1-2 Convertidor Cc

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 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

de laboratorio. (García, G. O. et al , 1996; Susin, R.M. et al , 1999).

1. INTRODUCCIÓN En la actualidad actualidad existen diversas aplicaciones 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 , (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 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., 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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AADECA 2010 – Semana del Control Automático – XXIIº Congreso Argentino de Control Automático 31 de Agosto al 2 de Septiembre de 2010 – Buenos Aires, Argentina. 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 resis tencias 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 Característica Valor

Fig. 5: Tensión de línea para f=50Hz.

Tensión nominal Corriente nominal FP RPM Potencia

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.

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. Parámetro

Valor

Frecuencia 10,582kHz PWM Tiempos 5,2 µseg Muertos Volt Boost 16%

Fig. 6: Corriente en una de las fases de la carga.

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). “Laboratorio Modular para la Enseñanza de

Electrónica de Potencia y Control de Máquinas Eléctricas”. 1º Congreso Argentino de Enseñanza de Ingeniería, CAEDI‟1996 , Vol.2, pp 428-434. Río Cuarto, Córdoba, Argentina. Mohan, N., Undeland, T. M., Robbins, W. P.,(1995). “ Power Electronics: Converters, Application, and Design (2nd ed.)”, John Wiley & Sons, Inc., USA. Motto E.R. (1992). New Intelligent Power Modules (IPMs) for Motor Drive Aplications. Powerex Incorporated, USA. Rashid M. (2004) Electrónica de Potencia: Circuitos, Teoría y Aplicaciones. Prentice Hall, 2da edición , México. Rosales F., Magaldi G., Bossa J.L., Serra F. (2009). Implementación de un control V/Hz usando el MC3PHAC . XIII Reunión de Trabajos en Procesamiento de la Información y Control, RPIC 2009. Sección Estudiantil. ISBN 950-665-340-2. Serra, F.M., Falco, C. A., Control de velocidad V/Hz a lazo cerrado de un motor de inducción usando DSC56F8323, XXI Congreso Argentino de Control Automático, AADECA 2008. Sección estudiantil. Buenos Aires, Argentina, 1 al 3 Sep., 2006. Susin, R. M., Lima, J. C. M., Canalli, V. M., Soares dos Reis, F. (1999). ”Laboratório de Ensino da Eletronica de Potencia – Uma Experiencia Construída Para e Pelos Estudantes” , 5° Congresso Brasileiro de Eletronica de Potencia, COBEP‟99 . Brasil.

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