UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA FACULTAD DE INGENIERIAS
Carrera de Ingeniería Electrónica
"MODULACION SENOIDAL DE ANCHO DE PULSO (SPWM) COMO ETAPA DE CONTROL EN MODULOS DE PEQUEÑA Y GRAN ESCALA, PARA APLICACIONES EN VARIADORES DE FRECUENCIA"
TESIS
DE
GRADO
PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO ELECTRONICO
MARCOS SANTIAGO DAVILA CARRERA CARLOS ALBERTO FLORES VAZQUEZ
DIRECTOR: Ingeniero Marco Carpio
Cuenca, Junio 2009
DECLARACI N
Nosotros, Marcos Santiago Dávila Carrera y Carlos Alberto Flores Vázquez declaramos bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de nuestra autoría; que no ha sido previamente presentada para ningún grado o calificación profesional; y, que hemos consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. A través de la presente declaración cedemos nuestros derechos de propiedad intelectual correspondientes a este trabajo, a la Universidad Politécnica Salesiana, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente.
Firma: Marcos Santiago Dávila Carrera
Carlos Alberto Flores Vázquez
II
CERTIFICACI N
Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Marcos Santiago Dávila Carrera y Carlos Alberto Flores Vázquez, bajo mi supervisión.
Firma: Ing. Marco Carpio DIRECTOR DE PROYECTO
III
AGRADECIMIENTOS
Al CEE, Centro de Estudios Electrónicos en las personas de Ing. Marcelo Flores V. e Ing. Luis Arindia C. por su aval, por su apoyo económico así como con laboratorios, instrumentación, libros, internet e importación de componentes.
Agradecimientos a DURAPOWER en la persona del Ing. Jorge Mora por sus recomendaciones para el control de dv/dt. Al Ing. Flavio Quizhpi por motivar la idea de la realización de esta tesis, por su apoyo y conocimientos en el desarrollo inicial de la misma.
Al Ing. Marco Carpio quien como nuestro director contribuyo con su guía, supervisión, consejo y apoyo para el desarrollo y consecución de esta tesis.
A mis profesores en general quienes con su conocimiento nos supieron enseñar y orientar dentro de la ingeniería, en especial al Ing. Pedro Abad, Ing. Omar Alvarez, Ing. Jack Bravo, Ing. Hernán Guillen, Ing. Flavio Quizhpi, Ing. Fernando Urgiles, quienes transcendieron en nuestra formación como profesionales y personas.
Audio Electrón en la persona de José Luis Espinoza, por la provisión de los componentes electrónicos y créditos.
"No solo no hubiéramos sido nada sin ustedes sino con toda la gente que estuvo a nuestro alrededor desde el comienzo, algunos siguen hasta hoy. Gracias.. Totales!!." G Cerati.
Marcos Dávila C. Carlos Flores V.
IV
DEDICATORIA
El presente trabajo se lo dedico a Dios por guiarme y haberme permitido llegar hasta la culminación de esta etapa en mi formación. A mis padres por todo su apoyo, en especial a mi madre por ser un ejemplo en mi vida. A mi abuela y mi tía por estar siempre junto a mí. Marcos Dávila C.
V
DEDICATORIA
Este trabajo se lo dedico ante todo a Dios por permitir todas las circunstancias que confluyeron en la consecución de esta tesis. A mis padres por su apoyo moral y económico desde el inicio hasta el final de mis estudios, mis hermanos por su confianza y apoyo. Carlos Flores Vázquez
VI
INDICE Declaración...........................................................................................II Certificación ........................................................................................III Agradecimientos...................................................................................IV Dedicatoria............................................................................................V Índice ....................................................................................................VII Resumen ...............................................................................................IX Capítulo I. Modulaciones de Ancho de Pulso.
1.1 Introducción ..........................................................................................1 1.2 Modulación de un solo ancho de pulso .................................................2 1.3 Modulación de varios anchos de pulso..................................................4 1.4 Modulación senoidal del ancho del pulso..............................................6 1.5 Modulación senoidal modificada del ancho del pulso...........................10 1.5.1 Modulación Trapezoidal..............................................................11 1.5.2 Modulación en Escalera...............................................................12 1.5.3 Modulación Escalonada...............................................................13 1.5.4 Modulación por Inyección de Armónicas....................................14 1.5.5 Modulación en Delta....................................................................16 1.6 Puente inversor ......................................................................................17 1.6.1 Principios de Operación...............................................................17 1.6.2 Parámetros de rendimiento ..........................................................19 1.7 Aplicaciones de regulación de velocidad...............................................21 1.7.1. Convertidores CC - CA..............................................................21 1.7.2. Variadores de Frecuencia ...........................................................22 1.7.3. Modulación de ancho de pulso (PWM)......................................23 1.7.4. En automotores eléctricos...........................................................24 Capítulo II. Construcción del modulo variador de
frecuencia.
2.1 Introducción...........................................................................................29 2.2 Diseño....................................................................................................31 2.2.1 Ventajas de la modulación SPWM ..............................................31 2.2.2 Diagrama de bloques del circuito ................................................34 2.2.3 Consideración del diseño.............................................................35 2.2.4 Elaboración del PCB....................................................................40 2.2.5 Elaboración de la caja..................................................................46 2.3 Utilizar un control digital de las señales frente al control analógico tradicional.................................................................52
VII
2.3.1 Control Analógico .......................................................................52 2.3.2 Control Digital.............................................................................53 2.4 Empleo de microcontroladores para gobernar estas señales..................55 2.5 Módulos del convertidor........................................................................61 2.5.1 Interfaz con el usuario .................................................................61 2.5.2 Etapa de Control ..........................................................................64 2.5.2.1. Microcontroladores Atmel AVR ATMEGA8-16PC y ATMEGA16-16PC........................................................64 2.5.2.2. Recomendaciones para aplicación en motores...............68 2.5.2.2.1. Sensor de Corriente IR 2171.........................68 2.5.2.2.2. Retroalimentación .........................................70 2.5.3 Circuito de Potencia.....................................................................70 2.5.3.1. Driver 2136 ....................................................................71 2.5.3.2. Puente Inversor...............................................................75 2.5.3.3. Dv/dt, Di/dt.....................................................................76 Capítulo III. Pruebas y Análisis de resultados
3.1 Señales PWM del microcontrolador......................................................82 3.2 Señales de entrada para el puente Inversor............................................84 3.3 Señales en la carga.................................................................................88 3.3.1 Resistiva.......................................................................................88 3.3.2 Resistiva / Capacitiva ..................................................................92 3.3.3 Resistiva / Inductiva ....................................................................96 3.3.4 Bombilla incandescente de 60 Watts...........................................97 3.3.5 Radio............................................................................................99 3.3.6 Pruebas con una bombilla incandescente de 40 Watts ................100
Conclusiones.........................................................................................X Bibliografía...........................................................................................XIV Anexos..................................................................................................XV
VIII
IX
RESUMEN
Esta
tesis
tiene
por
objeto
el
diseño
y
la
construcción
de
un
modulo
de
Modulación Senoidal de Ancho de Pulso (SPWM), como etapa de control en módulos de pequeña y gran escala para aplicaciones de variadores de frecuencia. Este
prototipo
consta
de
una
etapa
de
control
constituido
por
los
microcontroladores AVR M16 y M8, los cuales se encuentran enlazaos mediante comunicación SPI, la interface con la etapa de potencia es realizada por el driver IR 2136; por último la etapa de potencia esta constituida por un puente H, inversor, conformado por cuatro transistores tipo Mosfet con sus respectivas protecciones de di/dt y dv/dt externas.
El análisis se lo inicia con la investigación y desarrollo de los diferentes tipos de modulación y puentes inversores cuyos detalles constituyen el capítulo I, el centro del desarrollo de esta tesis se lo realiza en el capítulo II, en donde se explica en profundidad el diseño y construcción del variador, los cálculos, tablas de datos, fotografías, esquemas y la solución a los problemas que se presentaron. Como parte del cumplimento de los objetivos planteados en el capítulo III
se
expone todas las pruebas realizadas al variador, que radicaron en la visualización de las señales de salida del microcontrolador, driver y en las distintas cargas.
Los detalles de información relevante pero extensa se encuentran como anexo en este trabajo.
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