejorar las características de
transferencia de calor.
Fig. 2: Sistema implementado.
A continuación se detallan cada una de las etapas
mencionadas.
2.1 Etapa de potencia.
En la figura 3 se muestra un diagrama en bloques de
la etapa de potencia. Ésta se compone de un
rectificador trifásico FUJI 6RI100G-160, 100A y
1600V, que alimenta un bus de CC (BCC). Este BCC
se construyó con chapas de cobre encimadas y
aisladas con cartón presspan. Esta disposición
permite disminuir las inductancias parasitas del
montaje y aumentar la capacidad del sistema.
Cuando la energía eléctrica fluye desde el inversor
hacia el BCC, a través de los diodos de rueda libre, se
produce un incremento en la tensión del BCC
pudiendo llegar a valores no aceptables por los
dispositivos. Para evitar este aumento de tensión se
implementó un chopper de frenado que disipa la
energía en una resistencia de frenado. Su dispositivo
de conmutación está dispuesto en el mismo pack del
IPM. El sensado de la tensión se efectúa con un
sensor LEM LA-55p que mide la corriente que
circula sobre dos resistencias en serie de 20KΩ-5W
conectadas a la tensión de CC. Estas mismas
resistencias sirven también para descargar los
capacitores del BCC en la desconexión del sistema,
evitando así posibles accidentes. De esta manera se
reduce el costo de la utilización de un sensor de
tensión especial para realizar esta tarea.
2.2 Etapa de acondicionamiento y aislamiento de las
señales.
Se describe, en este apartado, el acondicionamiento y
aislamiento de las señales que interactúan entre la
etapa de control y la etapa de potencia. Con la
finalidad de diferenciar los tipos de señales dividimos
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a esta etapa en dos secciones, una de ellas es utilizada
para acondicionar y aislar las señales PWM y la otra
tiene por función aislar y adaptar las señales de falla.
Las mismas se muestran en la figura 4.
5 Vcc
5 Vcc
15 Vcc
PWM
MC3PHAC
IPM
SN74LS245
(a)
HCPL 2531/4503
5 Vcc
5 Vcc
15 Vcc
Fault in
MC3PHAC
IPM
SN74LS20
4N35
(b)
Fig. 4: Etapa de acondicionamiento y aislamiento de las
señales. (a) Sección de acondicionamiento y aislación
de las señales PWM. (b) Sección de aislación y
adaptación de las señales de falla.
Sección de acondicionamiento y aislamiento de las
señales PWM.
Para el acondicionamiento de las señales,
provenientes del controlador, se implementó un
buffer amplificador de corriente utilizando en este
caso el circuito integrado (CI) SN74LS245. El
mismo tiene por finalidad acondicionar los niveles de
corriente entre las señales de control y las señales
necesarias para disparar los LED internos de los
optoacopladores.
Para lograr aislamiento galvánico entre la etapa de
control y la etapa de potencia se utilizaron dos tipos
de optoacopladores rápidos HCPL 2531 (dobles) y
HCPL 4503 (simples). Con esta combinación se
logró una reducción de tamaño en el circuito de la
etapa descripta.
Sección de aislamiento y adaptación de las señales
de falla (FAULT).
Las señales de falla, que envía el IPM hacia el
control, se aislaron utilizando optoacopladores 4N35
y se adaptaron las mismas, para ser ingresadas a la
entrada FAULT_IN del control, con un SN74LS20.
2.3 Etapa de control.
La etapa de control es la encargada de generar las
señales para el funcionamiento del sistema. La misma
está constituida por el controlador MC3PHAC y una
Interfaz de usuario.
MC3PHAC
El controlador utilizado en esta etapa es el CI
MC3PHAC el cual es específico para control de
motores trifásicos de CA, diseñado para cumplir los
requerimientos de velocidad variable, bajo costo y
fácil implementación. Este dispositivo es adaptable y
configurable de acuerdo a su aplicación. (Rosales et
al., 2009)
Los aspectos más importantes del dispositivo son:
Control de velocidad V/Hz.
6 salidas PWM.
4 entradas Analógicas (ADC).
Operación configurable para modo
Standalone (independiente) o
Host
(huésped).
PWM seleccionable en frecuencia y
polaridad.
Frecuencia base seleccionable (50 ó 60
Hz).
Interfaz de comunicación serial (SCI).
Tiempos muertos seleccionables.
El MC3PHAC genera seis señales PWM las cuales se
modulan utilizando la técnica de inyección de tercera
armónica de acuerdo a la velocidad y frecuencia
especificadas. Esas señales son sintetizadas por el
inversor trifásico.
Usando esta técnica se incrementa un 15% la
amplitud pico de la fundamental en la tensión de
salida, en comparación al PWM sinusoidal. Con esto
se obtiene un mayor aprovechamiento de la tensión
del BCC, una reducción de la sobre modulación y
una baja distorsión.
La inyección de tercera armónica no afecta la calidad
de la tensión de salida debido a que esta componente
es anulada en cargas conectadas en estrella.
Interfaz de usuario
La interfaz de usuario se diseñó de manera de
facilitar la utilización del convertidor pudiendo medir
en ella las diferentes señales de control y también
configurar los parámetros de funcionamiento. La
misma posee los controles de usuario típicos de un
variador de velocidad comercial: Marcha-Parada,
Sentido de giro y Velocidad. También dispone de un
Reset para el MC3PHAC y la Interfaz Serial del
mismo para conectarse en modo Host mediante una
PC.
La interfaz de usuario además posee puntos de
medición (Test Points, TP) para medir la tensión de
BCC y las señales de disparo que se envían al
inversor. También se dispone de TP para configurar
los parámetros de funcionamiento del convertidor,
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mediante la variación de resistencias dispuestas para
tal fin. Los valores de estas resistencias se utilizan
para acceder a las curvas otorgadas por el fabricante
del controlador.
3. RESULTADOS DE SIMULACIÓN
Con el propósito de evaluar el comportamiento del
convertidor y compararlo posteriormente con los
resultados experimentales, se procedió a la
simulación utilizando SIMULINK de MATLAB.
Fig. 7: Comportamiento del BCC.
El convertidor simulado se alimentó con un sistema
de tensiones de 3 x 380V/50Hz. Los elementos
utilizados en la etapa de potencia y carga (motor
asíncrono trifásico) pertenecen a la librería
SymPowerSystems. La frecuencia fundamental de la
tensión de salida se configuró desde el bloque
correspondiente a la etapa de control.
Como se puede observar en las figuras 5, 6 y 7 el
funcionamiento del sistema, en la simulación, es
aceptable para los valores de la tensión de
alimentación y tipo de carga utilizada.
En la figura 5 se muestra la tensión de línea en la
carga para una frecuencia de 50Hz.
Una vez analizados los resultados de simulación del
convertidor CC-CA se procedió a la conexión de los
instrumentos de medición para configurar el control
de usuario y medir las magnitudes correspondientes.
Se utilizaron, un osciloscopio digital Tektronix
THS710 y un multímetro digital FLUKE 112. El
convertidor CC-CA se alimentó directamente de la
red eléctrica trifásica. Como carga se utilizó un motor
de inducción trifásico con las características
indicadas en la tabla 1.
4. RESULTADOS EXPERIMENTALES
Tabla 1. Características del motor de inducción
utilizado
Fig. 5: Tensión de línea para f=50Hz.
La corriente en una de las fases de la carga, para la
misma frecuencia, se muestra en la figura 6. En la
figura 7 se observa el comportamiento del BCC en la
simulación cuando el sistema está funcionando.
Característica
Valor
Tensión
nominal
Corriente
nominal
FP
RPM
Potencia
220/380V
8.64/5A
0,82
1500
3kW
Los parámetros de control se configuraron con los
valores de la tabla 2 utilizando el multímetro digital.
Tabla 2. Parámetros de Control utilizados.
Fig. 6: Corriente en una de las fases de la carga.
Parámetro
Valor
Frecuencia
PWM
Tiempos
Muertos
Volt Boost
10,582kHz
5,2 µseg
16%
Con el osciloscopio digital se procedió a medir la
tensión en los bornes de la carga. En la figura 8 se
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observa una de las tensiones de línea para una
frecuencia fundamental de salida de 50Hz.
Se hicieron detenciones y cambios de giro en el
motor para visualizar los aumentos de tensión en el
BCC. En la figura 11 se muestra una imagen del
Scope de la GUI utilizada.
Fig. 8: Tensión de línea en el motor.
Para la medición de las corrientes en las fases del
motor se utilizó una sonda de corriente Tektronix
A621. Una de estas corrientes se observa en la figura
9 para la misma frecuencia.
Fig. 11: Scope de la interfaz gráfica de usuario.
También para corroborar el funcionamiento se midió
la corriente en la resistencia del chopper en el
instante de actuación del mismo. Dicha corriente se
muestra en la figura 12.
Fig. 9: Corriente en una de las fases del motor.
En la figura 10 se observa el comportamiento del
BCC.
Fig. 12: Corriente en el instante de actuación del chopper
de frenado.
5. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS
Se presentó el diseño e implementación de un
convertidor CC-CA para el accionamiento de
maquinas eléctricas. El funcionamiento del mismo
fue validado mediante resultados de simulación y
experimentales.
Fig. 10: Comportamiento del BCC
Como se observa en los resultados experimentales el
comportamiento de la tensión y corriente en la carga,
así como también del BCC, son similares a los
obtenidos mediante simulación.
Para comprobar el funcionamiento del chopper de
frenado se configuró el control en modo Host y se
utilizó la interfaz gráfica de usuario (Graphic User
Interface, GUI) del fabricante. Como aceleración se
fijó un valor de 50Hz/seg y un valor de actuación del
chopper de 110% del BCC.
La estrategia de control, implementada con el
MC3PHAC, permitió que el convertidor se pueda
desempeñar satisfactoriamente en el accionamiento
de motores de baja potencia.
Se resalta la funcionalidad y aplicación del
convertidor presentado en prácticas de laboratorio
para la enseñanza de la electrónica de potencia y
demás materias afines, gracias a la disposición de
puntos de medición en la etapa de control, a la
identificación de sus etapas y a la utilización de la
GUI proporcionada por el fabricante del controlador.
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Como trabajo futuro se pretende que el convertidor
sea utilizado para implementar diferentes controles
para motores de CA incrementando la aplicación
didáctica del mismo.
REFERENCIAS
Bossa, J.L, Serra, F.M., Falco, C.A. (2006). Banco
didáctico dedicado a la electrónica de potencia,
XX Congreso Argentino de Control Automático,
AADECA '2006. Sección Estudiantil, pp. 078,
Buenos Aires, Argentina, 28 al 30 Ago., 2006.
ISBN: 978-950-99994-4-2.
De la Barrera, P. M., Curti, M. R., Forchetti, D. G.,
De Angelo, C. H., Bossio, G. R., Garcia, G. O.
(2002). Inversor Trifásico para control de
maquinas Eléctricas con Fines Didácticos.
AADECA„2002, Congreso Argentino de Control
Automático. Buenos Aires. Argentina.
García, G. O., Leidhold, R., Bossio G. R., De
Angelo, C. H., Forchetti, D. G. (1996).
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Eléctricas”. 1º Congreso Argentino de Enseñanza
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Mohan, N., Undeland, T. M., Robbins, W. P.,(1995).
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Rashid M. (2004) Electrónica de Potencia:
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Rosales F., Magaldi G., Bossa J.L., Serra F. (2009).
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2009. Sección Estudiantil. ISBN 950-665-340-2.
Serra, F.M., Falco, C. A., Control de velocidad V/Hz
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Eletronica de Potencia – Uma Experiencia
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Brasil.
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