Simulación del control para velocidad de un motor trifásico basado en rectificador trifásico completamente controlado e inversor NPC trifásico de dos niveles.

Universidad Autónoma de San Luis Potosí Zona Media, Año 2020, No. 1, 10 de Noviembre del 2020.
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Simulación del control para velocidad de un
motor trifásico basado en rectificador trifásico
completamente controlado e inversor NPC
trifásico de dos niveles.
Juan Eduardo Sánchez Badillo
Abstract: En este reporte se explicará la construcción de un
variador de velocidad mediante el uso de un rectificador
trifásico completamente controlado y un inversor NPC
trifásico de 3 niveles controlado por PWM.
Motor drives, drives, motor eléctrico, rectificador trifásico,
motor trifásico, NPC trifásico, motor de inducción, variadores
de frecuencia.
I. INTRODUCCION
El uso de controladores variadores de velocidad es muy importante en
las industrias donde la mayoría de las operaciones son posibles gracias a los
motores eléctricos. Muchos de estos motores son alimentados con corriente
trifásica a más de 220V, 60Hz en México. Esta energía es proveniente de la
red eléctrica y los motores al ser conectados a esta red interfieren con el
suministro de los demás componentes conectados a ella. [1]En el arranque
de un Motor eléctrico intervienen variables físicas que están asociadas a la
dinámica del sistema, como el voltaje y la corriente, las cuales deben ser
controladas para evitar oscilaciones del sistema. La importancia del uso de
los variadores de frecuencia es evitar las perturbaciones en el arranque del
motor y prevenir conflictos en la red eléctrica. Esto se logra mediante el
control de la relación Volts-Frecuencia; lo que indica que a medida se va
aumentando la frecuencia, también deberá ir aumentando el voltaje en
forma lineal, esto para obtener un torque constante en la salida del motor.
La técnica de construcción a base de un NPC trifásico es muy eficiente en
comparación con otras debido a que se requiere menor cantidad de
materiales para poder lograr un resultado similar.
1.1. [1]Modos de arranque de un motor eléctrico.
1.1.1. Arranque directo.
Este método es el más sencillo de implementar, pero también es el que
más desgaste ocasiona al motor y perjudica la red eléctrica. Para hacer girar
el motor con este método es necesario conectarlo directamente a la red
eléctrica y por medio de un contactor hacer el cierre o apertura del circuito.
Únicamente podemos hacer girar el motor en un solo sentido y con una sola
velocidad.
1.1.2. Arranque Delta estrella.
El arranque se hace mediante un arreglo de contactores. Primero se
conecta el motor en estrella y mientras alcanza la velocidad máxima en ese
arreglo, se haces un cambio de conexión a delta; esto aumenta su velocidad
al valor nominal.
1.1.3. Arrancador suave.
El motor es conectado a un dispositivo capaz de generar una rampa en
la señal de entrada para que así el motor vaya aumentando su velocidad
conforme va aumentando el voltaje.
1.1.4. Variador de velocidad.
El motor se conecta a un dispositivo electrónico llamado variador de
frecuencia o de voltaje. Este dispositivo es capaz de variar la frecuencia y
voltaje en sus bornes de salida para así controlar el arranque de forma
óptima en el motor. Este método es el más eficaz de todos.
Figura 1. Grafica comparativa entre los distintos métodos de arranque
de un motor. Fuente: (Carrillo Romero & Rojas Boyacá, 2013, p. 35
1.2. Funcionamiento de un Variador de Frecuencia.
En este proyecto vamos a estar trabajando con motores trifásicos, por lo
tanto, los variadores de frecuencia a estudiar serán trifásicos.
1.2.1. Parámetros.
La velocidad de giro de un motor eléctrico se mide mediante RPM
(Revoluciones por minuto), esta velocidad depende de la frecuencia de
entrada, así como lo dice la siguiente formula:
120 ∗ 𝐹
𝑅𝑃𝑀 =
𝑃
Esta ecuación nos dice que la velocidad de giro nominal dependerá de
un factor de 120 por la frecuencia suministrada y el número de polos de
nuestro motor. Entonces, si queremos variar la velocidad de nuestro motor,
debemos variar su frecuencia de entrada o el número de polos.
En un variador de frecuencia vamos a estar cambiando la frecuencia
suministrada al motor, pero también el voltaje suministrado, ya que a
conforme va aumentando el voltaje, la frecuencia irá aumentando en
relación con la siguiente formula: 𝑐=𝑉𝐹
La constante C es el factor de cambio en nuestros dos parámetros, para
obtener su valor es necesario introducir la frecuencia y voltaje nominal del
motor que deseamos controlar.
1.3. Funcionamiento.
1.3.1 Rectificador trifásico.
La fuente de corriente trifásica suministra tres tensiones sinusoidales
acopladas y desfasadas 120° cada una. El rectificador trifásico por medio
de un arreglo de diodos omite los semiciclos negativos de cada señal
sinusoidal para generar una nueva función periódica de solo semiciclos
positivos.
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Gracias al capacitor podemos disminuir el rizado en la señal de salida,
haciéndolo prácticamente corriente continua.
1.4. Inversor con Fijación por Diodos
[2]También es conocido como Neutral Point Clamped Converter (NPC),
este inversor se puede considerar como el origen del inversor multinivel
reciente.
Figura 2. Diagrama de un rectificador trifásico.
Figura 6. Diseño de un inversor NPC trifásico de 3 niveles.
Figura 3. Grafica comparativa de la señal de entrada no rectificada y la
salida rectificada.
Como podemos observar en la segunda gráfica, la señal en la carga no
está completamente rectificada, debido a que en los puntos máximos de
cada fase de entrada no llega a acoplarse completamente con las demás
fases, esto se puede arreglar con un capacitor en forma de filtro.
1.3.2 Fuente de corriente directa o filtro.
Para poder disminuir los rizos en la salida del arreglo de diodos en el
rectificador hay que acoplar un condensador como se muestra en el
siguiente diagrama.
En esta clase de inversor, la tensión del bus de continua está dividido
por dos condensadores donde el punto medio “O” se define como el punto
neutro. La tensión de salida en cada una de las fases puede tomar tres
niveles, Vpn/2, 0 y -Vpn/2. En la Figura 6 se ilustra la tensión de salida de
una de las fases del inversor.
Los diodos conectados al punto medio son los elementos que fijan las
tensiones de bloqueo de los interruptores a una fracción de la tensión del
bus de continua, por lo tanto, son el elemento clave de esta topología. Esta
topología puede extenderse a más niveles, pero se aumenta
considerablemente el número de dispositivos interruptores utilizados.
2.
DESARROLLO
Primero se construyó el rectificador trifásico completamente controlado. El
sistema consiste en seis SCR’s controlados mediante un comparador de ciclos
positivos y negativos. El tiristor actuará como un corto circuito cuando en su
entrada g obtenga una señal. La entrada a está conectada la señal sinusoidal
de 60Hz y 120*sqtr(2) de amplitud. El objetivo del tiristor es activarse solo
en los semiciclos positivos de la señal sinusoidal de entrada.
Figura 4. Diagrama de un rectificador trifásico con capacitor de
filtrado.
Figura 7. Rectificador trifásico completamente controlado.
Es aconsejable agregar una serie LC para tratar de eliminar el rizo de salida
en la carga.
Figura 5. Grafica del rectificador trifásico con capacitor.
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Figura 8. Corriente y voltaje de salida del rectificador trifásico
completamente controlado cuando el disparo se efectúa en 0°.
Una vez que hayamos generado una salida de corriente directa, creamos un
submódulo para el inversor trifásico NPC el cual debe estar conectado en
paralelo con el rectificador trifásico. El control de la activación de los IGBT
se hace mediante la transformación de una señal sinusoidal la cual nos dará
la característica de la frecuencia de salida. Esta señal sinusoidal se traspasa a
una señal PWM cuadrada y la señal saliente es demultiplexada hacia las
conexiones para la activación de cada IGBT.
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Figura 11. Señales PWM para la activación del semiciclo positivo, cada una
desfazada 120°.
3.
RESULTADOS
Figura 12. Circuito completo de un variador de velocidad trifásico de dos
niveles implementando un rectificador trifásico completamente controlado y
un inversor trifásico NPC.
Los parámetros de la fuente trifásica son los siguientes:
VRMS=650; Frecuencia = 60 Hz; con una configuración Yg.
Las características del motor son las siguientes:
Rotor type= squirrel-cage; squirrel-cage preset model= 01: 5HP, 460v, 1750
RPM.
Los resultados para los parámetros mostrados anteriormente y para un ángulo
de disparo=0° en el rectificador son los siguientes:
Figura 9. Bloque del inversor trifásico NPC.
Figura 10. Bloque del control de disparos para el inversor trifásico NPC.
Se multiplica la señal sinusoidal por un factor muy cercano a 1 para evitar un
desbordamiento y después esa señal es pasada por un generador PWM el cual
mediante un demultiplexor de 1 a 6 logra hacer un barrido de las señales
necesarias para habilitar los IGBT. En la siguiente imagen se muestra la
gráfica de las señales responsables de activar el semiciclo positivo en el
inversor NPC. Los parámetros del generador PWM son los siguientes:
Frecuencia: 27*60; Valores máximo y mínimo= [ -1 1 ]; sample time= 2e-4;
con una técnica natural.
Figura 13. Primera grafica nos muestra las señales de voltaje y corriente de
la fuente trifásica. Segunda gráfica se muestra el valor de la corriente con
respecto al tiempo del rectificador completamente controlado. Tercera
gráfica podemos notar la salida de voltaje en el rectificador trifásico
completamente controlado
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Figura 17. Características de velocidad angular y par de salida en el motor
cuando el ángulo de disparo se aumenta a 60°.
Figura 14.Señales correspondientes al inversor trifásico. Cada señal está
desfasada 120°.
Como pudimos apreciar en la figura anterior, existe un decremento en los
valores de salida del torque, esto se debe a que el ángulo de disparo del
rectificador es muy grande, lo que ocasiona una atenuación en el voltaje de
salida.
Pero esto no es suficiente para poder discernir si en realidad está variando la
velocidad del motor, aun nos falta cambiar la frecuencia de la señal
suministrada al motor. En este caso la frecuencia se redujo a la mitad de lo
que estaba establecido y se obtuvo la siguiente gráfica:
Figura 18. Grafica de la velocidad angular y el torque del motor trifásico
cuando el ángulo de disparo es igual a cero y la frecuencia suministrada es
(2*pi*60)/2 rad/s.
Figura 15. Corriente de entrada por fase en el motor trifásico.
El cambio de la frecuencia se hace cambiando la señal sinusoidal de muestra
la cual se encuentra en el bloque de disparos PWM.
Como pudimos observar en las graficas anteriores, logramos obtener una
variación de voltaje y de torque de salida únicamente variando valores
constantes que se encuentran en nuestro sistema, como lo es el ángulo de
disparo del rectificador y la frecuencia de la señal sinusoidal de muestra.
4.
Figura 16. En la primera gráfica se muestra la velocidad angular en el motor
y en la segunda gráfica podemos observar el torque del motor.
Cuando operamos el sistema en un ángulo de disparo=0° para el rectificador
trifásico vemos que la velocidad angular se mantiene en valores aproximados
a 1000 RPM, mientras que el torque llega a tener picos de 40 y -40 N*m.
Ahora veamos qué sucede si aumentamos el ángulo de disparo a 60°.
CONCLUSION
En este reporte pudimos apreciar la construcción de un
variador de velocidad relativamente sencillo de dos
niveles utilizando un inversor trifásico NPC el cual nos
ayuda a disminuir la cantidad de componentes necesarios
para lograr el objetivo de variar la velocidad y torque de
salida de nuestro motor. Solamente con la manipulación
de dos variables, como lo es la frecuencia de la señal
muestra y el ángulo de disparo del rectificador
completamente controlado podemos variar tanto el torque
como la velocidad del motor.
Universidad Autónoma de San Luis Potosí Zona Media, Año 2020, No. 1, 10 de Noviembre del 2020.
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REFERENCIAS
[1 J. A. &. R. B. J. A. Carrillo Romero, "El variador de velocidad
] como método de arranque ideal para motores eléctricos de
inducción. Ingeniería Investigación y Desarrollo," Universidad
Pedagógica y Tecnológica de Colombia, 2013.
[2 A. A. Gómez, «SIMULACIÓN DE UN INVERSOR TRIFÁSICO
] MULTINIVEL CON FIJACIÓN POR DIODOS USANDO
SIMULINK DE MATLAB®,» Universidad Tecnológica de
Pereira, 2010.
[3 Benavides-Córdoba, "Desarrollo de un variador de velocidad
] trifásico: enfoque de programación multitarea.," Scielo, 2020.
[4 M. H. Rashid, Electronica de potencia. Circuitos, dispositivos y
] aplicaciones (3 Edición)., Pretince-Hall204..
[5 R. &. B. V. T. krishnan, "Electric Motor Drives, modeling,
] analysis, and control," 2001.
[6 L. A. T. GRISALES, "DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN
] INVERSOR TRIFÁSICO," UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE
PEREIRA, 2010.
[7 R. Cobo, "UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA," 1 11
] 2016. [Online]. Available:
http://www.emb.cl/electroindustria/articulo.mvc?xid=2904&srch=f
abelec&act=4&tip=7. [Accessed 10 11 2020].
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