INSTITUTOPOLITECNICONACIONALESCUELASUPERIORDEINGENIERIAMECANICAYELECTRICA

UNIDADPROFESIONALADOILFOLPEZMATEOS

DISEO DE UN CONTROL DE VELOCIDAD DE UN MOTOR DE INDUCCIN DE 220VCA

TESIS

QUEPARAOBTENERELTITULODE:

INGENIEROENCONTROLYAUTOMATIZACIN

PRESENTAN:

SAMUELCHVEZIBARRAHUMBERTOJIMNEZHERRERA

ASESORES:

DR.RALCORTESMATEOS

ING.IGNACIOMARTNEZSNCHEZ

MEXICO,D.F.2009

IPN ESIME-ZACATENCO OBJETIVO

2EMHWLYR

Disear un control de velocidad a lazo abierto para un motor de induccin de 220VCA de 1.5Hp por medio de un modulo inversor de potencia inteligente (FSBS10CH60) de la marca Fairchild en su interfaz de potencia y un microcontrolador DSP (56F8300) de la marca Freescale en la parte de la interfaz de control.

IPN ESIME-ZACATENCO JUSTIFICACIN

ii

-XVWLILFDFLyQ

Histricamente, los variadores de velocidad fueron desarrollados

originalmente para el control de procesos, pero el ahorro energtico ha surgido como un objetivo tan importante como el primero.

La velocidad es un parmetro muy importante ya que en la mayora de los procesos se requiere trabajar a una cierta velocidad o variarla dependiendo de su funcin, el costo de estos variadores es elevado debido a las compaas que los producen.

La principal razn de desarrollar el control de velocidad es aplicar los conocimientos adquiridos durante nuestra formacin acadmica para el diseo de un control de velocidad a un motor de induccin de 220VCA de 1.5hp trifsico, usando el mdulo inteligente FSBS10CH60 de la marca Fairlchild y el DSP 568300 de la marca Freescale.

Estos mdulos nos ofrecen ventajas como son ahorros de energa, bajo

costo, compactos, silenciosos y bajo mantenimiento.

En la actualidad podemos variar la velocidad de los motores de induccin por frecuencia.

IPN ESIME-ZACATENCO INTRODUCCIN

iii

INTRODUCCIN.

El uso de motores de induccin en la industria ha tenido un crecimiento muy importante debido a su gran desempeo, bajo costo y poco mantenimiento comparndolos con los de CD, adems que en la actualidad se ha logrado variar su velocidad, lo cual anteriormente era muy complicado. Este ha sido el detonante de su aplicacin en la industria del control y la automatizacin.

Las nuevas tecnologas en la electrnica de potencia han logrado el desarrollo de sistemas con un alto ahorro de energa, menos ruido, menor tamao y bajo costo. Una de estas mejoras son los inversores de potencia con IGBTs que se presentan como una buena alternativa para el control de motores de CA.

Este avance en la tecnologa tambin abarca en la parte de programacin pudiendo mencionar a las herramientas del DSP, como es el Code Warrior, que contienen subrutinas de programacin para el control de motores por medio de la modulacin de ancho de pulso o por inyeccin de tercer armnico.

En este trabajo se presenta el diseo de un control de velocidad de un motor de induccin trifsico de 220 VCA de 1.5hp, por el mtodo de modulacin de ancho de pulso con la inyeccin de tercer armnico, dividido en cuatro captulos.

En el primer captulo se presenta una breve descripcin de los motores de induccin,

tanto su principio de funcionamiento, como su constitucin fsica, as como los distintos mtodos para la variacin de su velocidad.

En el captulo dos se muestran los diferentes elementos que conforman el sistema a

disear, dividido en dos partes; interfaz de potencia e interfaz de control. En la primera interfaz se compone de un convertidor de potencia y el inversor de potencia FSBS10CH60 de la marca Fairchild, la cual es parte fundamental del sistema. En la segunda interfaz, se explica de manera general el funcionamiento del Microcontrolador DSP 56F8300.

En el captulo tres se desarrolla la tarjeta de circuito impreso por medio del software

DXP 2004, siendo este una gran herramienta para la creacin de tarjetas impresas, ya que provee de precisin en la impresin de las huellas donde estarn soldados los componentes, ofreciendo adems una gran variedad de herramientas, siendo muy importante hoy en da. Sustentando lo anterior, muchas de las empresas o en su gran mayora, utilizan este software como un estndar, para la creacin de tarjetas.

En el cuarto captulo se realiza un estudio econmico a grandes rasgos de costo que

tiene el sistema tanto en capital humano y en los elementos que lo componen. Al final se dan las conclusiones sobre el trabajo junto con algunas recomendaciones

para futuros proyectos.

IPN ESIME-ZACATENCO NDICE

iv

1',&( INTRODUCCIN OBJETIVO. JUSTIFICACIN.

i.

ii.

iii.

&$378/2,0$5&27(5,&2

1.1.- Motor Elctrico. 1.2.- Clasificacin de los Motores Elctricos. 1.2.1.- Motores C.D. 1.2.2.- Motores C.A. 1.2.2.1.- Motores Sncronos y Asncronos. 1.3.- Motor de Induccin. 1.3.1.- Constitucin Fsica. - Partes Activas. - Placa de Bornes y Conexionado. 1.3.2.- Principio de Funcionamiento. 1.4.- Control de Velocidad de Motores de Induccin. 1.4.1.- Control de Velocidad del Motor de Induccin Mediante el Cambio del

nmero de Polos. 1.4.2.- Control de Velocidad Mediante el Cambio en la Frecuencia de la

Lnea. 1.4.3.- Control de Velocidad Mediante el Cambio en el Voltaje de Lnea. 1.4.4.- Control de Velocidad Mediante el Cambio de la Resistencia del Rotor. 1.5.- Controladores de Estado Slido para Motores de Induccin. 1.5.1.- Ajuste de Frecuencia (velocidad). 1.5.2.- Seleccin de Patrones de Voltaje y de Frecuencia.

1.5.3.- Proteccin del Motor.

1 1 1 3 3 5 5 9

11 11

14

17 18 20 23 23 23

IPN ESIME-ZACATENCO NDICE

v

&$378/2,,',6(f2'(/6,67(0$

2.1.- Diagrama a Bloques. 2.2.-Motor de Induccin para el cual se Diseo la Interfaz de Potencia. 2.3.- Interfaz de Potencia. 2.3.1.- Convertidores de Potencia. 2.3.2.- Rectificador de Potencia. 2.3.2.1.- Rectificador Monofsico de Media Onda. 2.3.2.2.- Rectificador Trifsico de Onda Completa. 2.3.2.3.- Seleccin del Puente Rectificador. 2.3.2.3.1.- Clculo del Capacitor del Bus de CD del Puente

Rectificador. 2.3.3.- Inversores de Potencia. 2.3.3.1.- Modulacin de Ancho de Pulso Sinusoidal. 2.3.3.2.- Modulacin de Ancho de Pulso Sinusoidal por Inyeccin de Tercer

Armnico. 2.3.4.- Mdulo Fairchild FSBS10CH60. 2.3.4.1.- Caractersticas. 2.3.4.2.- Descripcin del Mdulo

FSBS10CH60. 2.3.4.3.- Descripcin de los Pines del Mdulo FSB10CH60. 2.3.4.4.- Datos Importantes del Circuito Interno. 2.3.4.5.- Rangos Mximos Permitidos. 2.3.5.- Sistemas Auxiliares para la Interfaz. 2.3.5.1.- Protecciones de Sobretemperatura. 2.3.5.2.- Protecciones Contra Bajo Voltaje. 2.3.5.3.- Protecciones Contra Corto Circuito. 2.3.5.4.- Circuito Bootstrap. 2.3.5.5.- Interface Recomendada entre CPU I/ O Interface del Circuito. 2.4.- Interfaz de Control. 2.4.1.- Microcontrolador DSP 56F8300 2.4.1.1.- Diagrama a Bloques. 2.4.1.2.- Caractersticas de la Familia 56F83XX. 2.4.1.3.- Dispositivos del DSP Utilizados en la Etapa de Control. 2.4.1.4.- Control de Interrupciones. 2.4.1.5.- Mdulo PWM. 2.4.1.6.- Convertidor Analgico a Digital. 2.4.1.7.- Cudruple Temporizador de Propsito General. 2.4.1.8.- Interfaz de Comunicacin. 2.4.1.9.- Pines de Entrada y Salida de Propsito General. 2.4.1.10.- Puerto de Carga y Depuracin de Programas.

24 24 25 25 26 26 27 29 30

32 32 34

35 35 35

36 39 40 44 44 47 48 50 51 53 53 56 58 60 61 61 62 63 63 63 64

IPN ESIME-ZACATENCO NDICE

vi

&$378/2,,,

',6(f2'(/&,5&8,72,035(623$5$/$,17(5)$='(327(1&,$

3.1.- Reglas a Considerar en el Diseo del Circuito Impreso. 3.2.- Puntos Crticos en el Diseo de Circuitos Impresos. 3.2.1.- Cruzamiento de Pistas. 3.2.2.- Pistas Largas. 3.2.3.- Intensidad de Corriente. 3.2.4.- Componentes Fuera de la Placa. 3.2.5.- Plano de Tierra. 3.3.- Factores que Influyen en el Precio de un Circuito Impreso. 3.4.- Medios Necesarios para Realizar el Diseo de un Circuito Impreso por

Software. 3.5.- Informacin que se Requiere para la Fabricacin De Circuitos Impresos. 3.6.- Montaje de los Componentes en un Circuito Impreso. 3.7.- Diagramas Elctricos del Sistema en el Circuito Impreso. 3.8.- Diseo de la Tarjeta PCB del Sistema.

65 67 68 68 68 68 68 68 69

70 70 70 74

&$378/2,9

(678',2(&210,&2

4.1.- Costos de Ingeniera. 4.2.- Catalogo de Conceptos. &RQFOXVLRQHV\5HFRPHQGDFLRQHV5HIHUHQFLDV

79 79

82 83

$3e1',&(6Apndice A Norma IEEE 112. Apndice B Seleccin del Capacitor Bootstrap. Apndice C Fuentes de Alimentacin de 3.3VCD, 5VCD y 15VCD.

$1(;26 Amplificadores. Modulo Fairchild FSBS10CH60. Rectificador Trifsico. Fuentes de Alimentacin de 3.3VCD, 5VCD y 15VCD.

IPN ESIME-ZACATENCO NDICE

vii

INDICE DE FIGURAS.

FIGURA PGINA 1.1.- Motor de CD. 2 1.2.- Formas de onda de la F.e.m. Inducida a) una espira b) conjunto de espiras

conectadas en serie. 2

1.3.- Estructura de la mquina sncrona monofsica. 3 1.4.- Mquina sncrona trifsica. 4 1.5.- a),b) y c) Partes del motor de CA. 6 1.6.- Devanados del estator de un motor trifsico. 7 1.7.- Rotor jaula de ardilla. 7 1.8.-Rotor bobinado o de anillos. 8 1.9.- a) Placa de bornes de un motor trifsico; b) Conexin estrella; c) Conexin

Tringulo. 8

1.10.- Estator de un motor asncrono mostrando la caja de bornes a la derecha. 8 1.11.- Devanado de estator de dos polos para cambio de polos. 12 1.12.- Se muestra la vista en detalle de un devanado de polos cambiables. 12 1.13.- Control de frecuencia variable en un motor de induccin. 14 1.14.- Control de velocidad con voltaje de lnea variable en un motor de induccin. 17 1.15.- Control de velocidad por medio de la variacin de la resistencia del rotor de un

motor de induccin con rotor devanado. 18

1.16.- Controlador Mitsubishi en estado slido de frecuencia variable para un motor de induccin.

20

1.17.- Control de frecuencia con modulacin de amplitud de pulso PWM: a) onda PWM de 60Hz y 120V; b) Onda PWM de 30HZ y 120V.

21

1.18.- Control de voltaje variable con onda PWM: a) onda PWM 60Hz y 120V; b) onda PWM de 60Hz y 60V.

21

1.19.- Control de frecuencia y voltaje simultneo con onda PWM: a) onda de PWM de 60Hz y 120V; b) Onda PWM de 30Hz y 60V; c) onda PWM de 20Hz y 40V.

22

2.1.- Diagrama a bloques de la Interfaz. 24 2.2.- Motor de induccin trifsico que se tomo como capacidad de referencia para el

diseo de la interfaz de potencia. 24

2.3.- Rectificador Monofsico con carga Resistiva. 26 2.4.- Formas de onda de los voltajes de entrada y salida. 26 2.5.- Rectificador trifsico. 27 2.6.- Parte del circuito Rectificador Trifsico. 27 2.7.- Diodos conectados a carga. 28 2.8.- Resultado de la conexin de ambas partes del Rectificador. 28

2.9Diagrama elctrico y encapsulado del puente rectificador 26MT40. 30 2.10.- Ondas de voltaje de CA rectificado mostrado el periodo de conduccin desde Vmax

a Vmin. 30

2.11.- Diagrama elctrico d e la fuente de voltaje para el inversor trifsico. 31 2.12.- Termistor. 32 2.13.- Seales de Compuerta. 33 2.14.- PWM por inyeccin de tercer armnico. 34 2.15.- Diagrama interno del FSBB10CH60. 39

IPN ESIME-ZACATENCO NDICE

viii

2.16.- Tiempos de Switcheo de los IGBTs. 41 2.17.- Posicin del Mdulo. 43 2.18.- Analoga elctrica de la transferencia de calor: (a) estructura multicapa, (b)

Circuito equivalente basado en resistencias trmicas. 44

2.19. - Disipador W15 alphanovatech 15mm x15mm. 46 2.20.- Periodo de proteccin contra LVIC 47 2.21.- Periodo de proteccin contra HVIC. 48 2.22.- Periodo de proteccin contra Corto Circuito. 49 2.23.- Ejemplo tpico del circuito Bootstrap. 50 2.24.- Interface CPU Circuito FSBS10CH60. 51 2.25.- Aplicacin Tpica FSBS10CH60. 52 2.26.- Filtro con seal de salida. 54 2.27.- Circuito Equivalente usando un DSP. 55 2.28.- Diagrama a bloques del DSP. 56 2.29.- Se presentan los bloques perifricos del microcontrolador DSP56F8323, con al

siguiente descripcin general. 58

2.30.- Perifrico del Microcontrolador. 60 2.31.- Microcontrolador DSP 56F8323 vista general. 61 3.1.- Diseo de Pistas sugeridas. 65 3.2.- Habilitar el locked para fijar componentes los componentes. 67 3.3.- Diagrama elctrico de nuestro mdulo FSBS10CH60. 71 3.4.- Diagrama Elctrico del Rectificador Trifsico de Onda Completa. 72 3.5.- Diagrama Elctrico de los Amplificadores de corriente. 73 3.6.- Diagrama Elctrico Fuentes de Alimentacin de CD. 74 3.7.- Tarjeta PCB. 75 3.8.- Tarjeta PCB vista a color. 76 3.9.- Vista Posterior de la Tarjeta PCB 77 3.10.- Vista Inferior de la Tarjeta PCB 78

IPN ESIME-ZACATENCO NDICE

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INDICE DE TABLAS.

TABLA PGINA 2.1.- Especificaciones del motor de induccin ZDM3584T de Baldor Motors Drives. 25 2.2.- Parmetros principales y caractersticas nominales del rectificador 26MT40. 29 2.3.- Parmetros principales y caractersticas del termistor SL32 1R036 32 2.4.- Caractersticas del Modulo FSBB10CH60 35 2.5.- Que describen a los pines del Mdulo 36 2.6.- Rangos Mximos elctricos de la parte del Inversor 40 2.7.- Rangos Mximos elctricos de la parte de Control 40 2.8.- Rangos Mximos elctricos Totales del Sistema 40 2.9.- Rangos Mximos Resistencia Trmica 41 2.10(a).- Caractersticas Elctricas 41 2.10(b).- Caractersticas Elctricas 42 2.11.- Valores Recomendados para ptima operacin del mdulo 42 2.12.- Caractersticas Mecnicas y Rangos. 42 3.1 Espesores de las pistas recomendados para cierta cantidad de corriente. 66 4.1 Costos del personal que intervino en el proyecto. 79 4.2 Catalogo de conceptos. 80

IPN ESIME-ZACATENCO INGENIERIA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIN CAPTULO 1

&$378/2,0$5&27(5,&2

0RWRU(OpFWULFR Un motor elctrico es un dispositivo que puede convertir energa elctrica en energa mecnica. Los motores elctricos desarrollan sta conversin a travs de campos magnticos [1].

Los motores elctricos se encuentran en todos los mbitos de la vida cotidianamoderna. En el hogar, los motores elctricos hacen funcionar a los refrigeradores, lavadoras, aire acondicionado, aspiradoras, batidoras, ventiladores y muchos otros aparatos similares. En los talleres, los motores suministran la fuerza motriz para la mayora de las herramientas. En la industria tiene una amplia variedad de aplicaciones, por citar algunos ejemplos se encuentran: bandas transportadoras, trituradoras, cortadoras, molinos, etc. Los motores elctricos existen desde fracciones de HP (1/2HP), hasta valores muy grandes como 100 hp; es por eso que los motores elctricos son capaces de acoplarse a diferentes necesidades [1]. &ODVLILFDFLyQGHORV0RWRUHV(OpFWULFRV Los motores elctricos se clasifican en dos tipos [1]: - Motores CD - Motores CA Para nuestro diseo nos enfocaremos a los de motores de induccin C.A. 0RWRUHV&'

La estructura de stas mquinas es similar a la de la mquina sncrona (se ver en el siguiente tema) pero invertida, con el devanado inductor montado sobre los polos salientes en el estator y le devanado inducido alojado en las ranuras de un rotor cilndrico. El devanado inductor va alimentado en corriente directa CD. El devanado inducido es monofsico, con las espiras conectadas en serie (ver figura 1.1, se representa un devanado con una sola espira) y los extremos de cada bobina elemental van conectados a unas piezas de cobre denominadas delgasaisladas entre s, y que constituyen el colector [1].

[1] MAQUINAS ELCTRICAS Enriquez Harper.

IPN ESIME-ZACATENCO INGENIERIA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIN CAPTULO 1

2

Figura 1.1 Motor de C. D.

La tensin oscila entre un valor mximo y un valor nulo como muestra la figura

1.2a, pero cuando se aaden ms y ms espiras en serie los instantes en conmutacin en cada una se van desfasando en el tiempo y la f.e.m. total inducida toma un valor prcticamente constante [1].

Figura 1.2.- Formas de onda de la f.e.m. inducida a) Una espira b) Conjunto de espiras conectadas en serie [1].

Cuando se aplica el voltaje al motor CD circula la corriente hacia una escobilla del devanado del estator los conductores bajo el polo norte del campo lleva corriente en una direccin, en tanto que todos los conductores bajo los polos sur del campo llevan la corriente en direccin opuesta, cuando la armadura transporta corriente produce su propio campo magntico [1].

[1] MAQUINAS ELCTRICAS Enriquez Harper.

IPN ESIME-ZACATENCO INGENIERIA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIN CAPTULO 1

3

0RWRUHVGH&$

Los dos componentes bsicos de todo motor elctrico son el rotor y el estator. El rotor es una pieza giratoria, un electroimn mvil, con varios salientes laterales, que llevan cada uno a su alrededor un bobinado por el que pasa la corriente elctrica. El estator, situado alrededor del rotor, es un electroimn fijo, cubierto con un aislante. Al igual que el rotor, dispone de una serie de salientes con bobinados elctricos por los que circula la corriente con pequeas variaciones en la fabricacin de los bobinados y del conmutador del rotor. Segn su sistema de funcionamiento, se clasifican en motores de induccin asncronos, motores sincrnicos y motores de colector; para nuestro caso nos enfocaremos a los de induccin asncronos ya que es para el cual se realizar el diseo [2]. 0RWRUHV6tFURQRV\$VtQFURQRV

La mquina sncrona. Consta de un estator en forma de cilindro hueco, que dispone de ranuras practicadas en su superficie interior, paralelas a las generatrices del cilindro, en cuyo interior se alojan los conductores del devanado (A A en la figura). El rotor puede ser de polos salientes (en la Figura 1.3a se ha representado esquemticamente una mquina de dos polos), en cuyo caso las espiras de devanado del rotor abrazan el cuerpo de cada polo, o con forma de rotor liso, en cuyo caso el devanado del rotor tambin se aloja en ranuras situadas en la superficie lateral del cilindro (Figura 1.3b) [2].

Figura 1.3 Estructura de la mquina sncrona monofsica.

En cualquiera de los dos casos, las bobinas de rotor se conectan en serie entre s y se conectan a dos anillos rozantes de material conductor (aleacin de cobre) fijos sobre el eje pero aislados elctricamente de l, sobre los que hacen contacto unas escobillas de carbn (grafito) fijas carcasa y conectadas a una alimentacin exterior de corriente continua [2].

En reposo, al circular una corriente por el devanado inductor del rotor, se crea un flujo magntico que cruza el entrehierro saliendo por un polo Norte, recorriendo el circuito magntico del estator y retornando al rotor por un polo Sur [2].

De rotor liso. De polos salientes.

[2] MAQUINAS ELCTRICAS Javier Saenz Feito.

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4

Si hacemos girar el rotor a velocidad constante, el flujo abarcado por una espira situada en ranuras del estator diametralmente opuestas variar de forma senoidal, inducindose por tanto una tensin de frecuencia constante proporcional a la velocidad de giro del rotor. Si conectamos una resistencia a los extremos de esa espira, circular una corriente, y la potencia disipada en la resistencia proceder de la potencia mecnica puesta en juego para mover el rotor. Se obtiene as una mquina sncrona monofsica elemental [2].

Si ahora colocamos dos espiras ms en el estator desfasadas entre s 120, como se indica en Figura 1.4, aparecern en ellas los mismos fenmenos anteriores (tensiones y corrientes inducidas) pero con un desfase en el tiempo igual a 1/3 de perodo, correspondiente al tiempo que tarda el rotor en pasar por posiciones homlogas respecto de cada una de las tres espiras [2].

Figura 1.4 Mquina sncrona trifsica.

La Mquina Asncrona o de Induccin. En este tipo de mquinas tanto el rotor como el estator son cilndricos y disponen de ranuras regularmente espaciadas y paralelas a las generatrices de los cilindros, situadas en la cara interior del estator y en la exterior del rotor. La forma de los devanados del estator es idntica en lo esencial a los de las mquinas sncronas, mientras que el devanado del rotor lleva un devanado polifsico cerrado en cortocircuito sobre s mismo. Existen dos formas bsicas para el devanado del rotor. La ms frecuente consiste en rellenar las ranuras con barras de material conductor y unir los extremos de todas las barras con dos anillos conductores, devanado denominado de jaula de ardilla; la segunda consta de un devanado trifsico como el del estator, cuyos extremos se conectan a tres anillos sobre los que hacen contacto tres escobillas de carbn que se cortocircuitan exteriormente: son las mquinas de anillos rozantes o de rotor devanado [2].

En estas mquinas slo existe una alimentacin por el estator, las corrientes que circulan por el devanado del rotor son inducidas por el campo magntico creado por el devanado del estator, que hace el papel de inductor, razn por la cual este tipo de mquinas se denomina tambin mquina de induccin [2].

[2] MAQUINAS ELCTRICAS Javier Saenz Feito.

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0RWRUGH,QGXFFLyQ

La mayora de las mquinas elctricas en la industria son motores trifsicos de induccin tipo jaula de ardilla, normalmente son robustos, no son caros y requieren de muy poco mantenimiento, el rango de fabricacin de estos motores va desde unos cuantos watts hasta alrededor de 10000 HP [2].

Los motores trifsicos de induccin se construyen bsicamente en dos tipos, de acuerdo

al tipo de rotor o parte giratoria del motor [2]:

De jaula de ardilla. De rotor devanado.

De estos dos tipos, el de jaula de ardilla es el ms usado en la mayora de las

aplicaciones, especialmente las industriales.

&RQVWLWXFLyQ)tVLFD Como todas las mquinas asncronas o de induccin constan de una parte fija, o estator, y una parte mvil, o rotor, separadas por un pequeo espacio a aire denominado entre hierro, tanto el estator como el rotor o el entre hierro son parte del circuito magntico atravesado por el flujo comn de la mquina y juegan por tanto un papel activo en la conversin de energa. Es preciso diferenciar estas partes activas de la mquina de otras meramente estructurales como son: la carcasa exterior, los cojinetes o rodamientos y el eje figura 1.5a, b y c [2]. 3DUWHV$FWLYDV El estator est formado por un ncleo de chapas magnticas apiladas y aisladas entre s que aloja un devanado trifsico en las ranuras situadas en su superficie interior (ver figura 1.5a, b y c). Estas ranuras estn uniformemente distribuidas a lo largo de la periferia del estator de forma que la distribucin de conductores sea idntica para las tres fases del estator con la nica diferencia de que los conductores que ocupan posiciones homlogas en cada una de las fases estn desplazadas entre s 120 elctricos (ver figura 1.6) [2].

[2] MAQUINAS ELCTRICAS Javier Saenz Feito.

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Figura 1.5a) Figura 1.5b)

1.- estator; 2.- rotor; 3.- devanado del estator; 4.- devanado del rotor jaula de ardilla; 5.- anillos de cortocircuito; 6.- eje; 7.- escudos frontales anterior y posterior; 8.- ventilador; 9.- aletas de refrigeracin

externa. Figura 1.5c)

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7

$ %

Figura 1.6 Devanados del estator de un motor trifsico.

En la figura 1.6 A) observamos la disposicin frontal del devanado del estator de un motor trifsico de dos polos por simplicidad en la representacin se imagina que cada fase esta constituida por una sola bobina (el estator tiene 6 ranuras); y en la 1.6 B) se observa que en realidad el devanado esta repartido en las ranuras para una mejor distribucin de flujo como se muestran con 4 ranuras por cada fase [2].

El rotor se forma tambin a base de chapas magnticas pero tiene la forma de un

cilindro que alojan el devanado situadas en la superficie exterior y distribuidas tambin de manera uniforme. En la mayora de los casos las ranuras del motor estn inclinadas para mejorar la forma de onda de la f.m.m. (fuerza magnetomotriz) producida. Existen dos ejecuciones posibles para el devanado del rotor: de jaula de ardilla y bobinado o de anillos (tambin llamado rotor devanado). En el primer caso (ver figura 1.7) los huecos de las ranuras se rellenan de barras de aluminio fundido (u otro material conductor) que se unen en ambos extremos del rotor mediante unos anillos de corto circuito igualmente conductores, adoptando la forma de jaula de ardilla [2]. El rotor bobinado o de anillos est formado por un devanado trifsico similar al del estator (Figura 1.8). Las tres fases se conectan en estrella y los otros extremos libres se conectan a sendos anillos conductores, aislados entre s y respecto del eje, sobre los que hacen contacto unas escobillas de grafito [2].

Figura 1.7 Rotor jaula de ardilla

[2] MAQUINAS ELCTRICAS Javier Saenz Feito.

IPN ESIME-ZACATENCO INGENIERIA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIN CAPTULO 1

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Figura 1.8 Rotor bobinado o de anillos. 3ODFDGH%RUQHV\&RQH[LRQDGR La placa de bornes de un motor de induccin lleva seis terminales accesibles unidos directamente a cada una de las tres fases del estator. En el caso de motores de rotor devanado hay adems otros tres terminales correspondientes a los tres extremos de fase libres. Estos terminales reciben denominaciones normalizadas, los principios de fase con letras 8 9 : y los finales con las letras 8 9 : . En las disposicin normal, los extremos de una misma fase no estn alineados (Figura 1.9) con objeto de que sea fcil las conexiones estrella y tringulo con pletinas de cobre. En la figura 1.10 se muestra el estator de un motor asncrono mostrando la caja de bornes a la derecha [2].

Figura 1.9 a) Placa de bornes de un motor trifsico; b) Conexin estrella; c) Conexin Tringulo.

Figura 1.10 Estator de un motor asncrono mostrando la caja de bornes a la derecha.

La posibilidad de conexin de estos motores en estrella (Y) o en tringulo

permite el funcionamiento con dos tensiones distintas, la mayor corresponde a la conexin (Y) y la menor a la conexin ( ) [2].

[2] MAQUINAS ELCTRICAS Javier Saenz Feito.

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3ULQFLSLRGH)XQFLRQDPLHQWR Cuando los devanados del estator de una mquina asncrona trifsica se conectan a una red equilibrada, circula por ellos un sistema de corrientes trifsicas que crean, en virtud del teorema de Ferraris, una onda espacial de f.m.m. o campo magntico giratorio prcticamente senoidal y cuya velocidad angular, denominada velocidad de sincronismo 1), viene dada por la expresin [2]:

Siendo (p) el numero de pares de polos de la mquina y 1= 2I 1 la pulsacin de la corriente de alimentacin, es decir un ciclo de la onda sinoidal multiplicado por la frecuencia.

Manteniendo el rotor bloqueado (=0), el movimiento relativo del campo creado por el estator respecto de los conductores del rotor induce en ellos una f.e.m. (fuerza electromotriz) de la misma pulsacin 1 que al estar el devanado del rotor en cortocircuito, produce la circulacin de corrientes por sus conductores. En el caso de un rotor de jaula de ardilla, stas corrientes pueden circular libremente por toda la masa de los conductores que constituyen la jaula y los anillos. En el caso de motores con rotor devanado las corrientes circulan por los conductores aislados del devanado trifsico del rotor que tambin se encuentran en corto circuito por medio de los anillos y escobillas. En esta situacin, la mquina asncrona se comporta como un transformador con el secundario (el rotor) en cortocircuito, con la diferencia que ahora la induccin de la f.e.m. reproduce no por campo alternativo fijo en el espacio (f.e.m. de transformacin), si no por un campo de magntico de amplitud constante y giratorio del espacio (f.e.m. de movimiento) [2].

La interaccin del campo del estator con las corrientes del rotor produce en par de giro. Por el principio de accin reaccin, el sentido del par de giro es tal que trata de oponerse a la causa que lo ha producido, que no es mas que el desplazamiento relativo de las lneas de campo respecto a los conductores del rotor, si en stas condiciones dejamos que el rotor pueda girar libremente, el motor se pondr a seguir al campo magntico en su giro, acelerndose progresivamente.

[2] MAQUINAS ELCTRICAS Javier Saenz Feito.

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En cuanto empieza este movimiento, la carga conectada al eje comienza a ofrecer un par resistente que ser en general funcin de la velocidad. Incluso con el motor en vaco (sin carga) siempre existir al menos un pequeo par resistentes debido a los rozamientos con los cojinetes, la friccin con el aire, etc. [2].

Por esta razn la velocidad de giro del motor nunca puede alcanzar a la de campo

(velocidad de sincronismo), ya que, si esto ocurriera, dejara de inducirse f.e.m. en los conductores del rotor, dejara de circular corriente por ello, el par producido se hara nulo y se reducira la velocidad del motor. El rotor est, pues, condenado a girar a una velocidad asncrona, siempre menor a la de sincronismo. La velocidad del motor asncrono esta comprendida entre un 90% y un 99% a la de sincronismo [2].

[2] MAQUINAS ELCTRICAS Javier Saenz Feito.

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&RQWUROGH9HORFLGDGGH0RWRUHVGH,QGXFFLyQ

Hay dos tcnicas posibles para controlar la velocidad de un motor de induccin. Una consiste en la variacin de la velocidad sncrona, que es la velocidad de los campos magnticos del estator y del rotor, puesto que la velocidad del rotor siempre permanece cerca de nsinc (velocidad sncrona). La otra tcnica consiste en la variacin del deslizamiento del rotor para una carga dada [3].

La velocidad sncrona de un motor de induccin est dada por:

(1.1)

Donde: fe = Frecuencia del sistema en Hertz. P= Nmero de polos de la mquina.

Por lo que las nicas maneras en que se puede variar la velocidad sncrona de una mquina son:

1) Cambiando la frecuencia elctrica. 2) Cambiando el nmero de polos de la mquina en el estator. Se puede lograr el control del deslizamiento variando la resistencia del rotor o el voltaje

en los terminales del motor [3]. &RQWUROGH9HORFLGDGGHO0RWRUGH,QGXFFLyQ0HGLDQWHHO&DPELRGHOQ~PHURGH3RORVHay dos mtodos importantes para cambiar el nmero de polos en un motor de induccin.

1. Mtodo de polos consecuentes. 2. Devanados de estator mltiples.

1. El mtodo de polos consecuentes es un mtodo bastante viejo para controlar la

velocidad y se desarrollo originalmente en 1897. Se basa en el hecho de que el nmero de polos en los devanados del estator de un motor de induccin se puede cambiar con facilidad por un factor 2:1 simplemente cambiando las conexiones de las bobinas. La figura 1.11 muestra el estator de un motor de induccin de dos polos simple adecuado para el cambio de polos. Ntese que las bobinas individuales tienen un paso muy corto (de 60 a 90). La figura 1.12 ilustra la fase a de estos devanados en forma separada para tener una mayor claridad en el detalle [3].

nsinc =

120 fe P

[3] MAQUINAS ELCTRICAS J. Chapman Sthepen.

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Figura 1.11 Devanado de estator de dos polos para cambio de polos [3].

La figura 1.12a muestra el flujo de corriente en la fase a de los devanados del estator

en un instante durante la operacin normal. Ntese que el campo magntico deja al estator en el grupo de fase superior (polo norte) y entra en el estator en el grupo de fase inferior (polo sur). Por lo tanto este devanado produce dos polos magnticos del estator [3].

Figura 1.12 se muestra la vista en detalle de un devanado de polos cambiables.

En la figura 1.12 a) se muestra la configuracin de dos polos, una bobina es el polo norte y la otra es el polo sur; y en la 1.12 b) se muestra cuando se invierte la conexin de una de las bobinas, ambas son polos norte y el flujo magntico regresa al estator en puntos a la mitad del camino entre las bobinas, ambas son polos norte y el flujo magntico regresa al estator en puntos a la mitad del camino entre las dos bobinas. Los polos sur se llaman polos consecuentes y el devanado ahora es un devanado de cuatro polos [3].

a) b)

[3] MAQUINAS ELCTRICAS J. Chapman Sthepen.

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Ahora supngase que se invierte la direccin del flujo de corriente en el grupo de fase inferior en el estator, (vase la figura 1.12b). Entonces, el campo magntico dejar el estator tanto en el grupo de fase superior como en la inferior; cada uno ser un polo norte magntico. El flujo magntico en esta mquina debe regresar al estator entre los dos grupos de fase, produciendo un par de polos magnticos sur consecuentes. Ntese ahora que el estator tiene cuatro polos magnticos; el doble de los que tenia antes [3].

El rotor en un motor como este es de jaula, puesto que un rotor de jaula siempre tiene tantos polos inducidos como polos tiene el estator y por lo tanto se puede adaptar cuando cambia el nmero de polos en el estator y por lo tanto se puede adaptar cuando cambia el nmero de polos en el estator [3].

La principal desventaja del mtodo de polos consecuentes para cambiar la velocidad es que las velocidades deben tener una relacin 2:1. El mtodo tradicional para superar esta desventaja era utilizar 2. Estatores de devanados mltiples con diferentes cantidades de polos y energizar un solo grupo a la vez. Por ejemplo, un motor puede ser devanado con grupos de cuatro y seis polos devanados del estator y su velocidad sncrona en un sistema de 60Hz se puede cambiar de 1800 a 1200 r/min. Simplemente suministrando potencial al otro conjunto de devanados. Desafortunadamente, los estatores de devanados mltiples aumentan el costo del motor y slo se utilizan cuando es absolutamente necesario [3].

Si se combina el mtodo de polos consecuentes con el de estatores de devanados mltiples, se puede construir un motor de induccin con cuatro velocidades. Por ejemplo, con devanados separados de cuatro y seis polos se puede producir un motor de 60Hz capaz de operar a 600, 900, 1200 y 1800 r/min [3].

[3] MAQUINAS ELCTRICAS J. Chapman Sthepen.

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&RQWUROGH9HORFLGDG0HGLDQWHHO&DPELRHQOD)UHFXHQFLDGHOD/tQHD

Si se cambia la frecuencia elctrica aplicada al estator de un motor de induccin, la tasa de rotacin de sus campos magnticos nsinc cambiar en proporcin directa con el cambio de la frecuencia elctrica y el punto de vaci sobre la curva de la caracterstica par-velocidad cambiar con ella (figura 1.13). La velocidad sncrona del motor en condiciones nominales se conoce como velocidad base (1800r/min.). S se utiliza el control de frecuencia variable, se puede ajustar la velocidad del motor por arriba o por debajo de la velocidad base el controlador de la frecuencia variable de un motor de induccin debidamente diseado puede ser muy flexible. Puede controlar la velocidad de un motor de induccin dentro de un intervalo que va desde tampoco como 5% de la velocidad base hasta el doble de la velocidad base. Sin embargo, es importante mantener ciertos lmites en le voltaje y par del motor conforme se varia la frecuencia para asegurarse de que la operacin es segura [3].

En la figura 1.13a) Se muestra la familia de curvas caractersticas par-velocidad

para velocidades menores a la base (1800r/min), suponiendo que el voltaje de lnea se reduce linealmente con la frecuencia; y en la 1.13b) se muestra a la Familia de curvas caractersticas par-velocidad para velocidades mayores a la velocidad base (1800r/min), suponiendo que el voltaje en lnea se mantiene constante [3].

a)

b)

Figura 1.13. Control de frecuencia variable en un motor de induccin.

[3] MAQUINAS ELCTRICAS J. Chapman Sthepen.

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c) Familia de curvas caractersticas par-velocidad para todas las frecuencias.

Continuacin Figura 1.13.

Cuando se opera a velocidades menores a la velocidad base (1800r/min) del motor es necesario reducir el voltaje en los terminales aplicando al estator para obtener una operacin adecuada. El voltaje en los terminales aplicado al estator debe disminuir linealmente con el decremento en la frecuencia del estator. A este proceso se le llama degradacin. Si no se lleva a cabo, se saturar el acero en el ncleo del motor de induccin y fluirn corrientes de magnetizacin excesivas en la mquina [3].

Para entender la necesidad de la degradacin, recurdese que un motor de induccin es bsicamente un transformador que gira. Como en cualquier transformador, el flujo en el ncleo de un motor de induccin se puede calcular con la ley de Faraday:

(1.2)

Si se aplica un voltaje v(t) = VM sen wt al ncleo, el flujo UHVXOWDQWHHV

(1.3)

Donde:

N= Nmero de vueltas en la bobina. IOXMRTXHFLUFXODHQODERELQD

V(t)= voltaje inducido en la bobina. W= frecuencia elctrica. Np= numero de vueltas en la bobina primaria. VM= voltaje de magnetizacin.

Ntese que la frecuencia elctrica aparece en el denominador de la expresin. Por lo

tanto, si se disminuye en 10% la frecuencia elctrica aplicada al estator mientras que la magnitud del voltaje aplicada al estator permanece constante, el flujo en el ncleo del motor se incrementar en 10% y aumentar la corriente de magnetizacin del motor.

[3] MAQUINAS ELCTRICAS J. Chapman Sthepen.

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En la regin no saturada de la curva de magnetizacin del motor, el incremento en la corriente de magnetizacin tambin ser de 10%. Sin embargo, en la regin saturada de la curva de magnetizacin del motor, un incremento de 10% en el flujo requiere un incremento mucho ms grande en la corriente de magnetizacin [3].

Normalmente, los motores de induccin estn diseados para operar cerca del punto de saturacin de las curvas de magnetizacin, por lo que un incremento en el flujo debido a un decremento en la frecuencia provocar que fluyan corrientes de magnetizacin excesivas en el motor [3].

Para evitar las corrientes de magnetizacin excesivas, se acostumbra disminuir el voltaje aplicado al estator en proporcin directa con la disminucin en la frecuencia siempre que sta caiga por debajo del valor de la frecuencia nominal del motor. Puesto que el voltaje aplicado y aparece en el numerador de la ecuacin (1.3) y la frecuencia w aparece en el denominador de la ecuacin (1.3), los dos efectos se contrarrestan entre s y la corriente de magnetizacin no se ve afectada [3].

Cuando se vara en forma lineal el voltaje aplicado a un motor de induccin con una frecuencia menor a la velocidad base, el flujo en el motor permanecer aproximadamente constante. Por lo tanto, el par mximo que el motor puede suministrar permanece relativamente alto. Sin embargo, la potencia mxima nominal del motor debe decaer en forma lineal con las disminuciones de la frecuencia para proteger el circuito del estator de un sobrecalentamiento. La potencia suministrada a un motor de induccin trifsico est dada por [3]:

Si se disminuye el voltaje VL, entonces la potencia mxima P tambin se debe

disminuir, de otro modo la corriente que fluye en el motor ser excesiva y el motor se sobrecalentar. La figura 1.13a muestra una familia de curvas caractersticas par-velocidad de un motor de induccin para velocidades por debajo de la velocidad base, suponiendo que la magnitud del voltaje del estator vara en forma lineal con la frecuencia [3].

Cuando la frecuencia elctrica aplicada al motor excede la frecuencia nominal (60Hz) del motor, el voltaje del estator se mantiene constante en su valor nominal (220VCA). Aunque ciertas consideraciones de saturacin permiten que el voltaje se eleve por arriba de su valor nominal en estas circunstancias, est limitado al voltaje nominal para proteger el aislamiento del devanado del motor. Mientras ms alta sea la frecuencia elctrica por arriba de la velocidad base, mayor ser el denominador de la ecuacin (1.3). Puesto que el numerador se mantiene constante por arriba de la frecuencia nominal, el flujo resultante en la mquina disminuye y el par mximo se incrementa. La figura 1.13b muestra una familia de curvas caractersticas par-velocidad de un motor de induccin para velocidades por arriba de la velocidad mxima, suponiendo que el voltaje en el estator se mantiene constante [3].

[3] MAQUINAS ELCTRICAS J. Chapman Sthepen.

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Si el voltaje en el estator vara linealmente con la frecuencia por debajo de la velocidad base y se mantiene constante en un valor nominal superior a la velocidad base, entonces la familia resultante caracterstica par-velocidad ser la que se observa en la figura 1.13c [3].

En el pasado la principal desventaja del control de la frecuencia elctrica como mtodo para cambiar la velocidad era que se requera un generador o cambiador mecnico de frecuencia exclusivo para que operara. Este problema ya no existe por el desarrollo de los controladores de frecuencia variable de motor en estado slido modernos. De hecho, el cambio de la frecuencia en la lnea por medio de controladores de motor en estado slido se ha convertido en el mtodo favorito para controlar la velocidad de un motor de induccin [3].

Ntese que este mtodo se puede utilizar en cualquier motor de induccin, a diferencia de la tcnica de cambio de polos, que requiere un motor con devanados del estator especiales. En el tema 1.6 se explicar ms a detalle los controladores de frecuencia variable de motor en estado slido [3].

Figura 1.14 Control de velocidad con voltaje de lnea variable en un motor de induccin.

&RQWUROGH9HORFLGDG0HGLDQWHHO&DPELRHQHO9ROWDMHGH/tQHD

El par desarrollado por un motor de induccin es proporcional al cuadrado del voltaje aplicado. Si una carga tiene una caracterstica par-velocidad como la que se muestra en la figura 1.14, entonces la velocidad del motor se puede controlar dentro de un intervalo limitado por medio del cambio en el voltaje de lnea. Este mtodo de control de velocidad a veces se utiliza para manejar pequeos motores de ventilacin [3].

[3] MAQUINAS ELCTRICAS J. Chapman Sthepen.

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&RQWUROGHYHORFLGDGPHGLDQWHHOFDPELRGHODUHVLVWHQFLDGHOURWRU

En los motores de induccin con rotor devanado es posible cambiar la forma de la curva par -velocidad por medio de la insercin de resistencias extra en el circuito del rotor de la mquina. En la figura 1.15 se muestran las curvas caractersticas par-velocidad resultantes [3].

Figura 1.15 Control de velocidad por medio de la variacin de la resistencia del rotor de un motor de induccin

con rotor devanado.

Si la curva par-velocidad de la carga es la que se observa en la figura 1.15, entonces el cambio en la resistencia del rotor cambiara la velocidad de operacin del motor. Sin embargo, insertar resistencia extra al circuito del rotor de un motor de induccin reduce en forma severa la eficiencia de la mquina. Este mtodo de control de velocidad normalmente slo se utiliza por periodos cortos por el problema con la eficiencia [3].

[3] MAQUINAS ELCTRICAS J. Chapman Sthepen.

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Recordemos que los motores de CA toman potencia elctrica y producen potencia mecnica. En ambos casos, no toda la potencia de entrada a las mquinas se transforma en til en el otro extremo; siempre hay perdidas asociadas con el proceso. La eficiencia de una mquina se define por medio de la ecuacin: (3) La diferencia entre la potencia de entrada y la potencia de salida de una mquina son las prdidas que se presentan dentro de ella. Por lo tanto.

Donde: (ILFLHQFLD

Psal = Potencia de salida. Pentr = Potencia de entrada. Pperd = Potencia perdida.

Algunas de estas perdidas pueden ser perdidas elctricas o perdidas en el cobre, que

son las que ocurren por calentamiento resistivo que se presentan en el devanado del estator; y perdidas en el ncleo que son las perdidas por corrientes parsitas que se presentan en el metal del motor. Solo por mencionar algunas [3].

Psal Pentr

* 100%

Psal-Pperd Pentr

* 100%

[3] MAQUINAS ELCTRICAS J. Chapman Sthepen.

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&RQWURODGRUHVGH(VWDGR6yOLGRSDUD0RWRUHVGH,QGXFFLyQ

El mtodo preferido hoy en da para controlar la velocidad de los motores de induccin son los controladores de frecuencia variable para motores de induccin de estado slido. En la figura 1.16se muestra un controlador tpico de este tipo. Los controladores de motores de induccin, como el antes descrito, son tan flexibles y confiables que los motores de induccin con estos controladores estn desplazando a los motores de CD en muchas aplicaciones que requieren una amplia gama de variacin de velocidad [3].

El controlador es muy flexible: su potencia de entrada puede ser monofsica o trifsica, a o 60 Hz y entre 208 y 230 V. La forma de salida de este controlador es un conjunto de voltajes trifsicos cuya frecuencia puede variar entre 0 y 120 Hz y cuyo voltaje puede variar de 0V hasta el voltaje nominal del motor para nuestro caso 220V [3].

Figura 1.16 Controlador Mitsubishi en estado slido de frecuencia variable para un motor de induccin.

El voltaje de salida y control de frecuencia se lleva a cabo por medio de las tcnicas de modulacin de amplitud de pulso (PWM) que se describirn en el capitulo 2 Tanto la frecuencia como el voltaje de salida se pueden controlar independientemente por medio de la modulacin de la amplitud de pulso. En la figura 1.17 se puede observar la forma en que un controlador PWM puede controlar la frecuencia de salida mientras mantiene un nivel de voltaje rms constante, en tanto que la figura 1.18 ilustra la forma en que el controlador PWM puede controlar el nivel de voltaje rms mientras mantiene la frecuencia constante [3].

[3] MAQUINAS ELCTRICAS J. Chapman Sthepen.

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Figura1.17 Control de frecuencia con modulacin de amplitud de pulso

PWM: a) onda PWM de 60Hz y 120V; b) Onda PWM de 30HZ y 120V.

Figura 1.18 Control de voltaje4 variable con onda PWM: a) onda PWM 60Hz y 120V; b)

onda PWM de 60Hz y 60V.

Como se describir en el capitulo 2, a menudo se desea variar la frecuencia de salida y el voltaje rms de salida en su conjunto de manera lineal. En la figura 1.19 se pueden ver ondas tpicas de voltaje de salida de una fase del controlador para una situacin en la que la frecuencia y el voltaje varan simultneamente de manera lineal [3].

[3] MAQUINAS ELCTRICAS J. Chapman Sthepen.

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* La figura 1.18a ilustra el voltaje de salida ajustado a una frecuencia de 60 Hz y un voltaje rms de 120 V [3]. La figura 1.18b muestra la salida ajustada a una frecuencia de 30 Hz y un voltaje mis de 60 V y en la figura 1.19c se observa la salida ajustada a una frecuencia de 20 Hz y un voltaje rms de 40 V. Ntese que el voltaje pico que sale del controlador permanece igual en los tres casos; el nivel del voltaje rms se controla por la fraccin de tiempo en que el voltaje est encendido y la frecuencia se controla por la tasa a la que la polaridad de los pulsos cambia de positivo a negativo y de regreso [3]. *Las ondas de salida de la figura 1.19 son en realidad ondas simplificadas. El controlador de un motor de induccin real tiene una frecuencia portadora mucho mayor a la que se muestra en la figura [3].

Figura 1.19 Control de frecuencia y voltaje simultneo con onda PWM: a) onda de PWM de 60Hz y 120V; b) Onda

PWM de 30Hz y 60V; c) onda PWM de 20Hz y 40V.

[3] MAQUINAS ELCTRICAS J. Chapman Sthepen.

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$MXVWHGHIUHFXHQFLDYHORFLGDGLa frecuencia de salida del controlador se puede manejar de manera manual con un

control montado en el gabinete de mando o remotamente con una seal de voltaje o corriente externos. La habilidad de ajustar la frecuencia del controlador en respuesta a alguna seal externa es muy importante, puesto que permite que una computadora o controlador de procesos externos regule la velocidad del motor de acuerdo con las necesidades generales de la planta en la que est instalado [3].

6HOHFFLyQGHSDWURQHVGHYROWDMH\GHIUHFXHQFLDLos tipos de cargas mecnicas que se pueden imponer a un motor de induccin

varan mucho. Algunas cargas como los ventiladores requieren un par pequeo en el arranque (u operar a bajas velocidades) y tener pares que se incrementen con el cuadrado de la velocidad. Otras cargas pueden ser ms difciles de arrancar y requieren un par mayor al nominal a plena carga del motor para que la carga se comience a mover. Este control proporciona una gran variedad de patrones de voltaje y frecuencia que se pueden seleccionar para conseguir que el par del motor de induccin sea igual al par que requiere su carga [3].

3URWHFFLyQGHOPRWRUEl controlador de un motor de induccin tiene una variedad de elementos diseados

para proteger el motor adjunto al controlador. El controlador puede detectar las corrientes de estado estacionario excesivas (una condicin de sobrecarga), corrientes instantneas excesivas, condiciones de sobrevoltaje o de bajo voltaje. En cualquiera de estos casos se apagar el motor [3]. (Los detalles exactos sobre cmo se debe llevar acabo cada prueba con del motor de induccin para obtener resultados exactos se describen en la Norma IEEE 112 Apndice A. )

[3] MAQUINAS ELCTRICAS J. Chapman Sthepen.

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'LDJUDPDD%ORTXHV

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Z[6[

,17(5)$='(327(1&,$

,17(5)$='(&21752/ Figura 2.1.- Diagrama a Bloques de la Interfaz.

0RWRUGHLQGXFFLyQSDUDHOFXDOVHGLVHxRODLQWHUID]GHSRWHQFLD

Para comenzar con el diseo de la interfaz de potencia primeramente es necesario conocer la capacidad mxima y caractersticas de la carga para la cual ser diseada. El motor que se tomo como capacidad mxima de referencia para el diseo de la interfaz se muestra en la figura 2.2; ste es un motor de CA de induccin jaula de ardilla de Baldor Motors and Drives y tiene los datos y especificaciones que se muestran en la tabla 2.1 [9]:

Figura 2.2 Motor de induccin trifsico que se tomo como capacidad de referencia para el diseo de la interfaz de

potencia.

[9] www.baldor.com/products/detail.

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Tabla 2.1. Especificaciones del motor de induccin ZDM3584T de Baldor Motors Drives [9].

ESPECIFICACIONES:

POTENCIA 1.5 HP o 1.12 KW VOLTAJE 230/460V FRECUENCIA 60HZ FASES 3 CORRIENTE A PLENA CARGA 4.2/2.1 A CORRIENTE DE ARRANQUE 16A VELOCIDAD 1750 RPM FACTOR DE SERVICIO 1.0 CDIGO DE DISEO NEMA B CLASE DE AISLAMIENTO H EFICIENCIA A PLENA CARGA 87.5% FACTOR DE POTENCIA 78.0%

,QWHUID]GH3RWHQFLD En esta seccin presentamos la parte de potencia del diagrama a bloques, dando una breve explicacin terica del funcionamiento de los elementos que la componen, profundizando en el mdulo Fairchild FSBS10CH60. &RQYHUWLGRUHVGH3RWHQFLD Como se puede ver en el esquema de la figura 2.1, los convertidores de potencia son mdulos principales que conforman una interfaz de potencia. Para el control o el accionamiento de la potencia elctrica, es necesario en al conversin de esta de una forma a otra, y que las caractersticas de conmutacin de los dispositivos de potencia permitan esas conversiones. Los convertidores de potencia hacen estas funciones y se clasifican bsicamente en 5 tipos: [4] 1.- Convertidores de CA CD (rectificadores a diodos y rectificadores controlados). 2.- Convertidores de CA CA (controladores de voltaje de CA). 3.- Convertidores de CD CD (convertidores de CD) 4.- Convertidores de CD CA (inversores). 5.- Interruptores Estticos. De acuerdo con la afliccin y siguiendo el orden esquemtico de la figura 2.1, se requiere primeramente de un rectificador. Este es el primer convertidor que se selecciono. Se diseo el filtro utilizando un capacitor para la salida de este convertidor para obtener el voltaje de CD que se requiere a la entrada del inversor.

[4] ELETRNICA DE POTENCIA Muhammad Rashid. [9] www.baldor.com/products/detail.

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5HFWLILFDGRUHVGH3RWHQFLD Un circuito rectificador es aquel que convierte potencia de C. A. en potencia C. D. Hay muchos circuitos rectificadores diferentes que producen varios grados de aplanamiento en su salida de C. D. Los cuatro circuitos rectificadores ms comunes son:

El rectificador de media onda. El puente rectificador de onda completa. El rectificador trifsico de media onda. El rectificador trifsico de onda completa.

Una buena medida del aplanamiento del voltaje de salida de C. D. de un circuito rectificador es el factor rizado (factor de ondulacin) de la salida de C. D. [3]. 5HFWLILFDGRUHVGH0RQRIiVLFRVGH0HGLD2QGD Un rectificador es un circuito que convierte una seal de corriente alterna en una seal unidireccional. Un rectificador monofsico de media onda es el tipo ms sencillo, pero no se utiliza normalmente en aplicaciones industriales. Sin embargo resulta til para comprender el principio de operacin de los rectificadores. En la figura 2.3 aparece el diagrama de circuito con carga resistiva. Durante medio ciclo positivo del voltaje de entrada, el diodo D1 conduce y el voltaje de entrada aparece a travs de al carga. Durante medio ciclo negativo del voltaje de entrada, el diodo est en condicin de bloqueado y el voltaje de salida es cero. Las formas de onda de los voltajes de entrada y salida se muestran en la figura 2.4. [4]

Figura 2.3.- Rectificador Monofsico con carga Resistiva.

Figura 2.4.- Formas de onda de los voltajes de entrada y salida.

[3] MAQUINAS ELCTRICAS J. chapman Stephen [4] ELETRNICA DE POTENCIA Muhammad Rashid.

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5HFWLILFDGRU7ULIiVLFRGH2QGD&RPSOHWD En la figura 2.5 se muestra un rectificador trifsico de onda completa. Bsicamente un circuito de este tipo se puede dividir en dos componentes: una parte del circuito; figura 2.6, tiene la funcin de conectar a la carga el mayor de los tres voltajes en cualquier momento dado; la otra parte del circuito consta de de tres diodos orientados con los nodos conectados a la carga y los ctodos conectados a los voltajes suministrados (figura 2.7). Este arreglo se conecta a la carga, en cualquier momento dado, el menor de los tres voltajes suministrados. Por lo tanto, el rectificador trifsico de onda completa conecta en todo momento el mayor de los tres voltajes a un extremo de la carga y siempre conecta el menor de los voltajes al otro extremos de la carga. En la figura 2.8 se muestra el resultado de esta conexin.

Figura 2.5.- Rectificador trifsico.

Figura 2.6.- Parte del circuito Rectificador Trifsico.

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Figura 2.7.- Diodos conectados a carga.

Figura 2.8.- Resultado de la conexin de ambas partes del Rectificador.

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6HOHFFLyQGHOSXHQWHUHFWLILFDGRU

La seleccin del puente rectificador trifsico se hace principalmente de acuerdo a la corriente y el voltaje que debe soportar el dispositivo. La corriente de la carga al arranque es de 16A y un voltaje trifsico de 220V. Se seleccion el rectificador trifsico 26MT40 de Internacional Rectifier (IR), es un rectificador trifsico en puente, compacto que soporta hasta 25A, encapsulado, que brinda eficiencia y confiabilidad de operacin. Diseado para propsitos generales y aplicaciones de instrumentacin; las caractersticas principales se muestran en la tabla 2.2 y figura 2.9 [5].

Tabla 2.2 Parmetros principales y caractersticas nominales del rectificador 26MT40.

Parmetros 26MT Unidades

25 A I0 @Tc 70 C

360 A IFSM @ 50Hz @ 60Hz 375 A I2t @50Hz 635 A2 @60Hz 580 A2S VRRM Rango 100 a 1600 V TJ -55 a 150 C

Donde: I0 Corriente Mxima de salida DC

IFSM Corriente mxima de pico I2t Unin mxima VRRM Voltaje mximo de unin TJ Temperatura mxima de unin Caractersticas del puente rectificador.

Encapsulado con alta conductividad trmica. Aislamiento elctrico del casco. 5 terminales soldables.

[5] INTERNATIONAL IOR RECTIFIER Three Phase Bridge .

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(a) (b)

Figura 2.9Diagrama elctrico y encapsulado del puente rectificador 26MT40. &iOFXORGHO&DSDFLWRUGHO%XVGH&'GHO3XHQWH5HFWLILFDGRU

El voltaje de salida despus de ser rectificado tiene las formas de onda que se muestran en la figura 2.10 este voltaje no es continuo y por lo tanto el promedio del mismo es menor, por tal razn, es necesario hacer un filtrado, disminuyendo al mximo el rizo de las formas de onda y aumentando el voltaje promedio a la salida del rectificador [6].

Figura 2.10. Ondas de voltaje de CA rectificado mostrado el periodo de conduccin desde Vmax a Vmin.

Para disminuir este rizo se utiliza un capacitor electroltico. Esta capacitancia est

en funcin inversa de la diferencia de voltaje permitida, DV, y se puede calcular con la siguiente ecuacin 2.1 [6]. Donde: Pin = Potencia de la carga, en watts. Vmax = Voltaje de pico en lnea. Vmin = Voltaje mnimo permitido. DV = Vmax - Vmin.

Se debe tener en cuenta que los capacitores electrolticos pierden algo de capacitancia a travs del tiempo, por lo tanto, se debe considerar una tolerancia al valor de la capacitancia inicial al momento de la seleccin [6].

2Pin Cmn =

(V2max V2min ) frect

Ecuacin (2.1)

[6] INTERNATIONAL IOR RECTIFIER Application note-1044 .

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Para este diseo se tienen los siguientes datos: Pin = 1.12Kw, potencia del motor. Vmax = Vlnea x [ 9 Vmin = 300V propuesto. frect = flnea x 6, donde 6 es el nmero de pulsos por ciclo. Por lo tanto, para este caso es: = 60*6=360Hz Sustituyendo estos valores en la ecuacin (2.1) se tiene: De acuerdo al clculo anterior se debe poner como mnimo una capacitancia de I3DUDste diseo utilizaremos una capacitancia de 1360 IHQHOEXVGHFRUULHQWHdirecta como se ve en la figura 2.11.

Figura 2.11.- Diagrama elctrico d e la fuente de voltaje para el inversor trifsico

La fuente de voltaje que alimenta al inversor se muestra en la figura 2.10se puede ver la conexin del puente rectificador trifsico 26MT40 y el capacitor del bus de corriente directa.

El termistor SL321R036 que se ve en la figura2.12se utiliza como una tcnica de

arranque suave para evitar el pico de corriente de carga del capacitor debido a las inductancias del cableado o algn transitorio de voltaje cuando ste se conecta a la lnea. Sus caractersticas se muestran en la tabla 2.3 [12].

0.0009258= I 2 (1.12 x 103)

Cmn = (3112 3002) (360)

[12] AMETHERM SL32 1R036.

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Tabla 2.3 Parmetros principales y caractersticas del termistor SL32 1R036 [12]

Resistencia @ 25C Estado mximo de corriente Arriba de 65C

36.0 A

Rango mximo de energa recomendado

160.0 J

Resistencia @ 100 % de Mxima corriente

Resistencia @ 50% de mxima corriente

Temperatura @ Mxima corriente

204 C

Disipacin Constante 45.4 mW/C Constante de tiempo trmica 245 segundos Tipo de material C Capacitancia Mxima @ 2280 Vrms

)

Figura 2.12.- Termistor

,QYHUVRUHVGH3RWHQFLD Los convertidores de C. D. a C. A. se conocen como inversores. La funcin de un inversor es cambiar un voltaje de entrada en C. D. a un voltaje simtrico de salida en C. A. con la magnitud y frecuencia deseadas. Tanto el voltaje de salida como la frecuencia pueden ser fijos o variables. Se puede obtener el voltaje de salida variable por modulacin de ancho de pulso (PWM). [4] 0RGXODFLyQGH$QFKRGH3XOVR6LQXVRLGDO La modulacin de ancho de pulso es el proceso de modificar el ancho de los pulsos en un tren de pulsos en razn directa de una pequea seal de control, se puede producir una seal de alta potencia cuyo voltaje promedio vara sinusoidalmente. El ancho de cada pulso vara en proporcin con al amplitud de una onda senoidal evaluada en el centro del mismo pulso.

[4] ELETRNICA DE POTENCIA Muhammad Rashid. [12] AMETHERM SL32 1R036.

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El factor de distorsin y las armnicas de menor orden se reducen en forma significativa. La seales de compuerta, como muestra la figura 2.13, se genera al comparar una seal senoidal de referencia con una onda portadora triangular de frecuencia fc se abrevia SPWM. La frecuencia de la seal de referencia frdetermina la frecuencia de salida del inversor, fo, y su amplitud pico, Ar , controla el ndice de modulacin, M, y en consecuencia, el voltaje rms de salida, Vo. El nmero de pulsos pro medio ciclo depende de la frecuencia portadora.

Figura 2.13.- Seales de Compuerta.

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0RGXODFLyQGH$QFKRGH3XOVR6LQXVRLGDOSRU,Q\HFFLyQGH7HUFHU$UPyQLFR

La seal de modulacin es generada mediante la inyeccin de armnicas seleccionadas en la onda senoidal. Esto da como resultado una forma de onda de cresta aplanada, y reduce la sobremodulacin, ver figura 2.14. Suministra una mayor amplitud de la fundamental y una menor distorsin del voltaje de salida [4].

Figura 2.14.- PWM por inyeccin de tercer armnico.

[4] ELETRNICA DE POTENCIA Muhammad Rashid.

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0RGXOR)DLUFKLOG El trmino ahorro de energa y funcionamiento silencioso son muy importantes en el mundo del control de velocidad de motores. Por la baja potencia en este tema, se han incrementado el nmero de necesidades de los usuarios hacia las compaas que desarrollan los controles; como son: control fijo y bajo costo. Una importante consideracin justificando el uso de los inversores en stas aplicaciones es para optimizar el desempeo en proporcin al control total del sistema. En otras palabras, los sistemas tiene que ser menos ruidosos, ms eficientes, ms pequeos y ligeros, ms avanzados en su funcionamiento y ms exactos en el control con un bajo costo. En reaccin a estas necesidades, Fairchild ha desarrollado una nueva serie de dispositivos compactos de potencia de alta funcionabilidad y gran eficiencia llamados MOTION SPM in MINIDIP . Este dispositivo basado en inversores son ahora considerados una eficiente alternativa. Que en su mayora son utilizados en maquinas de lavadora, aires acondicionados y bombas de agua. Este MOTION SPM combina los ptimos circuitos de proteccin y el manejo de las caractersticas de los IGBTs. La fiabilidad del sistema proporciona proteccin contra bajos voltajes y cortos circuitos [7]. &DUDFWHUtVWLFDV

Tabla 2.4.- Caractersticas del Modulo FSBB10CH60 [7] 5DQJRV1XPHURGH

SDUWH &RUULHQWH$ 9ROWDMH9(PSDTXH 9ROWDMHUPV 3ULQFLSDOHV

$SOLFDFLRQHV

)6%%&+

&HUiPLFR

9UPV6LQXVRLGDO

$LUHV$FRQGLFLRQDGRV

%RPEDVGH$JXD

'HVFULSFLyQGHO0yGXOR)6%&+

El aumento del rendimiento de este equipo es primeramente el resultado del avance de la tecnologa de aparatos de control (por ejemplo los IGBTs) en los circuitos inversores de tres fases. El objetivo del diseo es para reducir el tamao e incrementar la densidad de corriente de estos aparatos de potencia. Los variadores de alta y baja velocidad fueron diseados para tener la funcionabilidad mnima necesaria que requieren los inversores de baja potencia. Los variadores de Alta velocidad tienen un nivel de voltaje fijo cambiando la seal de referencia del PWM que asigna a una puerta del IGB. Este nivel cambia la activacin de los optoacopladores de interface hacindolo un sistema simple. La incorporacin de un candado de bajo voltaje fijo como proteccin que interrumpe los IGBTs cuando operan por debajo del voltaje del que fueron diseados.

[7] FAIRCHILD User s Manual FSBS10CH60

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El reciente progreso de esto variadores de alta velocidad incluye un chip de pequeo tamao. La entrada de control lgico cambia de la convencional activacin de baja potencia a la de alta potencia, permitiendo la interface de los microcontroladores DSP. Esto provee un incremento de la inmunidad a ruidos [7]. 'HVFULSFLyQGHORV3LQHVGHO0yGXOR)6%&+

Tabla 2.5 que describen a los pines del Mdulo [7].

[7] FAIRCHILD User s Manual FSBS10CH60

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Pines VB(U) VS(U), VB(V) VS(V), VB(W) VS(W).

- Estos pines suministran potencia al lado alto de la puerta del IGBT. - La habilidad del circuito Bootstrap es que no requiere fuente externa requerida para

los IGBT. - Cada capacitor del Bootstrap es cargado por Vcc durante el estado de encendido,

correspondiente al lado bajo del IGBT. - Para prevenir el mal funcionamiento por ruido y suministro del voltaje se deben

colocar filtros capacitivos muy cerca de estos pines. Pines: VCC(L), VCC(UH), VCC(VU), VCC(WU). Pin: COM

- El pin comn del modulo tiene el control de tierra del Circuito Integrado. - Para evitar influencias de ruidos de la fuente de alimentacin no debe de estar

puesto para alimentar este pin. Pines de Seal de Entrada: IN(UL), IN(VL), IN(WL), IN(UH), IN(VH), IN(WH).

- Son pines para el control de operacin del IGBT. - Son activados por la seal de voltaje de entrada. Las terminales internamente

conectadas a un circuito disparador integrado de 5V de la clase CMOS. - La seal lgica de estos pines se activarn en estado alto. - El IGBT esta asociado con cada uno de estos pines que sern turnados en ON

(encendido cuando un voltaje lgico sea suficiente para los pines). - Para prevenir seales de oscilacin es recomendable instalar un filtro RC.

Pines de Deteccin de baja corriente: CSC.

- El sensado de la corriente del resistor shunt debe estar conectado entre el pin CSC y el comn para detectar baja corriente.

- Un filtro RC debe estar conectado en el pin CSC para eliminar ruido. Pines de Falla: FO.

- Este es un pin de seal de alarma. Se activa cuando existe alguna falla en el SPM. Las condiciones de alarma son: corto circuito, alto voltaje y bajo voltaje.

Pin de tiempo de falla de salida: CFOD

- Este es el pin para seleccionar la falla de salida. - Un capacitor externo debe estar conectado entre este pin y COM. - El tiempo tFOD depende de la capacitancia de CFOD de acuerdo a la siguiente

ecuacin: CFOD = 18.3 x 10 -6 x tFOD.

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Pin DC positivo.

- Este es la unin con el suministro de la fuente de poder del inversor. - Esta internamente conectado a los colectores de estado alto de los IGBT s. - Conectar un filtro capacitivo a este pin.

Pines DC negativo: NU, NV, NW.

- Negativo de la fuente de alimentacin de CD en el inversor. - Estos estn conectados al estado Bajo del IGBT.

Pines Salida a Motor: U, V, W.

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'DWRV,PSRUWDQWHVGHO&LUFXLWR,QWHUQR

La siguiente figura 2.15 muestra el diagrama interno de nuestro Motion SPM, en este se observan los inversores de los IGB de tres fases y 4 circuitos integrados que controlan las funciones [7].

Figura 2.15.- Diagrama interno del FSBB10CH60 [7].

[7] FAIRCHILD User s Manual FSBS10CH60

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Datos: Rango de 600V/ 3A a 30 A. Baja prdida de eficiencia de los IGBT s para manejo de motores. Alta rentabilidad y coordinacin de HIVC e IGBT s. Puente inversor de tres fases de los IGBT s.

- Estado Alto: Circuito de control de proteccin de bajo voltaje (sin seal de salida de fallo).

- Estado Bajo: Proteccin contra Bajo voltaje y Corto Circuito por un Resistor Shunt externo (con seal de salida de falla).

Sola toma de tierra del suministro de voltaje y menos interfaces con los

optoacopladores montados en el HVIC. El cambio de estados de los IGBT s es conforme a los requerimientos del sistema.

5DQJRV0i[LPRV3HUPLWLGRV

Tabla 2.6.- Rangos Mximos elctricos de la parte del Inversor [7].

Tabla 2.7.- Rangos Mximos elctricos de la parte de Control [7].

Tabla 2.8.- Rangos Mximos elctricos Totales del Sistema [7].

[7] FAIRCHILD User s Manual FSBS10CH60

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Tabla 2.9.- Rangos Mximos Resistencia Trmica [7].

&DUDFWHUtVWLFDVHOpFWULFDVTabla 2.10(a).- Caractersticas Elctricas [7].

Figura 2.16.- Tiempos de Switcheo de los IGBT s.

[7] FAIRCHILD User s Manual FSBS10CH60

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Tabla 2.10 (b).- Caractersticas Elctricas [7].

Condiciones de Operacin Recomendadas.

Tabla 2.11.- Valores Recomendados para ptima operacin del mdulo [7].

Caractersticas Mecnicas y Rangos.

Tabla 2.12.- Caractersticas [7].

[7] FAIRCHILD User s Manual FSBS10CH60

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Figura 2.17.- Posicin del Mdulo.

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6LVWHPDV$X[LOLDUHVSDUDOD,QWHUID]

Debido al proceso de recuperacin en sentido inverso de los dispositivos de potencia y las acciones de conmutacin del circuito, pueden presentarse voltajes transitorios y condiciones de falla por cortocircuito en los circuitos convertidores, dando como resultado un flujo excesivo de corriente por los dispositivos, causando el dao de stos o disminuyendo su vida til; tambin el calor producido por las prdidas en un semiconductor, se debe disipar de manera que no excedan las temperaturas de trabajo mximas, especificadas por las hojas de datos de los dispositivos de potencia. Estos dispositivos de potencias protegen contra, avalancha trmica, con disipadores de calor, altas tasas dv/dt y di/dt, con circuitos amortiguadores, estados transitorios por recuperacin inversa, con diodos, estados transitorios en el lado de la alimentacin, con varistores y sobrecorrientes en la alimentacin del rectificador. [4].

3URWHFFLyQGH6REUHWHPSHUDWXUD

Debido a las prdidas en estado activo y por conmutacin, dentro del dispositivo de potencia se genera calor. Este calor se debe transferir del dispositivo a un medio de enfriamiento, para mantener la temperatura de operacin en la unin dentro de los limites especificados [4]. Se implemento un esquema para la proteccin de sobretemperatura por medio de un disipador de calor. Disipador de calor.

El calor debe pasar del dispositivo a su encapsulado y despus al disipador o radiador de calor en el medio de enfriamiento. La analoga elctrica del dispositivo, cuando est montado a un disipador de potencia se ve en la figura 2.18 [4].

Figura 2.18 Analoga elctrica de la transferencia de calor: (a) estructura multicapa, (b) Circuito equivalente basado en resistencias trmicas.

[4] ELETRNICA DE POTENCIA Muhammad Rashid.

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Dnde: PC= Prdidas promedio de potencia en el dispositivo, W. RJC= Resistencia trmica de unin a la caja, C/W. RCS = Resistencia trmica del encapsulado al disipador, C/W. RSA = Resistencia trmica del disipador al ambiente, C/W. TJ = Temperatura de la unin del dispositivo, C. TC = Temperatura del casco, C. TS = Temperatura del disipador, C. TA = Temperatura del ambiente, C.

La temperatura de unin de un dispositivo, TJ, se determina mediante la siguiente ecuacin: Las resistencias RJC y RCS las especifican los fabricantes de los dispositivos. Una vez conocidas las prdidas de potencia PA, de la hoja de datos, se puede calcular la resistencia trmica requerida por el disipador de calor, RSA, de la ecuacin que representa la diferencia de temperaturas desde la unin del dispositivo al ambiente [4]: De donde: Se consulta la hoja de datos [8] del modulo inversor y se tiene que:

PC = 27w, por cada IGBT. Pc=77w, por cada diodo.

RJC-T = 0.6166 C/w por cada IGBT. RCS = 0.03 C/w, Aplicando 0.1mm de grasa de Silicn. Tj = 125C. TA = 45C, se considera. Por lo tanto, por cada transistor es: RSA-Transistor = RSA-Transistor = 2.316363 C/W.

TJ = PC (RJC + RCS + RSA)

TJ - TA = PC (RJC + RCS + RSA) ()

TJ - TA = - RJC - RCS TJ - TA PC

125- 45 27 -0.6166-

[8] FREESCALE semiconductor 56F8300 user manual .

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Tambin se tiene que considerar la resistencia trmica del Diodo en antiparalelo que tiene cada transistor, la cual es: RJC-D = 0.78 C/W

Utilizando la ecuacin (2.2), para cada diodo se tiene: TSA-Diodo = RSA-Diodo = 2.152963 C/W, por cada diodo. Entonces, RSA por cada dispositivo con su respectivo diodo en antiparalelo es:

RSA= 2.316363 C/W + 2.152963 C/W = 4.469 C/w El resultado anterior se multiplica por seis debido a que se tienen 6 IGBTs con sus respectivos diodos, y la Resistencia total es: RSA = (4.469 C/W) (6) = 26.81C/w Con este valor de resistencia trmica buscamos un disipador en el mercado, el disipador que cumple con estas caractersticas es el W15 figura 2.19[10].

Figura 2.19 disipador W15 alphanovatech 15mm x15mm. [10].

125- 45 27 -0.78 - 0.03.

RSA = RSA-Transistor + RSA-Diodo (2.3)

[10] http://www.alphanovatech.com/cindex5e.

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3URWHFFLRQHV&RQWUD%DMR9ROWDMH El LVIC tiene una funcin de proteccin contra bajo voltaje que protege el lado bajo de los IGBT s de operacin con voltaje insuficiente en las puertas. La figura 2.20 muestra el periodo de proteccin:

Figura 2.20.- Periodo de proteccin contra LVIC [7].

a1.- Control de rizos de suministro de voltaje. a2.- Operacin Normal: IGBT ON. a3.- Deteccin de bajo voltaje (UVCCD). a4.- IGBT OFF. a5.- Falla al inicio de operacin. a6.- Reset de bajo voltaje. a7.- IGBT ON.

El HVIC tiene una funcin de bloque por bajo voltaje para proteger el lado alto del IGBT de un voltaje insuficiente del driver del IGBT. Un diagrama de periodo de proteccin se muestra en la figura 2.21 [7].

[7] FAIRCHILD User s Manual FSBS10CH60

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La alarma Fo no se muestra para bajas condiciones del HVIC.

Figura 2.21.- Periodo de proteccin contra HVIC [7].

b1.- Control de rizos del suministro de voltaje: Despus que el voltaje alcanza UVBSR, los circuitos empiezan a operar cuando la siguiente entrada es aplicada. b2.- IGBT ON. b3.- Deteccin de bajo voltaje: UVBSD. b4.- IGBT OFF, no existe seal de falla de salida. b5.- Reset de bajo voltaje (UVBSR). b6.- Operacin normal del IGBT. 3URWHFFLRQHVFRQWUD&RUWR&LUFXLWR

El LVIC tiene montado una funcin contra corto circuito. Se monitorea el voltaje de CSC, si este voltaje excede al VSC(ref), la seal de falla desactivar los IGBT s. El periodo de proteccin contra corto circuito del LVIC se muestra en la figura 2.22 [7].

[7] FAIRCHILD User s Manual FSBS10CH60

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Figura 2.22.- Periodo de proteccin contra Corto Circuito [7].

C1.- IGBT ON. C2.- Deteccin de corto circuito. C3.- Interrupcin de puerta del IGBT. C4.- IGBT OFF. C5.- Falla de inicio de operacin. C6.- Entrada L : Estado de apago del IGBT. C7.- Entrada H . Estado de encendido del IGBT. C8.- Estado de apagado del IGBT (IGBT OFF).

[7] FAIRCHILD User s Manual FSBS10CH60

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&LUFXLWR%RRWVWUDS

Diagrama 2.23.- Ejemplo tpico del circuito Bootstrap [7].

Notas [7]: - El resistor bootstrap (RBS) debe ser 3 veces mas grande que RE(H). El valor

recomendado de RE(H) es de 5.6 pero puede ser incrementado a 20 como mximo, para el valor mas bajo de dv/dt del lado alto.

- El capacitor ubicado entre Vcc y COM debe estar sobre 1EF y debe estar montado cerca de los pines del SPM si es posible.

[7] FAIRCHILD User s Manual FSBS10CH60

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,QWHUIDFH5HFRPHQGDGDHQWUH&38,2,QWHUIDFHGHO&LUFXLWR

Figura 2.24.- Interface CPU Circuito FSBS10CH60 [7].

[7] FAIRCHILD User s Manual FSBS10CH60

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Aplicacin Tpica del Circuito.

Figura 2.25.- Aplicacin Tpica FSBS10CH60 [7].

Notas [7]:

- Para evitar el malfuncionamiento, el cableado de cada entrada deben de estar lo mas corto posible (menos de 2 o 3 cm).

- VFO salida es un tipo de colector abierto. Esta seal debe estar levantado por encima del lado positivo de la fuente de 5 volts con una resistencia de 4.7k. Hacer referencia a la figura 9.

- CSP debe ser 7 veces mas grande que el CSB. - La salida del ancho de pulso de VFO debe estar determinada por la conexin de

un capacitor externo (CFO) entre CFO (pin 7) y COM (pin 2). - Para prevenir errores de la funcin de proteccin, el cableado alrededor de RF y

CSC deben ser los ms cortos posibles. - Cada capacitor debe estar montado lo mas cerca de los pines de el SPM. - Para prevenir destruccin, el cableado entre los pines del capacitor suave y el

P&GND deben estar lo mas cortos posibles. El uso de lata frecuencia no inductiva el capacitor debe ser alrededor de 0.1 0.22EF.

- CSPC15 debe estar sobre los 1EF y montado cerca de los pines del SPM si es posible.

[7] FAIRCHILD User s Manual FSBS10CH60

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,QWHUID]GH&RQWURO

En esta seccin presentamos, de manera breve la parte de control del diagrama a bloques, mostrando principalmente el DSP 56F8300 y sus caractersticas.

0LFURFRQWURODGRU'63)

El DSP56800E representa el siguiente paso en al evolucin de la familia de los DSP56800. Proporciona un bajo costo, y alto desempeo ya que combina el poder de la programacin de los DSP y la simplicidad de la programacin de los MCU. Procesamiento digital de seales (DSP) es el procesamiento aritmtico, en tiempo real, de seales que son muestreadas en intervalos regulares. Ejemplos:

Filtrado. Convolucin (mezclado de dos seales). Correlacin (comparacin de dos seales). Rectificacin, amplificacin, y transformacin.

Por citar un ejemplo, observar el circuito de la siguiente figura 2.26; en este se muestra

una un circuito que filtra las seales enviadas de un sensor de temperatura hacia un amplificador operacional, el cual controlara a un actuador. En primera el filtro ideal es imposible de disear, el ingeniero debe disear un filtro aceptable, considerando las variaciones de temperatura, perturbaciones internas del componente y el suministro de potencia. Con todo lo anterior se obtiene un circuito con baja inmunidad a las perturbaciones, necesita ajustes y, por lo tanto es difcil de modificar [8].

[8] FREESCALE semiconductor 56F8300 user manual .

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Figura 2.26.- Filtro con seal de salida.

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El equivalente del circuito usando un DSP se muestra como sigue:

Figura 2.27.- Circuito Equivalente usando un DSP.

El proceso comienza cuando la seal de entrada pasa por un filtro pasa bajas, el cual elimina ruido existente, despus esta seal de digitaliza por medio de un convertidor A/D, y despus entra al DSP, a la salida de ste la seal vuelve a pasar por un convertidor pero ahora es D/A para despus pasar por un filtro pasa bajas igual que el primero removiendo efecto de la digitalizacin. La ventaja del DSP es que se puede implementar cualquier filtro usando tcnicas analgicas, ms aun se sabe que implementar filtros es muy complicado usando tcnicas analgicas, con el DSP es muy fcil implementar filtros.

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En resumen, las ventajas de usar un DSP son las siguientes:

Menos componentes. Sin filtros ajustables. Amplio rango de operacin. Alta inmunidad al ruido. Fcil Implemento y Adaptabilidad de Filtros.

La familia de DSP no ha sido diseada para una operacin en particular. Pos su

eficiencia de ejecucin tiene muchas aplicaciones ya que puede controlar varias operaciones en un mnimo de tiempo. 'LDJUDPDD%ORTXHV

El DSP esta constituido por una Unidad de Control de Programa, una AGU (Unidad Generadora de Direccin), ALU (Unidad Aritmtica Lgica), Unidad de Manipulacin de bits, Mdulo de depuracin (OnCE), Bus de Direcciones y Bus de Datos, como muestra el siguiente diagrama 2.28 [8].

Figura 2.28.- Diagrama a bloques del DSP

[8] FREESCALE semiconductor 56F8300 user manual .

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Buses de Direccin.

Contiene 3 buses de direccin, bus de direccin de memoria (PAB), bus de direccin de dato primario (XAB1) y bus de direccin de dato secundario (XAB2). Buses de Datos. Las transferencias de datos dentro del chip ocurren de la siguiente forma:

Dos buses unidireccionales de 32 bits. - Bus da datos slo de lectura (CDBR). - Bus de datos solo de escritura (CDBW).

Dos buses unidireccionales de 16 bits.

- Bus secundario de datos X (XDB2). - Bus de datos de programa (PDB). - Interface IP-BUS.

Unidad Aritmtica Lgica (ALU).

Esta unidad ejecuta lo que son operaciones aritmticas, lgicas y de seguimiento, esta unidad contiene los siguientes componentes:

- Tres registros de datos de 16 bits (X0, Y0 y Y1). - Cuatro registros de acumulador (A, B, C y D). - Una unidad de acumulador mltiple (MAC). - Un solo bit de acumulado de cambio. - Un multi-bit de cambio aritmtico lgico. - Una salida MAC. - Un lmite de datos.

Unidad Generadora de Datos (AGU).

Ejecuta todos los clculos efectivos de las direcciones de los datos de memoria, contiene dos direcciones de datos (XAB1), (XAB2). Unidad de Control de Programa.

El control de programa es responsable de traer y decodificar la instruccin, detiene el proceso, traba el hardware, y enlaza el mismo.

IPN ESIME-ZACATENCO INGENIERIA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIN CAPTULO 2

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El control de programa contiene lo siguiente: - Cierra y descifra instrucciones. - Enlaza el hardware. - Interrumpe la lgica de control, para proceso. - Un contador. - Dos registros especiales de rpida interrupcin:

o Retorno de direccin de rpida interrupcin (FIRA). o Registro de Estado de rpida interrupcin (FISR).

- Siete registros de control y estado accesible a usuario. o Dos niveles de o Lazos de direccin de registro (LA). o Lazos de direccin de registro 2(LA2). o Lazo contador de registro (LC). o Lazo contador de registro 2(LC2). o Registro de estado (SR). o Registro de modo de operacin (OMR).

Unidad de Operacin de bits. Esta unidad ejecuta las operaciones en la memoria de datos, registros perifricos. &DUDFWHUtVWLFDVGHOD)DPLOLD'63);;

La familia DSP56F8XX de Freescale son microco