Descargar - fices - Universidad Nacional de San Luis

AADECA 2006 - XXº Congreso Argentino de Control Automático – Sección Estudiantil28 al 30 de Agosto de 2006 - Buenos Aires, Argentina.BANCO DIDÁCTICO DEDICADO A LA ELECTRÓNICA DE POTENCIAJosé Luis Bossa 1 , Federico Martín Serra 2Asesor: Ing. Cristian Ariel Falco 31, 2Estudiantes Regulares de la carrera Ingeniería Electricista-Electrónica.e-mail: lcafices@fices.unsl.edu.ar.3 Docente del Área de Electrónica y Control de la carrera Ingeniería Electricista-Electrónica, director de línea del proyecto “Desarrollo y Aplicación Eficiente deSistemas Mecatrónicos”.e-mail: cfalco@fices.unsl.edu.arFacultad de Ingeniería y Ciencias Económico-Sociales, Universidad Nacional de San Luis,Ruta Nacional #148, extremo norte, (5730) Villa Mercedes, San Luis, Argentina.Resumen: Se propone el desarrollo de un banco didáctico para la implementación dediferentes tipos de convertidores de potencia como, por ejemplo, inversores y convertidoresCC-CC. Este banco posee una interfaz para interconectar un DSP o una PC con el objetivode implementar diferentes algoritmos de control. En este trabajo, a modo de ejemplodidáctico, se presenta una topología correspondiente a un inversor trifásico con dos tipos demodulación, seis pulsos y PWM seno triángulo.Palabras claves: Enseñanza de Electrónica de Potencia, Inversor Trifásico, PWM.1. INTRODUCCIÓNEn la actualidad existen innumerables sistemas, comoel que se presenta en la Fig. 1, donde es necesariocontrolar y acondicionar el flujo de energía paraaumentar el rendimiento de los mismos. Ejemplos dedichos sistemas son: variadores de velocidad de c.a.utilizados en la industria, vehículos eléctricos, aireacondicionados; filtros activos de potencia utilizadosen la reducción de los armónicos de corriente ycorrección instantánea del factor de potencia;convertidores CC – CC en fuentes conmutadas,accionamientos eléctricos, controles de temperatura yotras aplicaciones industriales no menos importantes.FUENTEDEENERGÍAELECTRÓNICADEPOTENCIACONTROLFig. 1. Sistemas Acondicionadores de EnergíaCARGAPor esto, se planteó la necesidad de construir unaplanta didáctica en el laboratorio de controlautomático de la FICES, donde se pudieranimplementar diversos sistemas acondicionadores deenergía sobre un actuador común, así como también,diversas topologías y estrategias de control que lesirviera al estudiante de grado, para integrar susconocimientos teóricos incorporados en las diversasasignaturas que componen su carrera.Este trabajo esta organizado de la siguiente manera:la introducción presentada, la Sección 2 donde sedescribe el hardware del sistema desarrollado. Luego,en la Sección 3, se presentan las estrategias demodulación implementadas, utilizando comocontroladores digitales una PC, un DSC y unmicrocontrolador PIC. En la Sección 4 se presentanresultados experimentales, con el objetivo de mostrarel funcionamiento del banco. Finalmente, en laSección 5, se exponen las conclusiones del trabajo ypropuestas para trabajos futuros.2. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMAEl banco didáctico está formado, tal como se muestraen la Fig. 2, por una topología de electrónica depotencia re-configurable, compuesto por tres piernas

AADECA 2006 - XXº Congreso Argentino de Control Automático – Sección Estudiantil28 al 30 de Agosto de 2006 - Buenos Aires, Argentina.implementadas con transistores IGBT, con susrespectivos drivers y acoplamiento óptico de lasseñales de control, borneras de conexión, tanto parala carga como para la alimentación principal, y unafuente de alimentación para las etapas de control delactuador.Con la citada topología electrónica de potencia, sepueden implementar, entre otras, los siguientesexperimentos: inversores monofásicos, trifásicos,filtros activos de potencia, rectificadores activos,convertidores sincrónicos CC – CC de dos o cuatrocuadrantes de operación.En la Fig. 2 se muestra una foto del sistema montado,en este caso, la electrónica de potencia estáinterconectada con el DSC (Digital SignalController) como controlador digital.los valores requeridos por la placa. Para la altatensión se utilizan, por razones de seguridad, fuentesde laboratorio conectadas en serie con control detensión y corriente del tipo GPR-6030-D de laempresa GW (Good Will Instrument).A continuación se describen las partes principalesbanco didáctico:− Conector DB-9: se utiliza para el ingreso delas señales de control que deben sercompatibles con TTL.− Bornera de Alimentación: se utiliza paraalimentar las etapas de acondicionamiento,optoacoplamiento y driver de la placa delactuador a partir de la fuente conmutada.− Bornera del Bus de CC: se utiliza paraalimentar el puente de llaves a partir de unafuente de CC de potencia.− Bornera de Carga: se utiliza para la conexiónde la carga, la misma consta de 4 conexiones,una a cada punto medio de los 3 semi-puentesy conexión a tierra.En la Fig. 3 se muestra un diagrama en bloques delbanco didáctico con los bloques descriptosanteriormente.Figura 2. Banco DidácticoLa tensión de trabajo del bus de CC es de 400 V. LosIGBTs son de 600 V, 30 A. La topología de potenciaposee capacitores que suprimen los picos de tensiónque se producen debido a las inductancias parásitasdel montaje. Estos capacitares están colocados, sobreel bus de CC, cercanos a los bornes de las llaves.El disparo de los IGBTs se realiza por medio de undriver integrado, CI IR2130, que genera las señalesde excitación para las llaves superiores por medio dela tecnología bootstrap, e incorpora los tiemposmuertos para evitar los cortocircuitos entre llaves deuna misma pierna.El aislamiento galvánico, entre el controlador y laetapa de potencia, se realiza por medio de circuitosintegrados optoacopladores, HCPL2531.La placa de potencia necesita tres fuentes dealimentación, una fuente CC de 5V para los circuitosde acondicionamiento de señales entre el dispositivode control y la placa, una fuente CC de 15 V para laalimentación de los optoacopladores y el driver de lasllaves y una fuente de potencia de 400 V, paraalimentar el bus de CC del puente.Para suministrar las bajas tensiones se utiliza unafuente conmutada, que fue modificada para obtenerMOTORTRIFASICO3BORNERATRIFASICAINVERSORFUENTE CONMUTADA+15Vcc+5VccTierraBORNERAALIMENTACIÓN+15Vcc+5VccBORNERABUS CC 2CONECTORDB-9MACHO722SEÑAL DECONTROLFig. 3. Diagrama de Bloques del Banco Didáctico3. EJEMPLO DE USO DEL BANCO DIDÁCTICOCon el fin de incorporar y fijar los conocimientos,necesarios para realizar la tesis de grado, sobretécnicas de control y modulación para inversorestrifásicos se implementaron distintas técnicas condiferentes tecnologías, lo que muestra la versatilidaddel banco presentado.3.1. Conducción 180º con MicrocontroladorEsta implementación se realizó como trabajointegrador de la asignatura AutomatizaciónIndustrial. Se utilizó el microcontroladorPIC16F84A, el cual reunía los requisitos solicitados.La forma más simple de obtener una tensión trifásicaa partir un convertidor CC-AC (inversor) es la

AADECA 2006 - XXº Congreso Argentino de Control Automático – Sección Estudiantil28 al 30 de Agosto de 2006 - Buenos Aires, Argentina.denominada conducción a 180º o seis pulsos (RashidM., 1995).Como se muestra en la Fig. 4 este tipo de modulacióncada llave semiconductora del puente conducedurante medio ciclo, con seis modos de operación deduración de un tercio de semiciclo.Figura 5. Generación de la Modulación SPWMEste tipo de modulación es muy utilizada en elcontrol de inversores trifásicos por ser de simpleimplementación. Pero tiene la desventaja que suíndice de modulación es bajo, 0.63.Como tecnología utilizada se contó con una placa dedemostración 56F8300, con el chip DSC 56F8323 de16-bit, que es un híbrido entre un procesador digitalde señales y un microcontrolador.Fig. 4. Señales de disparo. Conducción 180Esta modulación si bien a fines didácticos es lapropicia para introducir al alumno en la teoría de losinversores, en la práctica presenta problemas comogeneración de armónicas de tensión de bajafrecuencia, ripple de torque en el motor, y filtrospasivos voluminosos, entre otros.Esta implementación formará parte de los prácticosde laboratorio en el dictado de la materia ElectrónicaIndustrial.3.2. Modulación SPWM con DSCComo trabajo final de la carrera se estáimplementando un control V/f de velocidad a lazocerrado para un motor de inducción trifásico. Unaherramienta importante para el desarrollo de este tipode controles es el DSC, debido a que tiene integradoperiféricos específicos para estas aplicaciones, altavelocidad de procesamiento y su funcionamiento esmuy robusto.En la modulación SPWM, que significa modulaciónsenoidal de ancho de pulso por sus siglas en ingles,se compara una señal senoidal de control a lafrecuencia deseada con una forma de onda triangular,como se muestra en la Fig. 5. La frecuencia de laonda triangular establece la frecuencia deconmutación de las llaves del inversor y,generalmente, se mantiene constante junto con suamplitud. (Ned Mohan et al, 1995).El mismo consta entre sus principales periféricoscon:Tabla 1. Periféricos del DSC 56F8323Principales PeriféricosMódulo PWM de seis salidasMódulo de 16 temporizadoresMódulo de convertidores ADMódulo decodificador en cuadraturaMódulo de entradas-salidas de propósito generalSe utilizó el módulo PWM para generar lamodulación deseada.3.2. Modulación SPWM con PC + DAQComo una de las finalidades del banco, esimplementar una planta didáctica re-configurablepara realizar las prácticas de las materias afines, seincursionó en la utilización de una PC más una placade adquisición de datos (DAQ) de propósito generaldisponible en el laboratorio, para luego desarrollaruna interfase gráficaSe utilizó la placa LAB-PC 1200 de NationalInstruments.Tabla 2. Características de la placa LAB-PC 1200Principales Características24 entradas-salidas digitales8 entradas y 2 salidas analógicas4 temporizadores.100 KS/seg máximo

AADECA 2006 - XXº Congreso Argentino de Control Automático – Sección Estudiantil28 al 30 de Agosto de 2006 - Buenos Aires, Argentina.Utilizando la misma técnica de modulación SPWMque en la sección anterior, se generaron todas lasseñales necesarias para el disparo de las llavessemiconductoras del banco.4. RESULTADOS EXPERIMENTALESA continuación se presentan las formas de onda detensión y corriente de línea obtenidas de lasimplementaciones realizadas para cada tipo detecnología y modulación utilizada.Amplitud [Ampere]2.521.510.50-0.5-1-1.5Corriente de Línea en el Motor (PIC)En la Tabla 1 se presentan los parámetros de laimplementación. Se eligió la conexión triángulo parael motor de inducción debido a la limitación, porseguridad, de la tensión en el bus de CC.Tabla 3. Parámetros de la ImplementaciónParámetro Valor UnidadTensión Bus CC 120 VPotencia Nominal Motor 250 WTensión Nominal Motor en Δ 220 VFrecuencia Nominal Motor 50 HzFrecuencia de Conmutación 1000 Hz-2-2.50 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Tiempo [mseg]Fig. 6. Tensión y Corriente de Línea. Conducción180ºEn la Fig. 7 y Fig. 8 se muestran la tensión ycorriente de línea en bornes del motor para laimplementación SPWM con DSC y con PC+DAQ,respectivamente. En estos casos se aprecia una formade onda senoidal de la corriente consumida por elmotor gracias a este tipo de modulación.La frecuencia de la tensión fundamental de línea secalculó a partir de la relación V/f constante (R.Krishnan, 2001) para mantener constante el torquedel motor a la tensión máxima suministrada por elinversor en cada modulación.15010050Tensión de Línea en el Motor (DSC)En la Fig. 6 se muestran la tensión y corriente delínea en bornes del motor para la implementaciónConducción 180º. Como se puede observar la tensiónes una onda cuadrada de la frecuencia fundamental yla corriente presenta un alto contenido de 3ºarmónico debido a que la conexión triángulo delmotor no la anula.Amplitud [Volt]0-50-100-1500 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Tiempo [mseg]150Tensión de Línea en el Motor (PIC)2Corriente de Línea en el Motor (DSC)1001.51Amplitud [Volt]500-50Amplitud [Ampere]0.50-0.5-1-100-1.5-1500 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Tiempo [mseg]-20 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Tiempo [mseg]Fig. 7. Tensión y Corriente de Línea. ModulaciónSPWM con DSC

AADECA 2006 - XXº Congreso Argentino de Control Automático – Sección Estudiantil28 al 30 de Agosto de 2006 - Buenos Aires, Argentina.150Tensión de Línea en el Motor (PC)6. AGRADECIMIENTOSAmplitud [Volt]Amplitud [Volt]100500-50-100-1500 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Tiempo [mseg]21.510.50-0.5-1-1.5Tensión de Línea en el Motor (PC)-20 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Tiempo [mseg]Fig. 8. Tensión y Corriente de Línea. ModulaciónSPWM con PC + DAQ5. CONCLUSIONESSe presentó el desarrollo de un banco didácticore-configurable para la implementación de diferentesconvertidores de potencia, como pueden serinversores trifásicos y monofásicos, convertidoresCC-CC, entre otras.A modo didáctico se implementó un inversortrifásico con dos técnicas de modulación: conducciónde 180° con PIC y modulación SPWM con DSC yPC+DAQ; para la topología correspondiente ainversores trifásicos con distintas tecnología paraevaluar las ventajas y desventajas de cada una ygenerar plantas para el desarrollo de los prácticos delas materias correspondientes.Este trabajo fue financiado y realizado en el marcodel proyecto de investigación PROIPRO Nº 51705,“Desarrollo y Aplicación Eficiente de SistemasMecatrónicos”.Se agradece la colaboración del Laboratorio deMecatrónica (LABME) dirigido por el Ing. OscarDaniel Morán de la carrera IngenieríaElectromecánica de la FICES, aportando loscontroladores (DSC y PIC) para la realización de loscontroles.7. REFERENCIASFreescale Semiconductor (2004). 56F8300Peripheral User Manual, Freescale, Cap. 1, 8, 11 y16, Denver. http://www.freescale.com/Freescale Semiconductor (2005). 56F8323/56F8123Data Sheet: Preliminary Technical Data Rev. 12.0,Freescale, Cap. 1, 2, 4, 5, 8, 10, Denver.National Instruments Corporation., Lab-PC-1200,Register-Level Programmer Manual, MultifunctionI/O Board for AT Bus Computers. (1997), Texas.National Instruments Corporation. Lab-PC+ UserManual, Low-Cost Multifunction I/O Board forISA. (1996). http://www.ni.comInternationl Rectifier – IR2130 Datasheethttp://www.irf.com/product-info/datasheets/data/ir2130.pdfMicrochip – PIC16F84A Datasheethttp://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/35007b.pdfAvago Technologies – HCPL-2531 Datasheethttp://www.avagotech.com/Krishnan R (2001). Electric Motor Drives:Modelling, Analysis, and Control, Prentice Hall,Cap. 7, New Jersey.Mohan N., T.M. Undeland and W.P. Robbins (1995).Power electronics: Converters, Applications andDesign, John Wiley & Sons, Inc., 2nd. Edition,Cap. 8, New York.Rashid M H (1995). Electrónica de Potencia:Circuitos, Dispositivos y Aplicaciones, PrenticeHall, 2nd. Edition, Cap. 10, México.Como trabajo futuro se pretende implementar uncontrol de velocidad, con el DSC, de lazo cerradopara un motor de inducción como trabajo final de lacarrera. Paralelamente, se implementará una interfasegráfica que pueda comandar las diferentes topologíasque se implemente para el entrenamiento en lasmaterias afines.