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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL ESCUELA DE FORMACIÓN DE TECNÓLOGOS DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN CONTROLADOR DE VELOCIDAD PARA MOTORES MONOFÁSICOS PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE TECNÓLOGO EN ELECTROMECÁNICA ANGEL DAVID CUMBAJIN JAGUACO [email protected] DIRECTOR: ING. ALFREDO PLUTARCO ARCOS LARA [email protected] QUITO, AGOSTO 2014

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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL

ESCUELA DE FORMACIÓN DE TECNÓLOGOS

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN CONTROLADOR DE

VELOCIDAD PARA MOTORES MONOFÁSICOS

PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE TECNÓLOGO EN

ELECTROMECÁNICA

ANGEL DAVID CUMBAJIN JAGUACO

[email protected]

DIRECTOR: ING. ALFREDO PLUTARCO ARCOS LARA

[email protected]

QUITO, AGOSTO 2014

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I

DECLARACIÓN

Yo Angel David Cumbajin Jaguaco, declaro bajo juramento que el trabajo aquí

descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentada para ningún

grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas

que se incluyen en este documento.

A través de la presente declaración cedo mis derechos de propiedad intelectual

correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según lo

establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la

normatividad institucional vigente.

____________________________

Angel David Cumbajin Jaguaco

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II

CERTIFICACIÓN

Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Cumbajin Jaguaco Angel

David, bajo mi supervisión.

__________________________

ING. ALFREDO ARCOS

DIRECTOR DEL PROYECTO

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III

AGRADECIMIENTO

A Dios, que ha estado en todos los momentos de mi vida, y por permitirme ser

cada día mejor.

Agradezco a mis padres por el apoyo en mi formación académica.

Agradezco al Ing. Alfredo Arcos por su valioso apoyo y ayuda en la dirección de

este proyecto, y al Ing. Alcívar Costales por los consejos técnicos que permitieron

la culminación de este proyecto.

A todos los profesores que conforman la Escuela de Formación de Tecnólogos

por brindarme sus experiencias, formarme humana y profesionalmente en esta

etapa de mi vida.

A todos mis compañeros, amigos y amigas con quienes compartí esta etapa de

mi vida.

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IV

DEDICATORIA

A mis queridos Padres, Angel y Marcia por creer en mí, por estar siempre a mi

lado en los momentos más difíciles, por brindarme su apoyo incondicional, y por

enseñarme que nada es imposible de alcanzar.

A mis hermanas Adriana y Dayana por brindarme su confianza, cariño y amistad.

A toda mi Familia, y a todas las personas que con sus palabras y consejos me

ayudaron a lograr uno de mis objetivos en mi vida.

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V

CONTENIDO

CAPÍTULO 1 ....................................................................................................................... 1

FUNDAMENTOS TEÓRICOS .......................................................................................... 1

1.1. MOTORES MONOFÁSICOS DE INDUCCIÓN ................................................................................ 1

1.1.1. INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................... 1

1.1.2. CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS ............................................................................... 1

1.1.3. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO ...................................................................................... 2

1.1.4. ARRANQUE DE LOS MOTORES DE INDUCCIÓN MONOFÁSICOS ................................... 4

1.1.5. CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES MONOFÁSICOS DE INDUCCIÓN ......................... 5

1.2. CONTROL DE VELOCIDAD MEDIANTE LA VARIACIÓN DE LA FRECUENCIA Y EL

VOLTAJE DEL ESTATOR .................................................................................................................... 11

1.2.1. EL TORQUE Y LA POTENCIA DE SALIDA EN EL CONTROL A TRAVÉS DE LA

RELACIÓN V/f .................................................................................................................................. 13

1.3. INVERSORES DE MODULACIÓN DE ANCHO DE PULSO ......................................................... 15

1.3.1. GENERALIDADES ................................................................................................................. 15

1.3.2. INVERSORES MONOFÁSICOS............................................................................................. 16

1.3.3. CONTROL DE VOLTAJE DE LOS INVERSORES MONOFÁSICOS ................................... 18

1.4. MICROCONTROLADORES ........................................................................................................... 23

1.4.1. GENERALIDADES ................................................................................................................. 23

1.4.2. ARQUITECTURA INTERNA DEL MICROCONTROLADOR .............................................. 23

1.4.3. MICROCONTROLADORES PIC ............................................................................................ 26

1.4.4. CONTROLADOR DIGITAL DE SEÑALES (DSC) ................................................................ 27

CAPÍTULO 2 ..................................................................................................................... 40

DISEÑO DEL HARDWARE ........................................................................................... 40

2.1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................ 40

2.2. ETAPA DE POTENCIA ................................................................................................................... 41

2.2.1. RECTIFICADOR MONOFÁSICO .......................................................................................... 41

2.2.2. FILTRO CAPACITIVO ........................................................................................................... 45

2.2.3. PUENTE INVERSOR MONOFÁSICO ................................................................................... 52

2.3. ETAPA DE CONTROL .................................................................................................................... 70

2.4. FUENTES DE ALIMENTACIÓN .................................................................................................... 73

2.4.1. DISEÑO DE LAS FUENTES DE ALIMENTACIÓN .............................................................. 73

CAPITULO 3 ..................................................................................................................... 77

DESARROLLO DEL SOFTWARE ................................................................................ 77

3.1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................ 77

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VI

3.2. PROGRAMA DEL DSPIC30F3011.................................................................................................. 77

3.2.1. FUNCIONAMIENTO DEL PROGRAMA ............................................................................... 80

3.2.2. DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROGRAMA DEL dsPIC30F3011 ......................................... 84

3.3. PROGRAMA DEL PIC16F870 ........................................................................................................ 86

CAPITULO 4 ..................................................................................................................... 88

PRUEBAS Y RESULTADOS .......................................................................................... 88

4.1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................ 88

4.2. SIMULACIONES ............................................................................................................................ 88

4.3. RESULTADOS EXPERIMENTALES ............................................................................................. 91

CAPITULO 5 ..................................................................................................................... 96

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .............................................................. 96

5.1. CONCLUSIONES ............................................................................................................................ 96

5.2. RECOMENDACIONES´ ................................................................................................................. 98

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................ 99

ANEXOS .......................................................................................................................... 102

ANEXO 1 ............................................................................................................................................. 103

DIAGRAMAS CIRCUITALES............................................................................................................. 103

ANEXO 2 ............................................................................................................................................. 109

ESQUEMAS DE LOS CIRCUITOS PCB .............................................................................................. 109

ANEXO 3 ............................................................................................................................................. 113

IMÁGENES DEL PROYECTO ............................................................................................................ 113

ANEXO 4 ............................................................................................................................................. 115

DESPIECE DE UN MOTOR MONOFÁSICO ....................................................................................... 115

ANEXO 5 ............................................................................................................................................. 117

PROGRAMAS ...................................................................................................................................... 117

ANEXO 6 ............................................................................................................................................. 126

HOJAS DE DATOS .............................................................................................................................. 126

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VII

RESUMEN

En este proyecto se diseña y se construye un controlador de velocidad para

motores monofásicos de inducción, empleando la técnica de modulación SPWM.

La etapa de Potencia la conforman, un conversor AC/DC proporciona un voltaje

continuo de aproximadamente 170 VDC, y un puente inversor monofásico

conformado por cuatro MOSFETs de potencia. Esta etapa es dimensionada de

acuerdo a la potencia que requiere la carga.

El circuito de control está conformado por un Microcontrolador PIC16F870,

encargado de la interfaz de usuario y las rampas de aceleración y desaceleración,

y un Procesador Digital de Señales dsPIC30F3011, en el cual se implementa la

técnica de control SPWM mediante la utilización del módulo para el control de

motores incorporado en el mismo. El método de control compara una onda

triangular con una senoidal obteniendo los pulsos de control, el programa

implementado varia el voltaje en proporción a la frecuencia obteniendo el control

denominado escalar. Las señales de control son aplicadas a las compuertas de

los MOSFETs de potencia del puente inversor, a través de un manejador de

MOSFETs.

Los Manejadores de MOSFETs IR2110 emplean la técnica de Bootstrap para

crear las diferentes referencias de voltaje en la compuerta de los semiconductores

de potencia. El dimensionamiento de los componentes que requiere este

manejador, se realizó según las notas de aplicación del fabricante.

La interfaz de usuario conformado por un LCD 16x2 y 5 pulsadores permiten

configurar y seleccionar parámetros como: frecuencia de salida del inversor de

entre 5 [Hz] hasta un máximo de 60[Hz], tiempos de rampa de aceleración y

tiempos de rampa de desaceleración.

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VIII

PRESENTACIÓN

Los motores de inducción son las principales herramientas empleadas en la

industria. El desarrollo de la electrónica de potencia y los microcontroladores han

hecho posible la implementación de lógicas de control con cada vez más eficacia

en el control los parámetros de los motores de inducción. En este trabajo se

presenta el diseño y construcción de un controlador para motores monofásicos de

inducción, explicado en los siguientes capítulos:

En el Capitulo 1 se expone la teoría de funcionamiento de los motores

monofásicos de inducción y su clasificación según sus métodos particulares de

arranque. También se presenta las técnicas de control PWM que controlan los

parámetros de voltaje y frecuencia en los inversores monofásicos. Finalmente se

expone la arquitectura de los microcontroladores y se explica los diferentes

periféricos y constitución del dsPIC30F3011.

En el Capitulo 2 se explica con detalle el dimensionamiento y selección de los

componentes electrónicos de las etapas que conforman el controlador de

velocidad como son: etapa de potencia, manejador de MOSFETs, etapa de

control y fuentes de alimentación.

En el Capitulo 3 se indican los cálculos empleados para la generación de las

señales de control y para la obtención de la frecuencia de salida requerida.

También se explica el funcionamiento de los programas y se indica el diagrama

de flujo del programa imprentado en el dsPIC30F3011.

En el Capítulo 4 se describen las pruebas y el análisis de los resultados

realizados en el inversor para diferentes frecuencias, así como las señales

obtenidas desde el microcontrolador, el tiempo muerto en la conmutación de los

dispositivos.

En el Capitulo 5 expone las conclusiones y recomendaciones obtenidas durante la

realización del proyecto que deberían ser tomadas en cuenta para futuros trabajos.

En los Anexos se adjunta los Diagramas Circuitales del proyecto, Diagramas de

los Circuitos PCB, Imágenes fotográficas, un despiece de un motor monofásico,

los códigos fuente de los programas y las hojas de datos.

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1

CAPÍTULO 1

FUNDAMENTOS TEÓRICOS

1.1. MOTORES MONOFÁSICOS DE INDUCCIÓN

1.1.1. INTRODUCCIÓN

Los motores de inducción con rotor jaula de ardilla son las principales

herramientas de la industria, debido a su bajo costo y su construcción resistente.

Cuando se opera directamente desde los voltajes de línea (entrada de 60 [Hz]

desde la línea de la red con un voltaje en esencia constante), un motor trabaja

casi con una velocidad constante. Sin embargo, por medio de convertidores de

electrónica de potencia es posible variar la velocidad de un motor de inducción.

Como beneficio, el uso de convertidores para el control de velocidad de motores

resulta en la conservación de energía eléctrica.

1.1.2. CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS

En cuanto a la construcción del motor monofásico de inducción, hay que destacar

lo siguiente:

En el rotor de jaula de ardilla, los conductores de este están conectados en

cortocircuito en ambos extremos mediante anillos continuos (de aquí su nombre

de ―jaula de ardilla‖). No hay conexión física entre el rotor y estator, y hay un

entrehierro uniforme entre ellos. Las ranuras del estator están distribuidas de

modo uniforme1.

Un devanado ―simple‖ monofásico no produciría campo magnético ni par de

arranque por motivos que se indicaran en la sección siguiente. Por lo tanto, es

necesario modificar o dividir al devanado en dos partes. A uno de estos

devanados del estator, que en general es de alta reactancia y baja resistencia, se

le llama devanado de marcha o principal. El otro devanado, que está en paralelo

con el principal, tiene alta resistencia y baja reactancia, es el devanado auxiliar o

de arranque, pero alojado en ranuras desplazadas 90º en el espacio eléctrico con

respecto a las del devanado principal. El fin esencial del devanado auxiliar es

producir el giro del rotor [1].

1 El despiece de un motor monofásico se muestra en el ANEXO 4

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2

1.1.3. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Al alimentar el devanado del estator con un voltaje monofásico, se hace circular

una corriente alterna produciendo una fuerza magnetomotriz (f.m.m.) en el

entrehierro distribuida de forma sinusoidal en el espacio y de carácter pulsatorio.

La f.m.m. produce un campo magnético proporcional en el entrehierro el cual

induce corrientes en el rotor debido a la acción transformador. De acuerdo a la

Ley de Lenz, las corrientes que circulan por los conductores del rotor

(conductores A y B) en una dirección tal su campo magnético se opone al campo

que las produce, como se indica en la figura 1.1.[1].

VCA

B

A

A

B

Figura 1.1. Pares en un rotor jaula de ardilla [1]

Los conductores no producen par útil, debido a que el par generado está en

ángulo recto a cualquier movimiento del rotor. Por lo tanto, el valor promedio del

par balanceado pulsante para un ciclo completo es cero.

Para obtener un par resultante neto a la izquierda o derecha del punto 1,

mostrado en la figura 1.2, se requiere un valor de un deslizamiento ( ), de la

ecuación 1.1, tenga un valor diferente a la unidad [2].

. )

Donde: es la velocidad de sincronismo

es la velocidad a la que gira el rotor

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3

1

A

B

Par

Deslizamiento2

0

0

2

Par resultante

Par

resistente

Par Directo

Par Inverso

Figura 1.2. Curvas Par-Deslizamiento de un motor monofásico [2]

Si por cualquier procedimiento se ayuda a girar el rotor en un sentido de tal forma

que se sobrepase el punto A, aparecerá inmediatamente un par de arranque que

si es mayor que al par resistente pondrá en marcha el motor en el punto B. Esto

como consecuencia del campo magnético giratorio resultante de la reacción del

campo pulsante de cuadratura en el rotor contra el campo pulsante principal,

como se observa en la figura 1.3.

∅f ∅f

∅f ∅r

VCA

Figura 1.3. Voltajes y corrientes en un rotor giratorio [1]

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4

Este campo giratorio resultante, es casi constante y gira en el mismo sentido de

rotación del rotor [1].

1.1.4. ARRANQUE DE LOS MOTORES DE INDUCCIÓN MONOFÁSICOS

El arranque de los motores monofásicos se puede conseguir por medios

eléctricos. Para ello, el método más simple seria mediante un devanado bifásico.

Un sistema bifásico, dos devanados estatóricos desfasados 90° eléctricos en el

espacio llevan corrientes eléctricas desfasadas 90° eléctricos en el tiempo. En la

figura 1.4 las corrientes se obtienen mediante la ecuación 1.2. [2]:

; (1.2)

Se producirán en los ejes de las bobinas unas f.m.m:

; (1.3)

Donde:

es la amplitud del fasor espacial 2 de la f.m.m.

Por simplicidad se han considerado ambos devanados con el mismo número de

espiras ( ). La composición vectorial de ambas f.m.m. que se muestran en la

figura 1.4, y nos indica que:

(1.4)

. )

.

Lo que resulta a una f.m.m. de amplitud constante , y que gira a una velocidad

de sincronismo de la ecuación 1.7:

. )

Donde: es la frecuencia de la red al que está conectada la máquina, [Hz]

es el número de pares de polos que tiene la máquina

es el número de polos que tiene la máquina

2 El concepto de fasor espacial es análogo al que se emplea en el estudio de circuitos de c.a.

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5

N1

i1

i2N1

F1

F2 FT

Figura 1.4. F.m.m. en un motor bifásico [2]

1.1.5. CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES MONOFÁSICOS DE INDUCCIÓN

Debido a que un motor monofásico de inducción no tiene arranque propio, se

emplean diversos métodos eléctricos para iniciar el giro del rotor de jaula de

ardilla. Por lo cual, una clasificación de los motores monofásicos de inducción se

basa en sus métodos particulares de arranque [1]:

Motor de fase partida:

Motor de arranque por resistencia

Motor de arranque por capacitor

Motor de fase partida y capacitor permanente de un valor

Motor de capacitor de dos valores

Motor de inducción de arranque por reluctancia

Motor de inducción de polos sombreados

1.1.5.1. Motor de inducción de fase partida y arranque por resistencia

En este motor se sitúan en el estator dos devanados en paralelo desfasados 90°

eléctricos en el espacio. El devanado de arranque tiene menos vueltas y consiste

en alambre de cobre de menor diámetro, que el devanado de marcha. Por lo tanto,

el devanado de arranque tiene alta resistencia y baja reactancia. Al contrario, el

devanado de marcha, con más vueltas de alambre más grueso, tiene baja

resistencia y alta reactancia. Pero, debido a su impedancia total menor, la

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6

corriente en el devanado de marcha, Ir es mayor que la correspondiente en el

devanado de arranque, Is. La figura 1.5 de muestra el diagrama eléctrico de los

dos devanados de un motor de inducción de fase partida [1].

I

Ir

L

Baja R

Alta X

Interruptor

centrífugo NC

De

va

na

do

Prin

cip

al

Alta R

Baja X

De

va

na

do

Au

xili

ar

IsVL

Figura 1.5. Diagrama de conexiones de motor de inducción de fase partida y

arranque por resistencia [1]

Las relaciones de fase de las corrientes a rotor bloqueado en el instante de

arranque se muestran en la figura 1.6, donde se ha tomado como referencia la

tensión de la red. Las relaciones entre las corrientes de los devanados de

arranque y marcha están desplazadas aproximadamente 25º.

Is cos ɵs

I r s

en ɵ

r

ɵs

ɵr

Ir

V

Is

Figura 1.6. Diagrama fasorial [1]

El control de la velocidad de estos motores es relativamente difícil porque la

velocidad síncrona del flujo rotatorio del estator queda determinada por la

frecuencia y el número de polos desarrollados en el devanado de marcha del

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7

estator. Por consiguiente, todos los cambios de velocidad se deben llevar a cabo

en límites mayores al que trabaje el interruptor centrifugo (s = 0,25). Con ello se

tiene un rango muy limitado de control de velocidad [1].

1.1.5.2. Motor de inducción de fase partida y arranque por capacitor

Como medio de mejorar el par relativamente bajo del motor fase partida, se

agrega un capacitor en serie con el devanado de arranque para producir una

relación casi real de 90º entre las corrientes de los devanados de arranque y

marcha, elevando el par de arranque a los límites normales de 3,5 a 4,75 del par

nominal.

El empleo del capacitor también tiende a reducir (en cierta medida) la corriente de

arranque porque mejora el factor de potencia mediante una componte de corriente

que precede al voltaje aplicado. El capacitor de este tipo de motor se diseña para

trabajo intermitente y es del tipo electrolítico [1].

I

I r

L

Baja R

Alta X

Interruptor

centrífugo NC

De

va

na

do

Prin

cip

al

Alta R

Baja X

De

va

na

do

Au

xili

ar

I sVL

Capacitor

Figura 1.7. Diagrama de conexionado del motor monofásico de fase partida y

arranque por capacitor [1]

En la figura 1.7 obsérvese que la única diferencia en relación al motor de

inducción de fase partida es la adición del capacitor en el devanado de arranque.

1.1.5.3. Motor de inducción de fase partida y capacitor permanente

Este motor tiene dos devanados permanentes que, en general, se arrollan con

alambre del mismo diámetro y el mismo número de vueltas.

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8

En estos motores el capacitor está conectado en serie con el devanado de

arranque y permanece en funcionamiento tanto en el momento de arranque como

durante la marcha normal. Ya que trabaja en forma continua como motor fase

partida con capacitor, no se necesita interruptor centrifugo, como se observa en la

figura 1.8. Los motores de este tipo arrancan y trabajan en virtud de la

descomposición de la fase de cuadratura que producen los dos devanados

idénticos desplazados en espacio y tiempo. Además, el capacitor que se usa en

este tipo de motor se diseña para servicio continuo y es de tipo de baño en aceite.

El valor del capacitor se basa más en su característica de marcha óptima, que en

la de arranque. El resultado es que estos motores, a diferencia de los de arranque

por capacitor, tiene un par de arranque muy deficiente, de entre 50 a 100 % del

par nominal, dependiendo de la resistencia del rotor [1].

I

I r

L

De

va

na

do

Prin

cip

al

De

va

na

do

Au

xili

ar

I sVL

Capacitor

Figura 1.8. Diagrama de conexionado del motor de inducción de fase partida y

capacitor permanente [1]

Este tipo de motor se presta al control de velocidad por variación de voltaje de

suministro. Se usan diversos métodos para ajustar el voltaje aplicado al estator y

producir el control deseado de velocidad, como transformadores de varias salidas,

variacs, potenciómetros y resistencias o reactores con varias salidas. Estos

métodos se limitan a velocidades por debajo de la velocidad síncrona [1].

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1.1.5.4. Motor de inducción de fase partida de capacitor de dos valores

El motor de capacitor de dos valores combina las ventajas de funcionamiento casi

sin ruido del motor con capacitor permanente con el alto par de arranque del

motor de arranque por capacitor.

Se emplean dos capacitores durante el periodo de arranque. Uno de ellos, el

capacitor electrolítico de arranque, como se observa en la figura 1.9, en paralelo

con un capacitor de aceite mediante un interruptor centrifugo normalmente

cerrado en el arranque. El capacitor electrolítico de alta capacidad intermitente se

desconecta al alcanzar aproximadamente el 75 % de la velocidad síncrona y con

ello produce el par de arranque necesariamente alto. Entonces el motor continúa

acelerando como motor de capacitor permanente para trabajar en la carga

nominal o cerca [1].

I

I r

LInterruptor centrífugo NC

De

va

na

do

Prin

cip

al

De

va

na

do

Au

xili

ar

I sVL

Capacitor

electrolítico

Capacitor

de aceite

Figura 1.9. Diagrama de conexionado del motor de inducción de fase partida de

capacitor de dos valores [1]

1.1.5.5. Motor de inducción de polos sombreados

El motor de polos sombreados es básicamente un motor pequeño de potencia

fraccionaria que no es mayor de 1/10 [HP], aunque se han producido motores

hasta de 1/4 [HP]. La gran ventaja de este motor estriba en su extrema

simplicidad: un rotor con jaula de ardilla y piezas polares especiales. No tiene

interruptores centrífugos, capacitores, devanados especiales de arranque ni

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conmutadores. Tiene tan solo un devanado monofásico pero es inherentemente

de arranque propio.

De

va

na

do

Prin

cip

al

Bobinado de

sombreado

VL (t)

Figura 1.10. Construcción general del motor espira sombra [1]

La figura 1.10 muestra la construcción general de un motor de polos sombreados

(dos polos salientes). Las piezas polares especiales se forman con laminaciones y

una bobina de sombreado en cortocircuito, o bien un anillo de cobre macizo de

una sola vuelta, alrededor del segmento más pequeño de la pieza polar. La

bobina de sombreado está separada del devanado principal de c.a, y sirve para

proveer una división de fase del flujo principal del campo, demorando el cambio

de flujo en el segmento menor.

El motor polos sombreados es robusto, barato, pequeño y necesita de poco

mantenimiento. Desafortunadamente tienen bajo par de arranque, baja eficiencia

y bajo factor de potencia. Tratándose de un motor pequeño, las últimas

consideraciones no son serias [1].

1.1.5.6. Motor de inducción de arranque por reluctancia

Otro motor de inducción que usa estator con entrehierro no uniforme es el de

arranque por reluctancia. Su rotor es el convencional de jaula de ardilla, que

desarrolla par una vez que se ha iniciado la rotación debido al principio de

reluctancia. En virtud de los entrehierros desiguales entre el rotor y los polos

salientes no uniformes, como se observa en la figura 1.11, se produce un efecto

de barrido sobre el flujo del campo principal.

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11

El principio de reluctancia, de acuerdo con el que trabaja el motor, es tal que,

cuando es pequeño el entrehierro, la autoinductancia en el devanado de campo

es grande y hace que la corriente en el devanado de campo se retrase con

respecto al flujo que produce (en un circuito altamente inductivo, la corriente

retrasa casi 90º con respecto al voltaje). A la inversa, cuando el entrehierro es

muy grande, se reduce la autoinductancia y la corriente queda más en fase con el

flujo. Como los flujos están algo desplazados en el tiempo y también en el espacio,

se produce un campo magnético rotatorio en todos los polos.

Devanado

de Campo

VL

Figura 1.11. Sección transversal de un Motor de arranque por reluctancia [1]

Se prefiere al motor de polos sombreados en comparación con el de arranque por

reluctancia porque su fabricación no es costosa, tiene mayor eficiencia y mejores

características de par de marcha y es reversible [1].

1.2. CONTROL DE VELOCIDAD MEDIANTE LA VARIACIÓN DE

LA FRECUENCIA Y EL VOLTAJE DEL ESTATOR

Los avances de la electrónica de potencia en los últimos años ha hecho posible

controlar, mediante los convertidores electrónicos, los parámetros del motor de

inducción AC, y satisfacer los requisitos de las aplicaciones más exigentes. Es

también la solución técnica preferida para muchos entornos industriales donde la

fiabilidad y el bajo costo de mantenimiento son importantes [3].

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12

El método de control de la relación voltaje ( ) y frecuencia ( ) o también conocido

como control escalar es la preferida en la mayoría de aplicaciones con motores de

inducción de velocidad variable [4].

Partiendo de la ecuación 1.7 3 de la velocidad de sincronismo del motor

monofásico de inducción, se observa que esta se puede variar en forma

proporcional al cambio de la frecuencia del voltaje aplicado a las bobinas del

estator [5].

La densidad de flujo en el entrehierro depende tanto de la frecuencia como del

la magnitud de voltaje alimentación, estos se relacionan mediante [3]:

. )

Donde el flujo de un motor de inducción es directamente proporcional al voltaje de

alimentación e inversamente proporcional a la frecuencia.

Para mantener una densidad de flujo constante durante el control de velocidad, el

voltaje de alimentación debe ajustarse en proporción a la frecuencia. Esto debido

a que un flujo demasiado alto provocaría la saturación del estator, y esto resulta

en una elevada corriente, pérdidas excesivas y calentamiento. Si la densidad de

flujo es demasiado baja, el par de salida caerá y se afectara el rendimiento del

motor de inducción de CA. La relación del torque de salida con el flujo se

obtiene mediante [3].

. )

Donde:

es la corriente inducida en el rotor.

Para un óptimo funcionamiento del motor de inducción se requiere de un torque

máximo, el flujo debe permanecer constante, lo que significa que la relación

también debe ser constante.

3 Refiérase a la ecuación 1.7 de la sección 1.1.4.

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13

1.2.1. EL TORQUE Y LA POTENCIA DE SALIDA EN EL CONTROL A TRAVÉS

DE LA RELACIÓN V/f

El motor de inducción es capaz de proporcionar su par nominal hasta un rango de

de velocidad a 60[Hz]4, su frecuencia nominal, sin aumento significativo de las

pérdidas. Cuando el motor gira a velocidades sobre la frecuencia nominal, se

provoca una caída en el torque. El torque se reduce como resultado de la

disminución del flujo magnético del entrehierro, el cual depende de la relación .

El motor de inducción puede funcionar por encima de la frecuencia nominal, pero

con el par de salida reducido. Este disminuye en proporción a la velocidad. La

curva que relaciona el torque de salida con la velocidad se muestra en la figura

1.12. [3], [6].

Velocidad

Nominal

VelocidadVelocidad

Máxima

Torque

IA

TN

T

Corriente constante

Rango de velocidad

con reducción

del campo

Rango Normal

de Velocidad

Figura 1.12. Curva Torque ( ) –Velocidad ( ) en el control a través de la relación

[6]

En el rango de velocidad normal y en par constante los aumentos en la potencia

de salida aumentan en proporción a la velocidad. En el rango de debilitamiento

del campo, la potencia de salida de motor permanece constante, esto se observa

en la figura 1.13.

4 La frecuencia nominal depende del diseño del motor y al país donde se pondrá en

funcionamiento. Se pueden encontrar también motores a 50[Hz].

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14

Velocidad

Nominal

VelocidadVelocidad

Máxima

Potencia

PN

P

Potencia constante

Rango de velocidad

con reducción

del campo

Rango Normal

de Velocidad

Figura 1.13. Curva Potencia ( ) –Velocidad ( ) en el control a través de la

relación [6]

Con frecuencias bajas de operación el efecto de la impedancia del estator

no se puede despreciar, puesto que, la resistencia tiende producir

una caída en el voltaje aplicado a las bobinas del estator y en consecuencia la

reducción del flujo. Por esto es necesario compensar la caída de voltaje con un

voltaje de refuerzo adicional [4].

Frecuencia

fN

Voltaje

VN V / f = VN / fN = Kte

Voltaje de Refuerzo

Figura 1.14. Refuerzo de voltaje necesario para mantener el constante

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15

La figura 1.14 muestra una curva típica , la cual presenta una región de

compensación a bajas frecuencias para ayudar al arranque del motor, en esta

región el voltaje se limita a un valor mínimo [6].

En la práctica la curva de la relación puede tomar cualquier forma5. El voltaje

se puede incrementar para ciertas frecuencias de operación, entregando mayor

torque a una determinada velocidad.

Con estos antecedentes, el uso de un inversor monofásico que controle los

parámetros de voltaje y frecuencia en una relación constante permitirá el

control de velocidad del motor de inducción manteniendo su torque constante.

1.3. INVERSORES DE MODULACIÓN DE ANCHO DE PULSO

1.3.1. GENERALIDADES

Los convertidores de c.c. a c.a, se conocen como inversores. La función de un

inversor es cambiar un voltaje de entrada en c.c. a un voltaje de salida de c.a,

con la magnitud y frecuencia deseadas, Tanto el voltaje de salida como la

frecuencia pueden ser fijos o variables. Si se modifica el voltaje de entrada del

inversor y la ganancia se mantiene constante, es posible obtener un voltaje

variable de salida. Por otra parte, si el voltaje de entrada de c.c. es fijo y no es

controlable, se puede obtener un voltaje de salida variable si se varía la ganancia

del inversor; esto por lo general se hace controlando la Modulación del Ancho de

Pulso (PWM) dentro del inversor. La ganancia del inversor se puede definir como

la relación entre el voltaje de salida en c.a. y el voltaje de entrada en c.c.

En los inversores ideales, las formas de onda deberían de ser senoidales.

Sin embargo, en los inversores reales no son senoidales y contienen ciertas

armónicas. Para aplicaciones de mediana y baja potencia, se pueden aceptar los

voltajes de onda cuadrada o casi cuadrada; pero en aplicaciones de alta potencia,

son necesarias las formas de onda de baja distorsión.

Los inversores se pueden clasificar básicamente en dos tipos: (1) inversores

monofásicos y (2) inversores trifásicos. Cada tipo puede utilizar dispositivos con

activación y desactivación controlada o tiristores de conmutación forzada. Un

inversor se llama inversor alimentado por voltaje (VFI) si el voltaje de entrada se 5 Los VFD actuales permiten seleccionar incluso curvas cuadráticas.

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16

conserva constante; inversor alimentado por corriente (CFI) si la corriente de

entrada se conserva constante; e inversor enlazado en c.c. variable si el voltaje de

entrada es controlable [7].

En la actualidad los inversores con fuente de corriente solo son usados en

aplicaciones de rango de potencia elevados.

1.3.2. INVERSORES MONOFÁSICOS

Un inversor está conformado por elementos electrónicos de conmutación

dispuestos de tal modo que puedan convertir la corriente continua en corriente

alterna. Los elementos electrónicos pueden ser: tiristores, BJT, MOSFET, IGBT,

MCT, SIT o GTO, según sea la aplicación. Por lo cual se tiene dos topologías

importantes:

Inversor monofásico de medio puente

Inversor monofásico en puente completo

1.3.2.1. Inversor monofásico de medio puente

El circuito inversor de la figura 1.15 está formado por dos pulsadores. Cuando

solo el transistor está activo durante un tiempo , el voltaje instantáneo a

través de la carga es . Si solo el transistor está activo durante un tiempo

, aparece el voltaje a través de la carga. El circuito lógico debe

diseñarse de tal forma que y no estén activos simultáneamente. Este

inversor requiere de una fuente de c.c. de tres conductores, cuando un transistor

está inactivo, voltaje inverso es , en vez de .

D1

D2 Q2

Q1

VS/2

VS/2

+-

Vao=Vo

ao

R

Figura 1.15. Circuito del inversor monofásico de medio puente [7]

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17

Para una carga inductiva, la corriente de la carga no puede cambiar

inmediatamente con el voltaje de salida. Si es desactivado en , la

corriente en la carga seguirá fluyendo a través de , la carga y la mitad inferior

de la fuente de c.c. Cuando el diodo o conducen, la energía es

retroalimentada a la fuente de c.c. por lo que estos diodos se conocen como

diodos de retroalimentación [7].

1.3.2.2. Inversor monofásico en puente completo

El inversor monofásico en puente de la figura 1.16. Está formado por cuatro

pulsadores. Cuando los transistores y se activan simultáneamente, el

voltaje de entrada aparece a través de la carga. Si los transistores y se

activan al mismo tiempo, el voltaje a través de la carga se invierte, y adquiere el

valor de . La forma de onda para el voltaje de salida se muestra en la figura

1.17(a) [7].

D3

D2 Q2

Q3

VS/2

VS/2

o

D1

D4Q4

Q1

CARGAa b

io

Figura 1.16. Circuito del inversor en puente completo [7]

Cuando los diodos y conducen, se realimenta la energía la fuente de c.c, a

estos se les denomina como diodos retroalimentación. La Figura 1.17 (b) muestra

la forma de onda de la corriente para una carga inductiva.

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18

T0

t

T0

Vs

0

Corriente fundamental,

io1

t0

VaoVs

2

T0

t0

VboVs

2

T0

2

Ɵ1T0

2

(a) Formas de onda de voltaje de salida de un inversor en puente completo

t

ip

D1 D2

ON

Q1 Q2

ON

D3 D4

ON

Q3 Q4

ON

0

iO

(b) Formas de onda de la corriente en la carga altamente inductiva

Figura 1.17. Formas de onda de un inversor monofásico en puente

completo [7]

1.3.3. CONTROL DE VOLTAJE DE LOS INVERSORES MONOFÁSICOS

Existen varias técnicas para modificar el voltaje de salida del inversor, el método

más eficiente es incorporar en los inversores el control de modulación del ancho

del pulso. Las técnicas comúnmente utilizadas son:

Modulación de un solo ancho de pulso

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19

Modulación de varios anchos de pulso

Modulación senoidal del ancho de pulso

Modulación senoidal modificada del ancho de pulso

Control por desplazamiento de fase

1.3.3.1. Modulación de un solo ancho de pulso

En el control por modulación de un solo ancho de pulso, existe un solo pulso por

cada medio ciclo, el ancho del pulso se hace variar, a fin de controlar el voltaje de

salida del inversor [7].

ωt

ωt

ωt

π

2

π

π

0

g1

0

Vo

0

-Vs

Vs

Señal portadora

Ac

Ar

δ Señal de excitación para el transistor Q1

ωt

2π π

g4

0

π

2

δ

2-

π

2

δ

2 +

Señal de excitación para el transistor Q4

2

π

2

π

2

δ

2 -

π

2

δ

2 +

Señal de referencia

Ac

δ

Figura 1.18. Formas de onda de la modulación de un solo ancho de pulso [7]

En la Figura 1.18 se muestra las señales de excitación y el voltaje de salida para

los inversores monofásicos en puente completo.

Las señales de excitación se generan comparando una señal rectangular de

referencia de amplitud , con una onda portadora triangular de amplitud .

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20

La frecuencia de la señal de referencia determina la frecuencia fundamental del

voltaje de salida. Si se varia con es la variable de control y se define como

índice se modulación de la amplitud.

. )

El voltaje rms se puede determinar a partir de:

. )

1.3.3.2. Modulación de varios anchos de pulso

Utilizando varios pulsos en cada medio ciclo de voltaje de salida puede reducirse

el contenido armónico. La generación de señales de excitación para activar y

desactivar los transistores se observa en la figura 1.19, mediante la comparación

de una señal de referencia con una onda portadora triangular. La frecuencia de la

señal de referencia establece la frecuencia de salida y la frecuencia de la

portadora determina el número de pulsos por cada ciclo . El índice de

modulación controla el voltaje de salida. Este tipo de modulación también se

conoce como modulación uniforme de ancho de pulso (UPWM). El número de

pulsos por medio ciclo se determina a partir de [7]:

. )

Donde: y se define como la relación de modulación de frecuencia.

La variación del índice de modulación desde 0 hasta 1 varia el ancho de pulso

desde 0 hasta y el ancho del voltaje de salida desde 0 hasta .

Si es el ancho de cada pulso, el voltaje rms de salida se puede determinar a

partir de:

. )

Mediante esta técnica, el orden de armónicas dominantes, es el mismo que para

las de un solo ancho de pulso, mientras el contenido armónico total se reduce. Sin

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21

embargo, debido al gran número de de conmutaciones de los transistores de

potencia, las perdidas por ese concepto aumentan. El voltaje de salida para los

inversores monofásicos en puente se muestra en la figura 1.19 [7].

ωt

Ac

Señal portadora

Señal portadora

1

fc

0

π

ωt0

π

Vs

δ

Señales de excitación de compuertas

Ar

-Vs

Vo

Figura 1.19. Formas de onda de la modulación de varios anchos de pulso [7]

1.3.3.3. Modulación senoidal del ancho de pulso

En este caso, el ancho de pulso varía en proporción a la amplitud de una onda

senoidal. El factor de distorsión y las armónicas de orden menor se reducen en

forma significativa. Las señales de compuerta, como se muestra en la figura

1.20(a), se generan al comparar una señal senoidal con una onda portadora

triangular de frecuencia . Este tipo de modulación se conoce como SPWM. La

frecuencia de señal de referencia , determina la frecuencia de salida del inversor

y su amplitud pico , controla el índice de modulación , y en consecuencia, el

voltaje rms de salida , La frecuencia de la portadora determina la frecuencia de

conmutación de los dispositivos electrónicos que conforman el puente inversor. El

voltaje instantáneo de salida se muestra en la figura 1.20(a) [7].

Las mismas señales de excitación se pueden generar utilizando una onda

portadora triangular unidireccional tal como se muestra en la figura 1.20 (b).

Dentro de la restricción de que dos transistores en la misma rama ( y ; y

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22

)6 no pueden conducir simultáneamente, debido a que en esta condición se

produciría un corto circuito [7].

ωt

ωt

ωt

ωt

1

fc

π

π

π

π

Ac

Ar

g1

0

g4

0

Vo

0

-Vs

Vs

δm

Señal de referenciaSeñal portadora

(a)

ωt

π

Ac

Ar Señal de referencia

(b)

Figura 1.20. Formas de onda para la modulación senoidal de ancho de pulso [7]

6 Refiérase a la figura 1.16 en la sección 1.3.2.2.

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23

El voltaje rms de salida puede controlarse si se varia el índice de modulación .

El área de cada pulso corresponde aproximadamente al área bajo la onda

senoidal entre los puntos medios adyacentes de los periodos inactivos de las

señales de excitación. Si es el ancho de pulso de orden , la ecuación 1.12 se

puede extender para el voltaje rms , de salida [7].

.

1.4. MICROCONTROLADORES

1.4.1. GENERALIDADES

Un microcontrolador (abreviado μC, UC o MCU) es un circuito integrado

programable, capaz de ejecutar las órdenes grabadas en su memoria. Está

compuesto de varios bloques funcionales, los cuales cumplen una tarea

específica. Sus líneas de entrada / salida pueden soportar el conexionado de los

sensores y actuadores del sistema a gobernar y todos los recursos

complementarios con el fin de atender los requerimientos de la tarea a la que se

dedica el microcontrolador.

1.4.2. ARQUITECTURA INTERNA DEL MICROCONTROLADOR

Un microcontrolador tiene una arquitectura que es similar al de un computador,

pero con características fijas y limitadas que no pueden alterarse.

Las partes principales de un microcontrolador son las siguientes:

Procesador ó CPU (Unidad Central de Proceso)

Memoria no volátil para contener el programa a ejecutar

Memoria volátil de lectura y escritura para guardar los datos

Líneas de entrada/salida para comunicación con el exterior

Recursos y periféricos auxiliares

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24

UNIDAD

DE

CONTROL

MEMORIA

DE

DATOS

(RAM)

CAMINO

DE

DATOS

MEMORIA

DE

INSTRUCCIONES

(ROM,

EPROM,

EEPROM,

FLASH)

RECURSOS

AUXILIARES

UNIDAD DE

ENTRADAS Y

SALIDAS

BUS DE CONTROL

BUS DE DATOS

BUS DE DIRECCIONES

RELOJ

EX

TE

RIO

R

MICROPROCESADOR

Figura 1.21. Arquitectura básica del microcontrolador

1.4.2.1. El procesador

Es la parte más importante del computador y se compone de dos grandes bloques:

Unidad de Control

Camino de Datos

La Unidad de Control recibe instrucciones en formato binario desde la memoria

que almacena el programa y genera las órdenes que necesita el Camino de Datos

para efectuarlas.

Los procesadores emplean las siguientes arquitecturas:

Arquitectura Von Neumann

Arquitectura Harvard

1.4.2.1.1. Arquitectura Harvard

Aunque inicialmente todos los microcontroladores adoptaron la arquitectura

clásica de Von Neumann, en la actualidad se impone la arquitectura Harvard. Esta

arquitectura es utilizada en supercomputadoras, en los microcontroladores PIC, y

sistemas integrados en general.

La arquitectura Harvard dispone de dos memorias independientes una, que

contiene sólo instrucciones y otra, sólo datos. Ambas disponen de sus respectivos

sistemas de buses de acceso y es posible realizar operaciones de acceso (lectura

o escritura) simultáneamente en ambas memorias [8].

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25

DIRECCIÓNUNIDAD

DE

CONTROL

MEMORIA

DE

DATOS

CAMINO

DE

DATOS

MEMORIA

DE

INSTRUCCIONESINSTRUCCIÓN DATO

DIRECCIÓN

MICROPROCESADOR

Figura 1.22. Arquitectura Harvard

1.4.2.2. Memoria de programa

Es la memoria donde se guarda las instrucciones del programa que ejecuta el

microcontrolador.

Como el programa a ejecutar siempre es el mismo, debe estar grabado de forma

permanente. Los tipos de memoria que se adaptan a estas exigencias son: ROM,

EPROM, EEPROM, y FLASH.

1.4.2.3. Memoria de datos

Los datos que manejan los programas varían continuamente y esto exige que la

memoria que los contiene debe ser de lectura y escritura, por lo que la memoria

RAM estática (SRAM) sea la más adecuada, aunque se volátil y pierda su

contenido al quitar la alimentación.

1.4.2.4. Líneas de entrada y salida

Las líneas E/S sacan información de los periféricos y recursos internos al exterior.

También recogen información de los dispositivos del exterior y la introducen al

microcontrolador para su procesamiento.

1.4.2.5. Recursos y periféricos auxiliares

Según las aplicaciones a las que orienta el fabricante cada modelo incorpora

diversos elementos que refuerzan y potencian su empleo. Entre los recursos más

comunes se citan a los siguientes:

Circuito de reloj

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26

Temporizadores, destinados a controlar tiempos

Conversores AD y DA

PWM, moduladores de ancho de pulso

Comparadores analógicos

Protocolos de comunicación, como I2C, USART, bus CAN, USB, etc.

1.4.3. MICROCONTROLADORES PIC

Los PIC son una familia de microcontroladores tipo RISC (Reduced Instruction

Set Computer) fabricados por Microchip Technology Inc. El nombre completo es

PICmicro, aunque generalmente se utiliza como Peripheral Interface Controller

(controlador de interfaz periférico).

Microchip pone a disposición gratuitamente potentes herramientas software en

internet e información que ayudan al diseño de aplicaciones, lo que hace que los

microcontroladores PIC tengan una gran aceptación en la comunidad de

profesionales y aficionados que se dedican al desarrollo de aplicaciones [9].

1.4.3.1. Juego de instrucciones y entorno de programación

El PIC usa un juego de instrucciones tipo RISC, cuyo número puede variar desde

35 para PICs de gama baja a 70 para los de gama alta. Las instrucciones se

clasifican entre las que realizan operaciones entre el acumulador y una constante,

entre el acumulador y una posición de memoria, instrucciones de

condicionamiento y de salto/retorno, implementación de interrupciones y una para

pasar a modo de bajo consumo llamada sleep.

Uno de los más modernos y completos compiladores para lenguaje C es mikroC,

que es un ambiente de desarrollo con editor de texto, bibliotecas con múltiples

funciones para todos los módulos y herramientas incorporadas para facilitar

enormemente el proceso de programación [9].

1.4.3.2. Principales características

La arquitectura del PIC es sumamente minimalista. Esta caracterizada por las

siguientes prestaciones:

Arquitectura tipo RISC, tipo Harvard, basada en banco de registros

Un reducido número de instrucciones de longitud fija.

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27

La mayoría de las instrucciones se ejecutan en un solo ciclo de ejecución (4

ciclos de reloj), con ciclos de único retraso en las bifurcaciones y saltos.

Un solo acumulador (W), cuyo uso (como operador de origen) es implícito

Todas las posiciones de la RAM funcionan como registros de origen y/o de

destino de operaciones matemáticas y otras funciones.

Una pila de hardware para almacenar instrucciones de regreso de funciones.

Una relativamente pequeña cantidad de espacio de datos direccionable

(típicamente, 256 bytes), extensible a través de manipulación de bancos de

memoria.

El espacio de datos está relacionado con el CPU, puertos, y los registros de

los periféricos.

El contador de programa está también relacionado dentro del espacio de datos,

y es posible escribir en él (permitiendo saltos indirectos).

1.4.4. CONTROLADOR DIGITAL DE SEÑALES (DSC)

Microchip ha unido las potencia y posibilidades de sus microcontroladores de 16

bits con las prestaciones más interesantes de los DSP (Digital Signal Processor)

para fabricar un circuito integrado denominado DSC, que intenta responder a las

necesidades modernas combinando las funciones típicas de los

microcontroladores con el rendimiento y prestaciones del los procesadores

digitales de señales DSP. Los DSC alcanzan un rendimiento de hasta 40 MIPS

(Millones de Instrucciones Por Segundo) [10].

1.4.4.1. Familias de los DSC

Microchip ha agrupado en dos familias:

dsPIC30F

dsPIC33F

Dentro de la Familia dsPIC30F tenemos:

Dispositivos dsPIC30F de propósito general.

Dispositivos dsPIC30F para el control de sensores.

Dispositivos dsPIC30F para el control de motores y sistemas de alimentación.

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28

Siendo el dsPIC30F3011 de la familia dsPIC30F para el control de motores el que

prestan mejores características de rendimiento para el control escalar propuesto.

1.4.4.2. El dsPIC30F3011 y sus características

El dsPIC30F3011 pertenece a la familia de los DSC para el control de motores, es

especialmente recomendado por Microchip para el control de motores de

inducción [11]. Integra potentes características que favorecen esta función, entre

las principales son: 6 canales PWM con salidas independientes o

complementarias, 3 generadores de ciclo de trabajo, control de los tiempos

muertos. La figura 1.23 muestra la distribución de pines del encapsulado tipo

PDIP.

AVDDAVSSPWM1L/RE0PWM1H/RE1PWM2L/RE2PWM2H/RE3PWM3L/RE4PWM3H/RE5VDDVSSRF0RF1U2RX/CN17/RF4U2TX/CN18/RF5PGC/EMUC/U1RX/SDI1/SDA/RF2PGD/EMUD/U1TX/SDO1/SDL/RF3SCK1/RF6EMUC2/OC1/IC1/INT1/RD0OC3/RD2VDD

40

3837

2122

36353433

313029282726252423

39

32

MCLREMUD3/AN0/VREF+/CN2/RB0EMUC3/AN1/VREF-/CN3/RB1

AN2/SS11/CN4/RB2AN3/INDX/CN5/RB3

AN4/QEA/IC7/CN6/RB4AN4/QEB/IC8/CN7RB5

AN6/OCFA/RB6AN7/RB7AN8/RB8

VDDVSS

OSC1/CLKIOSC2/CLKO/RC15

EMUD1/SOSCI/T2CK/U1ATX/CN1/RC13EMUD1/SOSCO/T1CK/U1ARX/CN0/RC14

FLTA/INT0/RE8EMUD2/OC2/OC2/IC2/INT2/RD1

OC4/RD3VSS

1

34

2019

5678

101112131415161718

2

9

dsP

IC3

0F

30

11

Figura 1.23. Distribución de Pines del dsPIC30F3011 [11]

Los dsPIC30F alcanzan un rendimiento de 30 MIPS a un voltaje de alimentación

de entre 4,5 y 5,5 Pueden trabajar en una temperatura ambiente de entre

- 45 C° y 125 C°.

En cuanto a la arquitectura de la CPU los dsPIC30F se sustentan en un núcleo

RISC con arquitectura Harvard mejorada. Actuando como soporte central de la

información existe un banco de 16 registros de 16 bits cada uno.

El aporte más considerable es la de admitir instrucciones MCU y operaciones

DSP. El motor DSP facilita la resolución operaciones matemáticas, con repertorio

de 84 instrucciones, la mayoría de 24 bits y ejecutables en un ciclo de instrucción.

Las secciones MCU y DSP cooperan en el funcionamiento general y comparten el

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29

flujo de instrucciones del DSC. Otra característica importante es la de poseer un

modulo de interrupciones con 7 niveles de prioridad programables [10].

Las características más destacables del DSC dsPIC30F3011 se resumen en la

tabla 1.1. [11].

Parámetro Valor

Arquitectura 16-bit

Velocidad del CPU (MIPS) 30

Tipo de Memoria Flash

Memoria de Programa (KB) 24

RAM Bytes 1024

Voltaje de operación (V) 2,5 a 5,5

Pines I/O 30

Numero de pines 40

Oscilador Interno 7,37 MHz, 512 kHz

Periféricos de comunicación 2-UART 1-SPI 1-I2C

Resolución de PWM 16 bits

Canales PWM 6

Timers 5 x 16-bit 2 x 32-bit

Puerto paralelo GPIO

Tabla 1.1. Características del dsPIC30F3011 [11]

1.4.4.2.1. Arquitectura de la CPU

En la figura 1.24 se muestra el diagrama de bloques correspondiente a la

arquitectura del dsPIC30F3011. El diagrama se divide en 6 bloques principales:

Memoria de datos

Memoria de programa

Camino de datos

Puertos de E/S multifunción

Periféricos diversos

Recursos para la gestión del sistema y la energía

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30

Controlador de

Interrupciones

PSV&TablaBloque de Control de

Acceso a Datos

PCHPCU PCL

Lógica de Control de Pila

Lógica de Control de

Bucle

Contador de Programa

Memoria de Datos Y RAM

(4Kb)

Memoria de Datos X RAM

(4Kb)

AGU YARGU XWAGU X

Bus de Datos Y

Bus de Datos X

Memoria de Programa

Flash(24kb)

EEPROMDatos(1kb)

Registro ROM

IR

Dirección Efectiva

DecoderBanco de

Registros W 16 X16

ALU <16>

Unidad de División

Motor DSP

Temporizador de Encendido

Temporizador de Arranque de Oscilación

POR/BORReset

Perro Guardian

Decodificador de

Instrucciones y Control

OSC1/CLKI

Señales de Control para Varios Bloques

Oscilador

VDD, VSS,AVDD, AVSS

MCLR

EMUD3/AN0/VREF+/CN2/RBO

EMUC3/AN1/VREF-/CN3/RB1

AN2/SS1/CN4/RB2

AN3/INDX/CN5/RB3

AN4/QEA/IC7/CN6/RB4

AN5/QEB/IC8/CN7/RB5

AN6/OCFA/RB6

AN7/RB7

AN8/RB8

EMUD1/SOSCI/T2CK/U1ATX/CN1/RC13

EMUC1/SOSCO/T1CK/U1ARX/CN0/RC14

OSC2/CLKO/RC15

PUERTO C

PUERTO B

EMUD2/OC1/IC1/INT1/RC0

EMUC2/OC2/IC2/INT2/RD1

OC3/RD2

PUERTO D

OC4/RD3

ADC 10-bitMódulo de

CapturaMódulo de

ComparaciónI2CTM

UART1,UART2Módulo de Control de

Motores PWMQEITimersSPI

PWM1L/RE0

PWM1H/RE1

PWM2L/RE2

PWM2H/RE3

PWM3L/RE4

PWM3H/RE5

FLTA/INT0/RE8

PUERTO E

RF0

RF1

PGC/EMUC/U1RX/SDI1/SDA/RF2

PGD/EMUD/U1TX/SDO1/SCL/RF4

U2RX/CN17/RF4

U2TX/CN18/RF5

SCK1/RF6

PUERTO F

1616

1616

16 16 16

16

16 16

16 16

1616

24

24

24

16

24

16

MEMORIA DE PROGRAMA MEMORIA DE DATOS PUERTOS E/S

GESTIÓN DEL SISTEMA Y DE LA ENERGÍA

CAMINO DE DATOS

PERIFÉRICOS

Figura 1.24. Diagrama de bloques de la arquitectura del dsPIC30F3011 [11]

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31

1.4.4.2.2. Memoria de datos

El dsPIC30F3011 dispone de una memoria de datos de 1 Kb con palabras de 16

bits, que se dividen en dos espacios denominados X e Y, como se observa en la

figura 1.25. Estos funcionan de forma independiente al tener sus propias

Unidades de Generación de Direcciones (AGU). La mayoría de instrucciones tipo

MCU solo operan con la AGUX, que combinan los espacios X e Y. Sin embargo,

algunas instrucciones tipo DSP, dividen el espacio de memoria de datos en dos

espacios X e Y independientes, que posibilitan el acceso simultaneo en lectura y

reducen el tiempo de ejecución de algunas instrucciones [10].

0x8000

0xFFFE

0x0C000x0BFE

0x0A000x09FE

0x08000x07FE

0x0000

0x8001

0xFFFF

0x0C010x0BFF

0x0A010x09FF

0x08010x07FF

0x0001Espacio de

SFR

2 Kb

Espacio

de SRAM

1 Kb

Espacio de

Datos

3072 bytes

LSBMSB

16 bits Dirección

LSB

Dirección

MSB

RAM de Datos Y

No

Implementado

RAM de Datos X

Espacio de SRF

Figura 1.25. Memoria de Datos del dsPIC30F3011 [11]

1.4.4.2.3. Memoria de programa

El espacio de memoria de programa puede direccionar un espacio máximo de 4

millones de palabras de instrucción de 24 bits. Hay dos maneras de por los que el

espacio de programa puede ser accedido; a través el contador de programa que

consta de 23 bits o mediante un direccionamiento indirecto utilizando un registro

de trabajo y las instrucciones especiales de lectura y escritura de tabla [11].

En la figura 1.26 se observa, que el mapa de memoria de programa está dividido

en dos partes, el espacio de programa de usuario y el espacio de configuración

del usuario.

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32

FFFFFE

FF0000FEFFFE

F80010F8000E

F80000F7FFFE

8006008005FE

8005008005BE

8000007FFFFE

7FFC007FFBFE

004000003FFE

0001000000FE

000084000080

00007E

000004

000002000000

Tabla de

Vectores

Reset

Espacio de

Memoria

del Usuario

Espacio de

Memoria

Configuración

Tabla de Vectores

de Interrupción

Reservado

Tabla de Vectores Alternativa

Memoria Flash

8 K Instrucciones

Reservado

EEPROM de

Datos

(1 Kbyte)

UNITID

Reservado

Registros de Configuración

Reservado

DEVID

Reservado

Figura 1.26. Mapa del espacio de memoria de programa del dsPIC30F3011 [11]

El espacio de programa de usuario contiene el vector reset, la tabla de vectores

de interrupción, memoria de programa y memoria de datos EEPROM de 1 Kb. El

espacio de configuración del usuario contiene los bits de configuración no volátiles

para setear las opciones del dispositivo y las ubicaciones de identificación [6].

1.4.4.2.4. Camino de datos

Para combinar las funciones aritméticas de las MCU de 16 bits con las específicas

de los DSP, cuenta con los siguientes recursos:

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33

El motor DSP.- Esta formado por un multiplicador rápido de 17 x 17 bits, dos

acumuladores A y B de 40 bits y un potente desplazador bidireccional de 40

bits, capaz de desplazar un valor de 40 bits hasta 16 bits a la izquierda o

derecha en solo ciclo.

El banco de registros.- Es una parte muy importante del motor DSP, son 16

registros de trabajo de 16 bits y cumplen un función específica, que se

describen en la tabla 1.2 [10].

Registros Descripción

W0 Registro de trabajo por defecto (WREG).

W0 - W3 Registros usados para contener resultados de las operaciones DIV y MUL.

W4 - W7 Registros utilizados para guardar operandos de las instrucciones MAC.

W8 - W9 Registros usados para direccionar operandos de la instrucción MAC en el espacio X.

W9 - W10 Registros usados para direccionar operandos de la instrucción MAC en el espacio Y.

W12 Offset de las instrucciones MAC.

W13 Registro de post- escritura del Acumulador.

W14 Marco de la pila.

W15 Puntero de la pila. Por defecto, la dirección de la cima de la pila será la 0x0800.

Tabla 1.2. Funciones especificas de los registros de trabajo [10]

La Unidad Lógica Aritmética (ALU).- Es un registro de 16 bits que se encarga

de las instrucciones lógicas aritméticas de la sección MCU, controla 5 bits del

Registro de Estado (SR), los cuales actúan como señalizadores del resultado y

estos son [6]:

C, Acarreo/Llevada bit de mayor peso

Z, Resultado cero

OV, Desbordamiento

N, Negativo

DC, Acarreo/Llevada en cuarto bit

Unidad de división.- Consta de las siguientes instrucciones:

DIVF, división fraccional con signo 16/16

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34

DIV.SD, división con signo 32/16

DIV.UD, división sin signo 32/16

DIV.SW, división con signo 16/16

DIV.UW, división sin signo 16/16

El cociente de todas las instrucciones de división se coloca en W0, y el residuo en

W1, mientras que el dividendo y el divisor pueden colocarse en cualquiera de los

registros de 16 bits.

Los recursos del camino de datos descritos anteriormente se puede observar en

la figura 1.27. [10].

Banco de Registros W

16 X16

ALU <16>

Unidad de División

Motor DSP

16 16

16 16

16

16

16

16

BU

S D

E D

ATO

S X

BU

S D

E D

ATO

S Y

(Dirección)

Figura 1.27. Esquema del Camino de datos [10]

1.4.4.2.5. Periféricos diversos

El dsPIC30F3011 posee una variedad de periféricos que proveen un la solución

para el desarrollo de aplicaciones, y son las siguientes:

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35

Periféricos analógicos

Conversor AD de 10 bits

Periféricos digitales

5 temporizadores de 16 bits

Módulo de Captura de 16 bits

Módulo de Comparación de 16 bits

Interfaz para Codificador de Cuadratura

Control de Motores PWM

Módulos de comunicación

2 módulos UART

SPI™

I2C

De estos periféricos el más importante para este proyecto es el módulo de control

de motores PWM, y en la sección siguiente se lo revisa con más detalle.

1.4.4.2.6. Módulo de control de motores PWM

Este modulo genera salidas sincronizadas de PWM para aplicaciones de control

de potencia y motores. Este modulo posee 6 salidas PWM, con 3 generadores de

ciclos de trabajo independientes, que pueden ser configurados en varios modos

en función de la necesidad de la aplicación.

El tiempo base de la señal PWM es generado por el temporizador PTMR de 15

bits con pre escalador y post escalador. El bit 15 del registro PTMR indica la

dirección del contador: 0 indica conteo hacia arriba y 1 indica un conteo hacia

abajo. Esta característica permite a la unidad generar formas de onda PWM de

alineamiento por flanco y alineamiento centrado.

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36

PWM1L

FLTA

PWM1H

PWM2L

PWM2H

PWM3L

PWM3HCanal 3 Generador de Tiempos

Muertos y Lógica Override

Canal 2 Generador de Tiempos

Muertos y Lógica Override

Canal 1 Generador de Tiempos

Muertos y Lógica Override

Bloque Driver

de Salidas

Generador PWM#1

Generador PWM#2

Generador PWM#3

Comparador

PDC3

PDC3 Buffer

Postescalador de Evento Extraordinario

Trigger de Evento Extraordinario para el Conversor A/D

SEVTDIRPTDIR

PWMCON1

PWMCON2

DTCON1

FTLACON

OVDCON

PTMR

PTPER

PTPER Buffer

PTCON

SEVTCMP

Comparador

Comparador

SFRs de Control de Pin de Falla

SFR de Control Manual del PWM

SFRs de Control de Tiempos Muertos

Habilitación PWM y Modo SFRs

Tiempo Base del PWM

Figura 1.28. Diagrama de bloques del módulo de control de motores [11]

El registro de control del tiempo base (PTCON) configura al registro PTMR, este

permite encender o apagar, para setear el pre escalador y el post escalador y

seleccionar un modo de operación que son: modo de funcionamiento libre, modo

de evento individual, modo continuo hacia arriba o hacia abajo, modo continuo

hacia arriba o hacia abajo con doble actualización de PWM.

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37

Para la generación del las señales SPWM se emplea el modo continuo hacia

arriba o hacia abajo para obtener salidas PWM con alineamiento centrado. Esta

configuración se la realiza en los bits PTMOD <1:0> del registro PTCON, y como

resultado se obtienen forma de onda que se observa en la figura 1.29. [11], [12].

Periodo/2

PTPER

Ciclo de

Trabajo

0

Periodo

Valor

PTMR

Figura 1.29. PWM con alineamiento centrado [11]

La comparación de salida PWM es conducido al estado activo cuando el valor del

registro coincide con el ciclo de trabajo PTMR y la base de tiempo PWM está

contando hacia abajo (PTDIR 1). La comparación de salida PWM es conducido

al estado inactivo cuando el tiempo base PWM está contando hacia arriba (PTDIR

0) y el valor del registro PTMR coincide con el valor del ciclo de trabajo. Si el

valor en un registro de ciclo de trabajo en particular es cero, entonces la salida en

el correspondiente en el pin PWM se inactiva durante el periodo PWM. Además,

la salida en el pin PWM estará activo para todo el periodo PWM, si el valor en el

registro del ciclo de trabajo es igual al valor contenido en el registro PTPER.

Hay tres registros de funciones especiales 16-bit (PDC1, PDC2 y PDC3) utilizan

para especificar los valores del ciclo de trabajo para el módulo de PWM.

El valor de cada registro de ciclo de trabajo determina la cantidad de tiempo que

la salida de PWM está en estado activo (1L). Los registros de ciclo de trabajo son

de 16 bits de ancho. El bit menos significativo del registro de ciclo de trabajo

determina si el borde de PWM se produce al comienzo. Por lo tanto, la resolución

de la PWM se duplica efectivamente [11].

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38

En el inversor monofásico en puente completo de la figura 1.167 los dispositivos

electrónicos de conmutación de una misma rama no pueden encenderse al mismo

instante, debido a que se produciría un cortocircuito, como se analizó

anteriormente. La solución es añadir una pequeña cantidad de tiempo entre el

encendido de un elemento y el apagado del elemento complementario de la

misma rama del inversor, como se observa en la Figura 1.30. [6].

GENERADOR

PWM

CARGA

PWMxH

PWMxL

Tiempo

Muerto

Tiempo

Muerto

BUS DC -

BUS DC +

PWMxH

PWMxL

Figura 1.30. Generación de tiempos muertos en modo complementario

Los registros DTCON1 y DTCON2 son usados para programar y habilitar el

generador de tiempos muertos. Cada par de salida del modulo PWM puede ser

programado en modo independiente o en modo complementario.

En el modo independiente, los generadores de tiempos muertos son

deshabilitados y no existe restricción en el estado de los pines para cualquier par

de salidas.

En el modo complementario, cada par de Salidas PWM se obtiene por una señal

PWM complementaria. En modo de funcionamiento se inserta el tiempo muerto.

1.4.4.2.7. Interrupciones

Las interrupciones en el dsPIC30F3011 tienen 3 características sobresalientes [6]:

Son sectorizadas.- Al producirse el evento de la interrupción el procesador ya

no tiene que investigar cual fue el origen de la interrupción; sino que salta 7 Refiérase a la figura 1.16 de la sección 1.3.2.2.

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39

directamente a una posición de memoria donde está alojado el código de

atención a cada interrupción específica. Para esto el DSC posee una tabla de

Vectores de interrupción (IVT). La IVT se localiza en la memoria de programa,

donde cada fuente de interrupción tiene su propio vector.

Tienen niveles de prioridad.- En caso de producirse dos o más interrupciones

al tiempo, se atenderá primero la que tenga mayor nivel de prioridad; dichos

niveles de prioridad pueden estar configurados entre 1 (mínima) y 7 (máxima),

además el nivel 0 indica su prohibición, para ello la programación

correspondiente se la realiza en los bits IPL<2:0>.

Permiten anidamiento.- Si se está atendiendo una interrupción y se genera

otra interrupción que tenga configurado un nivel de prioridad mayor, se pausa

la ejecución actual y se procede a atender la nueva interrupción. Al terminar

esto se vuelve al punto donde quedó la atención de la interrupción con menor

nivel de prioridad.

Para la atención y el procesamiento de las interrupciones, el controlador utiliza los

siguientes registros:

Registro de Control Global de Interrupciones INTCON1 e INTCON2

Registro de Estado del CPU (SR)

Registro de Configuración del núcleo (CORCON)

Registros de Señalización del Estado de las Interrupciones (IFSx)

Registros de control de Habilitación de las Interrupciones (IECx)

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40

CAPÍTULO 2

DISEÑO DEL HARDWARE

2.1. INTRODUCCIÓN

Esquemáticamente el circuito inversor está constituido por dos etapas principales:

Etapa de Potencia.- Está conformada por un rectificador monofásico no

controlado (conversor AC-DC), el mismo que esta acoplado a un inversor

monofásico en puente completo (conversor DC-AC); de esta manera se logra

convertir el voltaje monofásico AC de la red, de frecuencia y amplitud

constante, a una fuente donde la frecuencia y amplitud de la señal de voltaje

dependen del sistema de control implementado.

Etapa de control.- Está constituida básicamente por un Microcontrolador Pic y

un Controlador Digital de Señales dsPIC y su circuitería externa; los circuitos

que permiten al usuario interactuar con microcontrolador PIC y los de interfaz

con el circuito de potencia. Por medio del circuito de control, se generan las

señales de excitación que van a controlar el estado de conmutación de los

MOSFETs.

Rectificador InversorFiltro

Optoaisladores

Driver de

Mosfets

DSCMCU

Display

LCD

En

tra

da

s

Dig

ita

les

Motor

Monofásico120VAC

-

+

Figura 2.1. Diagrama de bloques del Hardware

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41

2.2. ETAPA DE POTENCIA

La etapa de potencia la conforman el rectificador en puente monofásico, y el

puente inversor monofásico. La salida del inversor, que es un voltaje DC, es

llamado Bus de DC. Se ha adjuntado un capacitor que permite filtrar el rizado y

obtener un voltaje medio de mayor valor.

Rectificador InversorFiltro

Motor

Monofásico120VAC

Bus DC -

Bus DC+

Figura 2.2. Diagrama de bloques de la Etapa de Potencia

2.2.1. RECTIFICADOR MONOFÁSICO

El circuito de la figura 2.3 muestra un rectificador en puente monofásico

conformado por cuatro diodos, estos convierten la señal de voltaje alterna en una

señal de voltaje continuo.

D4 D2

D3

CvL

D1F

N

VDC

+

-

Figura 2.3. Rectificador en puente monofásico

Durante el medio ciclo positivo del voltaje de entrada se sumista potencia a la

carga a través de y . Durante el medio ciclo negativo, los diodos y

conducirán [7].

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42

El uso del filtro capacitivo permite incrementar el valor de voltaje medio . Por lo

cual, el voltaje pico de la onda DC generada se obtiene a partir de [13]:

. )

Donde: es el voltaje suministrado por la red.

El rizado del voltaje generado depende del valor del capacitor, cuyo

dimensionamiento es tratado más adelante.

2.2.1.1. Dimensionamiento de los diodos

En el dimensionamiento de los diodos se consideran características de

funcionamiento del circuito de la figura 2.3, así como la potencia máxima de salida

del inversor.

Para este caso, se ha previsto manejar motores de potencias de hasta 1/3 o

sea 248,57 , considerando un factor de potencia de 0,6 y un rendimiento

del motor del 60%. Utilizando la ecuación 2.2 se determina la corriente

nominal eficaz de línea del motor .

. )

Para el dimensionamiento, es necesario conocer la corriente pico que circula a

través de los diodos según el requerimiento de la carga. Con la suposición de que

a la salida del inversor se obtiene una corriente sinusoidal8, y en función del índice

de modulación de la amplitud ( ) que se genera con el control SPWM, la

corriente media ( ) que entrega el Bus de DC al inversor está dada por la

ecuación 2.3 [14].

Donde:

8 Esta suposición es válida puesto que las bobinas del motor actúan como filtro L.

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43

es el ángulo de desfase entre la fundamental del voltaje y la corriente en la

salida del inversor.

De la cual integrado resulta:

.

Reemplazando el valor obtenido de la ecuación 2.2 y un índice de modulación

igual a 1 se obtiene:

Al utilizar el filtro capacitivo la corriente que circula a través de los diodos es

pulsatoria [5]. El pico máximo se producirá cuando el motor trabaje a plena carga.

Para esto, se requiere que la fuente permanezca en conducción continua y

entregue corriente constante. La forma de onda de la corriente se aproximó a un

par de rectángulos cuya área deberá ser igual a la corriente que circula por los

diodos sin el filtro capacitivo [15].

ωt

VP

0

π x

Vp-p

Aproximación de la forma de onda de la

corriente

Voltaje de salida con filtro capacitivo

Corriente pulsante

Figura 2.4. Aproximación de corriente pulsatoria en los diodos

De acuerdo a los parámetros de la figura 2.4 y siguiendo el procedimiento que se

detalla a continuación se llega a la ecuación 2.4, en la que se calcula la corriente

pico que soportan los diodos [15].

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44

. )

Donde:

es el factor de rizo de la onda de voltaje del Bus de DC.

es la corriente pico de los diodos del puente rectificador.

Para un factor de rizo del 5%, se tiene:

La corriente media y la corriente eficaz que circulan a través de los diodos, se

calcula mediante las ecuaciones 2.5 y 2.6. Considerando conducción continua y

siendo el valor máximo de corriente. La corriente media del diodo

es:

. )

La corriente eficaz del diodo es:

. )

El voltaje pico inverso , que soporta cada diodo es igual al voltaje pico de la

fuente , esto es:

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45

. )

Símbolo Definición Magnitud Unidad

Corriente media 1,22 A

Corriente eficaz 1,725 A

Corriente pico máxima 24,13 A

Voltaje pico inverso 169,71 V

Tabla 2.1. Características mínimas del puente rectificador requerido

Considerando los valores de la tabla, se seleccionó el puente rectificador NTE

5326W de NTE Electronics, que tiene las siguientes características:

Símbolo Definición Magnitud Unidad

Corriente media 25 A

Voltaje eficaz del Puente 420 V

Corriente pico máxima 300 A

Voltaje pico inverso 600 V

Tabla 2.2. Características del puente rectificador NTE 5326W

2.2.2. FILTRO CAPACITIVO

El valor mínimo del capacitor de filtrado depende principalmente de la potencia de

salida y el voltaje de rizo. Luego de asumir; (i) la corriente y el voltaje a la salida

del inversor corresponden a una función sinusoidal, (ii) la potencia instantánea de

entrada es igual a la potencia instantánea de salida del inversor, y (iii)

despreciando los componentes de alta frecuencia de conmutación en la corriente

salida del inversor ). La expresión para determinar el valor mínimo del filtro

capacitivo requerido se da en la ecuación 2.8 [16].

. )

Donde:

es la potencia aparente de salida del inversor.

es la frecuencia de salida de la fundamental de voltaje de salida del inversor.

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46

es el voltaje de rizo eficaz del Bus de DC.

es el voltaje medio de salida del puente rectificador.

La potencia aparente de salida del inversor, para este caso, es la potencia

aparente que requiere el motor monofásico, esto es:

. )

El voltaje medio de salida en un rectificador en puente monofásico (Figura 2.3) se

calcula por medio de la ecuación 2.10 [17].

. )

Se requiere un factor de rizo del 5%, con lo cual el voltaje de rizo eficaz es [17]:

. )

Reemplazando los valores obtenidos en las ecuaciones 2.9, 2.10 y 2.11 en la

ecuación 2.8, y para una frecuencia de salida de 60 , se determinó el valor del

filtro capacitivo.

Por disponibilidad en el mercado local, se utilizó un capacitor de 2200 a

200 para obtener un menor rizado.

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47

2.2.2.1. Circuito de carga del capacitor

Cuando se enciende el sistema, el capacitor aparece al principio como

cortocircuito a través de la fuente de c.a [5], lo que puede provocar una corriente

inicial elevada. Este nivel de corriente puede causar daños en los diodos del

puente rectificador.

Para resolver este problema, se implementó el circuito de carga del capacitor que

se muestra en la figura 2.5. El circuito está formado por el capacitor del filtro, una

resistencia de carga . Esta resistencia limita la corriente inicial y el relé

cortocircuita la resistencia de carga.

D1

NTE5326W

BR1

RL1

A B

NO

NC

COM

RC

D2

CR

D3

D4

GND_P

BUS_DC+

BUS_DC-

RL_

A

RL_

BF_IN

N_IN

Figura 2.5. Circuito de carga del capacitor

Mediante las ecuaciones 2.12 y 2.13, se determinó el valor de la resistencia de

carga. La primera ecuación da como resultado la corriente pico inicial , que

aparece en circuito de carga del capacitor, mientras que la segunda es la

constante de tiempo del circuito .

. )

. )

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48

De acuerdo a las dos ecuaciones anteriores se asumió un valor de ,

con el fin de tener una corriente pico inicial, no mayor a 771,4 , y la constante

de tiempo de 0,484 .

Como se mencionó anteriormente, el circuito sirve solo para la carga del capacitor

luego la resistencia es cortocircuitada para evitar la caída de voltaje y tener todo

el voltaje del Bus de DC a disposición. Para este caso, el relé cortocircuita el

capacitor cuando se cargue al 80% de .

La ecuación 2.14 describe el voltaje de carga del capacitor , en función de la

resistencia de carga y el tiempo [13].

. )

De la cual, el tiempo de activación del relé es:

El capacitor se carga completamente hasta cuando , en este caso, el relé

cortocircuita a la resistencia en el instante . Así, la potencia media que

disipa la resistencia de carga se calcula mediante la ecuación 2.1 [13].

. )

Integrando y remplazando los resultados de las ecuaciones 2.12, 2.13 y 2.14

resulta:

Para este caso se utilizó una resistencia de carga de 220 y 5 .

La señal que activa al relé se genera mediante un circuito conformado por

amplificadores operacionales LM358P, como se muestra en la figura 2.6. Los

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49

amplificadores operacionales comparan las señales del los divisores de voltaje de

las ramas conformadas por las resistencias , , y .

Figura 2.6. Circuito para la activación del relé

Del circuito de la figura 2.6, las resistencias , , y , se calculan de

acuerdo a las ecuaciones del divisor de voltaje 2.16 y 2.17. Para un voltaje de

comparación igual a 5 , se obtuvieron las siguientes ecuaciones.

. )

. )

Para la rama conformada por y se utilizó un voltaje de fuente de 15 ,

y para el caso de la rama conformada por y el 80% de .Con el fin de no

tener resistencias de potencias elevadas, se fijan valores altos de resistencias; así,

considerando las relaciones anteriores y valores normalizados de resistencias se

procede de la siguiente manera:

Para una resistencia la resistencia de la ecuación 2.16 es:

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50

De igual forma en la ecuación 2.17, para una resistencia la

resistencia es:

A continuación se calcula la potencia que disipan las resistencias , , y .

9

A la salida del amplificador operacional U7:A se implementó el transistor

modelo 2N3904, este funcionara en estado de corte o saturación.

La corriente nominal de la bobina del relé es 77,4 10. La obtención de este

valor de corriente y el lograr el cambio de estado en el transistor dependen de la

resistencia de base, en este caso la resistencia . La corriente de base y la

corriente en estado de saturación del transistor se relacionan mediante la

ecuación 2.18 [17].

9 La magnitud de potencia de se incrementó a 1 por problemas de calentamiento en la

práctica. 10

Dato tomado de la hoja de especificaciones del relé modelo JQX-15F-1CS.

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51

. )

Donde:

es la ganancia de corriente en DC

De la hoja de datos del transistor 2N3904, la ganancia para obtener la corriente

requerida . De esta manera la corriente de base es:

El voltaje de salida del amplificador operacional LM358P en estado de saturación

es de aproximadamente 13 .Por lo que, la resistencia de base se calcula así:

. )

Seleccionando un valor normalizado menor al calculado para asegurar la

saturación, se obtiene:

El led y la resistencia conforman el indicador de estado del relé. El opto

acoplador modelo 4N35 envía la señal de estado del relé al microcontrolador ,

una vez que el relé cortocircuite a la resistencia de carga el sistema puede

funcionar, también sirve como un detector de bajo voltaje de modo que el equipo

funciona con voltajes de red superiores 100 .

Para el dimensionamiento de las resistencias , y se considera que para

encender un led es necesario al menos 15 , y el led del opto acoplador 4N35

requiere 50 , con esto se realizaron las siguientes operaciones:

Seleccionando valores normalizados:

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52

Finalmente, se adiciona un diodo en paralelo a la bobina del relé para direccionar

la energía de descarga de la misma y evitar daños en el transistor.

2.2.3. PUENTE INVERSOR MONOFÁSICO

El puente inversor monofásico, que no es más que un conversor DC/AC, está

conformado por cuatro dispositivos electrónicos de conmutación. La fuente de

alimentación del inversor es suministrada por el bus DC y el microcontrolador

maneja la conmutación de los dispositivos; de tal forma, que a la salida se obtiene

un voltaje con amplitud y frecuencia controlada. El puente inversor implementado

se muestra en la figura 2.7.

D

S

G

D

S

G

Q2

IRFP450

Q3

IRFP450

D

S

G

Q4

IRFP450

D

S

G

Q1

IRFP450

C2C1

GND_P

HACIA

MOTOR MONOFÁSICO

BUS_DC+

BUS_DC-

Q1_S Q3_S

PWM1DL

PWM1DH PWM2DH

PWM2DL

N_MOT

F_MOT

Figura 2.7. Puente inversor monofásico

2.2.3.1. Selección y dimensionamiento de los dispositivos de conmutación

La potencia que se maneja en esta etapa depende de los dispositivos electrónicos

de conmutación.

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53

Los transistores de potencia tienen características contraladas de encendido y

apagado. Los transistores que se seleccionan como dispositivos de conmutación,

se operan en la región de saturación, y producen una pequeña caída de voltaje en

el estado de encendido [7].

Un MOSFET de Potencia (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), es

un dispositivo controlado por voltaje y requiere solo una pequeña corriente de

compuerta. La velocidad de conmutación es muy alta, y los tiempos de

conmutación son del orden de nanosegundos. Los MOSFET de potencia se

aplican en convertidores de potencia relativamente baja, y alta frecuencia. Los

tipos de MOSFET son 1) incrementales y 2) decrementales, y estos a su vez

pueden ser de canal p o de canal n [7].

Por sus características de funcionamiento, en esta aplicación, se requiere un

MOSFET de tipo incremental de canal n. La figura 2.8 muestra su estructura

interna y características de funcionamiento.

D

S

GVDS

ID

RD

VDD

+

-

+

-VGS

+

-

RD

+

-VDD

VGS

+

-

ID

Óxido

Metal

Substrato

tipo p

Substrato de metal

n+

n+

SímboloEstructura Básica

D

G

S

Figura 2.8. MOSFET tipo incremental canal n [7]

En el MOSFET tipo incremental canal n de la figura 2.8. Si el voltaje compuerta-

fuente , es mayor o igual a un valor llamado voltaje umbral, circula una

corriente del drenaje a la fuente [7].

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54

Para el dimensionamiento de los MOSFET se considera la corriente, voltaje y

frecuencia de conmutación. Para este caso, los dispositivos de conmutación

actúan medio ciclo de funcionamiento respecto a la carga. En consecuencia, la

corriente media y eficaz que maneja cada MOSFET que conforman el puente

inversor es la mitad de la que requiere la carga, calculados anteriormente en la

sección 2.2.1.1. El voltaje que soportan es el del Bus de DC, es decir , y la

frecuencia de conmutación es de 1260 .

Símbolo Definición Magnitud Unidad

Corriente media de drenaje 1,22 A

Voltaje drenaje fuente 169,71 V

Voltaje compuerta fuente 15 V

Tabla 2.3 Requerimientos eléctricos mínimos de los MOSFET de potencia

Se considera también, la posibilidad de arrancar sin rampa de aceleración, con lo

cual la corriente eficaz a la que se somete los dispositivos de conmutación debe

ser de por lo menos seis veces la corriente eficaz , esto debido a la corriente

elevada de arranque de los motores de inducción.

Con estas consideraciones, se seleccionó el MOSFET de potencia tipo

incremental de canal n modelo IRFP450 de Vishay Siliconix, sus características

principales se resumen en la siguiente tabla.

Símbolo Definición Magnitud Unidad

Corriente media de drenaje 14 A

Voltaje drenaje- fuente 500 V

Voltaje compuerta -fuente 20 V

Corriente de drenaje pulsante 56 A

Potencia máxima de disipación

190 W

Corriente media del diodo de retroalimentación

14 A

Tabla 2.4. Datos del MOSFET de potencia IRFP450

Los dispositivos de conmutación presentan límites muy estrictos en cuanto a

valores máximos de voltaje, corriente y potencia soportados, que si son

superados podrían provocar la destrucción del dispositivo.

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55

Los circuitos de ayuda a la conmutación conocidos como Snubber son una parte

esencial en muchos de los circuitos electrónicos de potencia. En general,

podemos considerarlos como un conjunto de componentes (pasivos y/o activos)

que se incorporan al circuito de potencia, para la protección de los dispositivos

electrónicos durante las conmutaciones y asegurar un régimen de trabajo seguro.

Aunque existen distintos tipos de circuitos Snubber, en este caso se maneja una

corriente relativamente baja. En la práctica, para corrientes inferiores a 100 , se

utilizan los capacitores y realizan la función de Snubber (Figura 2.7), son

denominados capacitores de desacople. Se emplean para disminuir la pendiente

de subida de la tensión en el dispositivo de conmutación durante el transitorio de

apagado, [5], [6].

El valor de la capacitancia de desacople depende de las inductancias parásitas,

máxima corriente de conmutación, voltaje pico permisible y voltaje que suministra

el conversor AC/DC al inversor. Esta capacitancia puede ser aproximada

suponiendo 0,1 por cada amperio que soporta los MOSFET cuando no es

posible determinar directamente la inductancia [6]. Por lo tanto, debido a que la

corriente máxima que puede soportar los MOSFET, se utilizaron capacitores de

desacople de 1 a 250 .

2.2.3.2. Circuito para manejo de los MOSFET

Los MOSFET requieren un voltaje de compuerta para su activación de cada señal

de control en el puente inversor, pues en la parte inferior se tiene una misma

referencia, pero los MOSFET de la parte superior tienen dos referencias distintas

e independientes.

Existe una gran diversidad de drivers de MOSFET con beneficios entre los que

podemos nombrar [13]:

Manejo directo de todo el puente inversor.

Rápida conmutación, óptimos para trabajar a altas frecuencias.

Rangos de voltaje óptimos para el encendido del semiconductor.

Algunos incluyen tiempos muertos, detección de sobrecorriente y problemas

de concordancia de las señales de control.

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56

Para este proyecto, se utilizó el driver IR2110 de International Rectifier. Este

driver permite manejar dos MOSFETs de un mismo ramal del puente inversor; de

esta forma, se necesitan dos circuitos integrados y una sola fuente. El circuito es

compatible con lógica de señal de entrada de 5 , opera con voltaje del Bus de

DC de hasta +600 , permite señal de compuerta de 10 a 20 y puede

manejar corrientes hasta de 2,5 Este circuito integrado emplea la técnica

Bootstrap para crear la fuente de alimentación flotante para la compuerta-fuente

de los MOSFET de la parte superior del puente inversor, y . La fuente

alimentación Bootstrap está formada por un diodo ( ) y un condensador

bootstrap ( ). La figura 2.9 muestra el conexionado del circuito manejador de

MOSFET implementando.

D6

C9

RG_ON4

D11

C10

VDC2PWM1DH

Q1_S

PWM1DL

8

9

10

11 4

5

6

7N/C

VDD

HIN

SD

VB

VS

N/C

IR2110

U5

1

2

3VCC

COM

LO

13

14

LIN

VSS

N/C

12

HO

GND_P GND_P

RG_ON1

D8

C7

D7

C11

RG_ON2

D9

C12

VDC2

+15V

PWM2DH

Q3_S

PWM2DL

8

9

10

11 4

5

6

7N/C

VDD

HIN

SD

VB

VS

N/C

IR2110

U6

1

2

3VCC

COM

LO

13

14

LIN

VSS

N/C

12

HO

GND_P GND_P

RG_ON3

D10

C8

+5V

VDC3

PWM1H

PWM1L

+5V

VDC3

PWM2L

DESDE EL

DSC

+15V

PWM2H

CIRCUITO

BOOTSTRAP

CIRCUITO

BOOTSTRAP

Figura 2.9. Circuito manejador de MOSFET

Este método tiene como ventajas que es relativamente simple y de bajo costo;

pero tiene inconvenientes impuestos por el proceso de carga del condensador.

Estos son, que el tiempo que está conduciendo el MOSFET de la parte de

superior es limitado porque depende del tiempo que tarda en descargarse , y

que la frecuencia máxima de trabajo se limita al tiempo que dura la carga de dicho

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57

capacitor [18]. El dimensionamiento adecuado del capacitor y el diodo

puede reducir drásticamente estas limitaciones.

A continuación se detalla el dimensionamiento de los componentes del circuito de

la figura 2.9, de acuerdo a recomendaciones del fabricante del driver en sus tips

de diseño.

La ecuación de la carga mínima que debe ser suministrado por el capacitor

Bootstrap es [19]:

. )

Donde:

es la carga de compuerta en MOSFET de lado de alta.

es la corriente en estado inactivo del Driver.

es la corriente de fuga del condensador Bootstrap.

es el cambio de nivel de carga requerido por cada ciclo.

Para este caso se utilizó un capacitor cerámico en paralelo con un capacitor

electrolítico. Con esta consideración, se desprecia la corriente de fuga del

capacitor Bootstrap electrolítico , tomando los valores de la hoja de datos

del MOSFET, y aplicando las recomendaciones del fabricante del driver se aplicó

la ecuación 2.20, esto es [19]:

El condensador Bootstrap debe ser capaz de suministrar esta carga y conservar

su plena tensión, de lo contrario el voltaje podría caer debajo de la tensión

mínima de bloqueo y provocar que la salida HO deje de funcionar. Por este

motivo, el valor de la carga del condensador debe ser un mínimo del doble del

valor calculado anteriormente [19].

El valor mínimo condensador Bootstrap se calcula a partir de:

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58

. )

Donde:

es la caída de voltaje en el diodo Bootstrap en conducción.

es la caída de voltaje a través de los MOSFET de lado de baja.

es el voltaje mínimo entre y .

La resistencia del MOSFET en conducción es 0,4 , para un corriente pico

en condiciones de plena carga, la caída de voltaje en el MOSFET en conducción,

se calcula mediante la ecuación 2.22:

. )

Si el voltaje de alimentación la provee y es 15 , la caída del diodo es

1,5 11 y el voltaje mínimo entre y es de 9,5 12. Reemplazando el valor

calculado en 2.22, el valor mínimo que requiere el capacitor Bootstrap se calcula

de la siguiente manera:

Por recomendaciones del fabricante el valor obtenido de la ecuación 2.21, se

multiplica por 15, por lo que se utilizó un capacitor electrolítico de 22 a 25

en paralelo a un capacitor cerámico de 0,1 .

Para el caso del diodo Bootstrap, este debe ser capaz de bloquear el voltaje del

Bus de DC, debe ser un dispositivo de recuperación rápida y debe cumplir con las

siguientes características [19]:

oltaje máximo repetitivo oltaje del us de

áximo tiempo de recuperación inversa

11 Refiérase al dato de la hoja de especificaciones del Diodo NTE575. 12 Refiérase al dato de la hoja de especificaciones del Driver IR2110.

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59

. )

Para lo cual se seleccionó el diodo de recuperación rápida NTE575, y sus

características se resumen en la tabla 2.5.

Símbolo Definición Magnitud Unidad

Voltaje repetitivo máximo 1000 V

Tiempo de recuperación inversa

70 ns

Corriente directa 0,5 A

Tabla 2.5. Especificaciones del Diodo de recuperación rápida NTE575.

Las características del MOSFET como el tiempo de encendido y apagado,

dependen de la resistencia que se ubica entre la salida del driver y la compuerta

del MOSFET. Un valor bajo de esta resistencia permite que el MOSFET se

apague rápidamente, pero la amplitud del pico negativo de corriente se

incrementa, lo contrario sucede al usar una resistencia de mayor valor, que

reduce el pico negativo de corriente pero el tiempo de encendido crece. Para

resolver este problema se empleó una resistencia en paralelo a un diodo

switching. La acción de cada una está determinada por los diodos switching, en

este caso NTE519, que están en serie con las resistencias de apagado. De esta

forma, la resistencia más baja actúa solo en el encendido; y en el apagado la

resistencia de mayor valor evita picos negativos altos [13].

Para obtener un correcto funcionamiento la resistencia de encendido debe ser

dimensionado a partir de y a través de la ecuación 2.24, y se relacionan

según se indica en la figura 2.10 [18].

. )

Donde:

es la carga entre compuerta y fuente del MOSFET.

es la cara entre compuerta y drenaje del MOSFET.

es la corriente parasita que circula través de que fluye en y

,

como se observa en la figura 2.11. [18].

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60

es el tiempo de conmutación definida como el tiempo que tarda en llegar a

final de el voltaje de meseta (Plateau Voltage).

t,Q

VGS*

tsw

trtdon

CRSS

ID

VGS

VDS

t1,QGS t2,QGD

CRSSon

CRSSoff

10%

10%

90%

D

S

GCDS

Capacitancias

Parasitas

CDG

CGS

dVdt CRSS = CDG

Figura 2.10. Curvas contra los tiempos de conmutación y [18]

Reemplazando datos y analizando las curvas obtenidas de la hoja de

especificaciones del MOSFET IRFP450, como se muestra en la figura 2.1013. La

ecuación 2.24 resulta:

El circuito de la figura 2.11, muestra el circuito equivalente del driver cuando su

salida está en estado activo, de la cual resulta la ecuación 2.25, que permite el

cálculo de la resistencia de encendido de compuerta.

. )

Donde:

es la resistencia de encendido de compuerta.

13

La figura 2.10 es la combinación de las curvas , Voltaje-Compuerta contra , Carga Total de Compuerta y las formas de Onda de conmutación, ambas tomadas de la hoja de especificaciones del MOSFET de Potencia IRFP450.

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61

es el voltaje de meseta (Plateau Voltage) de la curva voltaje de compuerta-

fuente contra la carga total del MOSFET.

es la resistencia equivalente del driver cuando la salida está encendida.

D

S

GRG_ON

CRSS

HO/LO

RDR_on

COM/VS

VCC/VB

VCC/VB

IR2110

IAVG

Encendido

Encendido

Figura 2.11. Circuito equivalente de driver para dimensionamiento de la

resistencia de encendido [18]

La resistencia equivalente del driver cuando la salida esta activada, se calcula

según la ecuación 2.26. [18].

. )

Donde:

es la corriente pulsada de la salida alta del driver IR2110.

Calculando con los datos de la hoja de especificaciones del driver IR2110, se

obtiene lo siguiente:

Con lo cual, de la ecuación 2.25 la resistencia de encendido resulta:

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62

Seleccionando un valor normalizado, se implementó resistencias de encendido de

27 .

La resistencia de apagado debe ser dimensionada para evitar que el

MOSFET en estado de apagado conmute por elementos externos. La

induce una corriente parasita a través de que fluye en y

,

como se observa en la figura 2.12 [18].

D

S

GRG_off

LO

COM

RDR_off

Apagado

EncendidoCISS

CRSSoff

IR2110

D

S

G

EncendidodV/dt

Iprt

ID

Figura 2.12. Circuito para el dimensionamiento de [18].

Si la subida de voltaje es mayor al voltaje umbral , el MOSFET se

encendería por sí mismo. Para reducir este efecto la resistencia de apagado se

calcula según el circuito equivalente de la figura 2.12, de la cual resulta la

ecuación 2.27 [18].

. )

Donde:

es la capacitancia de transferencia inversa del MOSFET.

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63

es la resistencia equivalente del driver cuando la salida está apagado.

es la pendiente de voltaje de salida, y se calcula así

.

Si la ecuación 2.28 resulta:

La resistencia equivalente del driver cuando la salida está en estado de apagado

se calcula según la ecuación 2.29. [18].

. )

Donde:

es la corriente pulsada de la salida baja del driver IR2110.

Calculando con los datos de la hoja de especificaciones del driver IR2110, se

obtiene lo siguiente:

Reemplazando estos valores, y para un en la ecuación 2.27:

La resistencia calculada es de un valor bajo, y con el fin de lograr apagar el

MOSFET, se implemento únicamente los diodos NTE519 en paralelo a las

resistencias de encendido.

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64

Las señales de control deben ser previamente aisladas, para proteger el

microcontrolador. Por tal motivo, se implementó opto acopladores 6N137 de

Fairchild Semiconductor con características de rápida conmutación.

Aislar mediante optoacopladores la etapa de control de la etapa de potencia

permite tener inmunidad al ruido generado por los dispositivos de conmutación y

el movimiento del motor. Esto se logra debido a que se ponen diferentes puntos

de referencia entre los microcontroladores y el inversor. La figura 2.13. Muestra el

circuito de aislamiento mediante optoacopladores.

1

2

3

4 5

6

7

8N/C

VF+

VF-

N/C

VCC

VE

VO

GND

6N137

R9R13

C3

GND_P

1

2

3

4 5

6

7

8N/C

VF+

VF-

N/C

VCC

VE

VO

GND

6N137

R10R14

C4

GND_P

1

2

3

4 5

6

7

8N/C

VF+

VF-

N/C

VCC

VE

VO

GND

6N137

R11R15

C5

GND_P

1

2

3

4 5

6

7

8N/C

VF+

VF-

N/C

VCC

VE

VO

GND

6N137

R12R16

C6

GND_P

VDC3

+5V

VDC3

+5V

VDC3

+5V

VDC3

+5V

PWM1H

PWM1L

PWM2H

PWM2L

+5V

VDC4

+5V

VDC4

+5V

VDC4

+5V

VDC4

PWM1H

PWM1L

PWM2H

PWM2L

HACIA

DRIVER DE

MOSFET

DESDE

EL DSC

Figura 2.13. Circuito de aislamiento de señales de control

El dimensionamiento de las resistencias de la figura 2.13, se realizaron acorde a

la cantidad máxima de corriente que puede manejar el optoacoplador. De la hoja

de datos del optoacoplador 6N137 el emisor y el receptor soportan hasta 50 .

Si las fuentes de alimentación y proveen 5 con diferente referencia,

y respectivamente, las resistencias se calculan así:

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65

Considerando que el valor calculado es el mínimo requerido por el optoacoplador,

se implemento resistencias de 330 .

2.2.3.3. Disipadores de calor

Los dispositivos electrónicos de conmutación presentan perdidas de potencia en

las transiciones entre encendido y apagado; ambas transiciones son

acompañadas de una disipación de calor, lo cual causa que la temperatura en el

dispositivos se incremente. El calor debe transferirse a un medio más frio, a fin de

mantener la temperatura del dispositivo dentro de un rango especificado.

Para el dimensionamiento térmico de los disipadores de calor, se emplea el

análogo eléctrico de un dispositivo, figura 2.14, que está montado en un disipador

de calor [7].

RƟJC RƟCS RƟSA

TJ TC TS

PAVE TA

Figura 2.14. Modelo térmico básico

La diferencia de temperaturas entre la juntura y el ambiente en condiciones de

estado estacionario está dada por la ecuación 2.30. [20].

. )

Donde:

es la potencia de perdida disipada en cada semiconductor,

es la resistencia térmica de la unión a la carcasa,

es la resistencia térmica de la carcasa al disipador,

es la resistencia térmica entre el disipador y el ambiente,

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66

es la temperatura de la juntura del semiconductor,

es la temperatura del disipador,

es la temperatura del ambiente,

La resistencia no depende del semiconductor, sino del tipo de disipador a

usar, es una cantidad que depende del material, el pulimiento de su superficie, el

tamaño y la diferencia de temperatura entre el disipador y la temperatura

ambiente.

Las pérdidas de potencia generadas en un dispositivo de conmutación , son

el producto de la frecuencia de operación y la energía promedio disipada, la cual

resulta a su vez del producto de la corriente y el voltaje instantáneos en el

dispositivo. La potencia total disipada por el dispositivo de conmutación está dada

por la ecuación 2.31:

. )

Donde:

, es la potencia disipada por el MOSFET en estado de conducción.

es la energía en la transición de encendido del MOSFET.

es la energía en la transición de apagado del MOSFET.

Las pérdidas de conmutación pueden ser calculadas mediante aproximación lineal

de las transiciones de conmutación como se observa en la figura 2.15.

En el intervalo de encendido las pérdidas de energía están dadas por la integral

en el tiempo del aumento de la corriente más el periodo de disminución de voltaje,

ecuación 2.32. [21].

. )

Donde:

, como se muestra en la figura 2.15.

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67

es el tiempo de aumento de corriente en el encendido.

es el tiempo de disminución de voltaje en el encendido.

t

iD

0

VDS

iD = iP t / tri

t

PAVE

0

trv tfi

toff

tri tfv

ton

VDS = VP (1 - t / tfv) VDS = VP t / trv

iD = iP (1 – t / tfi)

Eoff = VP iP toff / 2Eon = VP iP ton / 2

Potencia en

conducción

Potencia en

transición

de apagado

Potencia en

transición de

encendido

Figura 2.15. Aproximación lineal de los intervalos de conmutación para una carga

inductiva [21]

Igualmente, las pérdidas de energía en el apagado están dadas por la ecuación

2.33. [21].

. )

Donde:

, como se muestra en la figura 2.15.

es el tiempo de aumento de voltaje en el apagado.

es el tiempo de disminución de corriente en el apagado.

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68

Las pérdidas en conducción del dispositivo electrónico de conmutación se dividen

en; perdidas de conducción propias del MOSFET y perdidas de conducción del

diodo de retroalimentación. El cálculo de las pérdidas en conducción con el

control con modulación SPWM emplea el mismo criterio de la ecuación 2.314, y su

resultado esta dado por las ecuaciones 2.34 y 2.35 [22].

Perdidas de potencia en el MOSFET:

. )

Perdidas de potencia del diodo de retroalimentación, despreciando la resistencia

interna es:

. )

Los tiempos de subida y disminución tanto de voltaje como de corriente, no se

obtienen directamente de la hoja de especificaciones, pero si los tiempos totales

de encendido y apagado definidos así [17]:

. )

. )

Tomando datos de la hoja de especificaciones del MOSFET y reemplazando en

las ecuaciones anteriores se tiene:

Con las ecuaciones anteriores y los valores de tiempo obtenidos, se puede

calcular la potencia de disipación del MOSFET IRFP450.

La energía disipada en el encendido es:

La energía disipada en el apagado es: 14 Refiérase a la ecuación 2.3 de la sección 2.2.1.1.

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69

Las pérdidas del MOSFET en conducción son:

y,

Con lo cual, la potencia total disipada por el MOSFET es:

Despejando de la ecuación 2.30, se tiene que la resistencia térmica

requerida por el disipador por cada MOSFET es:

Por disponibilidad, se implementó a cada MOSFET un disipador de calor de

resistencia térmica de 5 15, sus dimensiones se muestran en la figura 2.16.

15 Resistencia térmica tomando como referencia al disipador modelo 533421B02552G de AAVID

THERMALLOY.

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70

Disipador

de CalorMica

Encapsulado

TO-247

Tornillo

17

40

17

35

25

Figura 2.16. Montaje y dimensiones del disipador de calor para TO-247

2.3. ETAPA DE CONTROL

El circuito de control está conformado por un Microcontrolador PIC16F870 y un

Controlador Digital de Señales dsPIC30F3011.

El microcontrolador PIC16F870 se encarga de la interfaz del usuario y la

visualización del menú. La interfaz permite visualizar el menú a través de una

pantalla LCD 16x2, y configurar los parámetros del funcionamiento iniciales,

mediante los pulsadores mostrados en el circuito de la figura 2.18.

El menú mostrado en la pantalla LCD permite configurar los siguientes

parámetros:

Frecuencia de funcionamiento

Tiempo de la rampa de aceleración

Tiempo de la rampa de desaceleración

El PIC envía los parámetros seleccionados al DSC, estos se comunican por una

interfaz paralela de 8 bits. Para la comunicación se emplea el puerto B de los

microcontroladores. El circuito implementado para el PIC16F870 se muestra en la

figura 2.17.

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71

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14 15

16

17

18

20

19

22

21

23

24

25

26

27

28

MCRL

RA5/AN4

RA0/AN0

RA1/AN1

RA2/AN2/VREF-

RA3/AN3/VREF+

RA4/T0CKI

VSS

OSC1/CLKI

OSC2/CLKO

RC0/T1OSO/T1CKI

RC1/T1OSI

RC2/CCP1

RC3

RB7/PGD

RB6/PGC

RB5

RB4

RB3/PGM

RB2

RB1

RB0/INT

VDD

VSS

RC7/RX/DT

RC6/TX/CK

RC5

RC4

PIC

16

F8

70

U1

C23

15pF

C22

15pF

4MHz

XT1

S4

S5

S8

S7

S6

GND_D

SEN_RL1

RB7

RB6

RB5

RB4

RB3

RB2

RB1

RB0

GND_D

C19

0,1uF

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

+5V

VDC4

GND_D

+5V

VDC4

R29

330Ω

+5V

VDC4

R17

10KΩ

S2

GND_D

+5V

VDC4

HACIA U2 (DSC)

LCD_1

Proyecto de

titulación

RS

VE

E

GN

D

VC

C

EN

R/W

DB

1

DB

0

DB

3

DB

2

DB

5

DB

4

DB

7

DB

6

LE

D+

LE

D-

Figura 2.17. Diagrama circuital implementado del microcontrolador PIC16F870

Los pulsadores de la figura 2.18 permiten navegación a través de menu de

interfaz de usuario, y selección de los que funcionara el controlador de velocidad.

Las acciones de cada pulsador se resumen en la siguiente tabla:

Pulsador Acción Descripción

PARO/MARCHA

Pone en funcionamiento el controlador dependiendo de la frecuencia y tiempo de aceleración seleccionados, y detiene el controlador de velocidad en el tiempo de desaceleración seleccionado previamente.

PROG Permite al acceso al menú principal.

SELECT Acepta los valores disponibles en el menú.

BAJAR Disminuye el valor del los parámetros disponibles.

SUBIR Incrementa el valor del los parámetros disponibles.

Tabla 2.6. Acciones del los pulsadores de interfaz de usuario

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72

R19

10KΩ

R20

1KΩ

S4

R21

10KΩ

R22

1KΩ

S5

R23

10KΩ

R24

1KΩ

S6

R25

10KΩ

R26

1KΩ

S7

R27

10KΩ

R28

1KΩ

S8

C26

0,1uF

+5V

VDC4

S4

GND_D

S6

GND_D

S7

GND_D

S8

GND_D GND_D

S5

GND_D

Figura 2.18. Entradas digitales de configuración del controlador de velocidad

El Controlador digital de señales dsPIC30F3011 se encarga únicamente a la

generación de las señales de control SPWM, esto con el objetivo de obtener un

rendimiento óptimo en el funcionamiento del controlador de velocidad. El DSC

funciona con el cristal de . Adicionalmente, para el correcto

desempeño del microcontrolador es necesario utilizar los 6 pines de polarización,

estos se conectan al voltaje de alimentación de . El circuito

implementado se observa en la figura 2.19.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20 21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

32

31

34

33

35

36

37

38

39

40

dsP

IC3

0F

30

11

MCRL

AN5/QEB/IC8/RB5

AN0/VREF+/RB0

AN1/VREF-/RB1

AN2/SS1/RB2

AN3/INDX/RB3

AN4/QEA/IC7/RB4

AN6/OCFA/RB6

AN7/RB7

AN8/RB8

VDD

VSS

OSC1/CLKI

OSC2/CLKO/RC15

T2CK/U1ATX/RC13

T1CK/U1ARX/RC14

FLTA/INT0/RE8

OC2/IC2/INT2/RD1

OC4/RD3

VSS

AVDD

AVSS

PWM1L/RE0

PWM1H/RE1

PWM2L/RE2

PWM2H/RE3

PWM3L/RE4

PWM3H/RE5

VDD

VSS

RF0

RF1

U2RX/CN17/RF4

U2TX/CN18/RF5

U1RX/SDA/RF2

U1TX/SCL/RF3

SCK1/RF6

OC1/IC1/INT1/RD0

OC3/RD2

VDD

C25

15pF

C24

15pF

4MHZ

XT2

U2

C20

0,1uF

C21

0,1uF

GND_D

PWM1L

PWM2H

PWM1H

PWM1L

+5V

VDC4

+5V

VDC4

+5V

VDC4

RB7

RB6

RB5

RB4

RB3

RB2

RB1

RB0

DESDE U1

(MCU)

R18

10KΩ

S3

+5V

VDC4

GND_D

Figura 2.19. Diagrama circuital implementado del Controlador Digital de Señales

dsPIC30F3011

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73

2.4. FUENTES DE ALIMENTACIÓN

Las etapas anteriormente descritas anteriormente requieren fuentes de

alimentación de diferentes valores de voltaje, y con dos referencias diferentes. Por

lo cual, se implementó fuentes con reguladores de voltaje de CI.

CIN

78XX

COMMON

IN OUT

COUT

PROTECCIÓNES TRANSFORMADOR RECTIFICADOR FILTRO REGULADOR

CAPACITOR DE

SALIDA

Figura 2.20. Diagrama de Bloques de las Fuentes de Alimentación

En el diagrama de bloques de la figura 2.20, mediante el transformador conectado

a la red de alimentación, se lleva a un voltaje AC de la red una amplitud deseada,

luego se rectifica este voltaje de AC mediante el puente rectificador, se emplea los

capacitores a la entrada del regulador para reducir los componentes AC del

voltaje rectificado, y los capacitores a la salida para reducir ruido de alta

frecuencia. Con esto, mientras el voltaje de entrada varié dentro de un rango

aceptable, el voltaje de salida permanecerá constante, y con una regulación

dentro de los rangos especificados por el fabricante del CI [17].

2.4.1. DISEÑO DE LAS FUENTES DE ALIMENTACIÓN

Como se mencionó anteriormente se requiere dos referencias; referencia de

potencia y referencia de control el transformador. Para ello, se

utilizó un transformador con una bobina en el primario y dos bobinas

independientes en el secundario, como se observa en la figura 2.21.

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74

F2 TR1F_TR1

VL

N_TR1

HACIA

BR2

HACIA

BR3

VS1_TR1

VS2_TR1

BOB_1

F_1

F_2

N_1

N_2

VAR1

PROTECCIÓN DEL

CIRCUITO

BOB_2

Figura 2.21. Diagrama esquemático de las protecciones y el transformador

A continuación se resume los datos del transformador , empleado para las

fuentes de alimentación:

Símbolo Definición Magnitud Unidad

Voltaje RMS del primario 120 V

Relación de transformación 9,17 -

Potencia aparente del transformador

24 VA

Corriente en el secundario 1 A

Tabla 2.7. Datos del transformador

El circuito de protección consta de un fusible y un varistor. El fusible protege al

circuito de control contra sobrecargas y cortocircuitos. En conjunto los dos

elementos funcionan de la siguiente manera: si al circuito se le aplicará un voltaje

mayor a permitido por varistor , este disminuye su resistencia óhmica

provocando un incremento de corriente, y como consecuencia la fundición del

fusible.

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75

C13

2200uF

7815

U11

COMMON

C14

0,1uF

1N4001

+15VDC

D12

C15

470uF

7805

U12

COMMON

C16

0,1uF

1N4001

+5VDC

C17

470uF

7805

U13

COMMON

C18

0,1uF

1N4001

+5VDC

BR3

BR2

GND_P

GND_D

GND_PD13

D14

VDC2

VDC1

GND_P

VDC3

VDC4

GND_D

GND_P

GND_P

IN OUT

IN OUT

IN OUT

F_2

VS2_TR1

N_2

F_1

VS1_TR1

N_1

DESDE

TR1

BOB1

DESDE

TR1

BOB2

Figura 2.22. Diagrama circuital de las fuentes de alimentación

Los diodos que confirman los puentes rectificadores y de la figura 2.22,

se dimensionaron según el procedimiento descrito en la sección 2.2.1.1. Los

datos de puentes rectificadores seleccionados modelo 2W10 se resumen en la

tabla 2.7.

Símbolo Definición Magnitud Unidad

Voltaje RMS 1000 V

Corriente media de cada diodo

2 A

Corriente pico del diodo 50 A

Voltaje pico inverso 700 A

Tabla 2.7. Datos del puente rectificador modelo 2W10

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76

Los capacitores , y se dimensionan para obtener un nivel de voltaje a

la entrada que permita al regulador mantener un voltaje de salida constante. Para

las fuentes de alimentación y de 5 , se utilizó el regulador de 7805.

El regulador requiere voltaje de entrada mínimo es 7,3 , para esto el

valor pico del voltaje de rizo debe ser [17]:

. )

Si el voltaje pico en el secundario del transformador es es , la

ecuación 2.38 resulta:

De forma que el valor eficaz del voltaje de rizo , es [17]:

. )

Entonces, el valor de los capacitores y para una corriente media de la

etapa de control , estimada de 500 , es [17]:

. )

Reemplazando valores obtenidos:

Para las fuentes y se utilizó un regulador 7815, con el procedimiento

anterior, se calculó el capacitor el cual es de 2200 .

Por recomendaciones de los fabricantes de los reguladores se adiciona los

capacitores , y de 0,1 , para estabilizar el voltaje de salida.

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77

CAPITULO 3

DESARROLLO DEL SOFTWARE

3.1. INTRODUCCIÓN

En este capítulo se presenta el desarrollo de los programas del microcontrolador y

el Controlador Digital de Señales.

Para la elaboración del programa del microcontrolador se empleó MicroCode

Studio el cual es un compilador en lenguaje BASIC para microcontroladores PIC,

y para la elaboración del programa del DSC se empleó el compilador MikroC Pro

para dsPIC V 6.20 de MikroElektronika.

3.2. PROGRAMA DEL dsPIC30F3011

Una manera de generar la onda sinusoidal es mediante una tabla. Esta contiene

todos los puntos de una onda seno. Los valores son leídos de la tabla, escalados

a un rango admisible del ciclo de trabajo, y escritos en el registro del ciclo de

trabajo. La elección del número correcto de valores que contiene la tabla seno es

importante, puesto que un número insuficiente causaría excesiva distorsión en la

corriente del motor, y en consecuencia pérdidas elevadas por calentamiento. La

ecuación 3.1 proporciona una opción de cálculo del número de valores de la tabla

seno [12].

.

Donde:

es la frecuencia de la portadora de la PWM

es la frecuencia de modulación máxima de la onda de salida

Calculando con valores de propuestos para este proyecto:

En la práctica se implementó una tabla seno de 64 valores. Estos valores varían

en proporción a una onda sinusoidal. Son datos 16 de Bits tipo entero con signo y

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78

sus valor máximos son 32727 y -32727. El bloque de instrucciones de la tabla

seno implementada se indica a continuación.

//Esta es la tabla de 64 valores que cubren los 360° de la onda

//sinusoidal.

//Los valores fueron calculados empleando Microsoft Excel.

const signed int Tabla_Seno[64]=

0,3212,6393,9512,12539,15446,18204,20787,23170,25329,27245,

28898,30273,31356,32137,32609,32767,32609,32137,31356,30273,28898,

27245,25329,23170,20787,18204,15446,12539,9512,6393,3212,0,-3212,-6393,

-9512,-12539,-15446,-18204,-20787,-23170,-25329,-27245,-28898,-30273,

-31356,-32137,-32609,-32767,-32609,-32137,-31356,-30273,-28898,-27245,

-25329,-23170,-20787,-18204,-15446,-12539,-9512,-6393,-3212

;

La frecuencia de conmutación depende de la configuración del registro PTPER y

la frecuencia del cristal. El valor que corresponde a PTPER según la hoja de

datos del DSC se da en la ecuación 3.2.

. )

Donde:

es la frecuencia del ciclo de maquina del DSC16

es el valor del pre escalador configurado en el registro PTPER en

los bits PTCKPS <1:0>.

La frecuencia es de 4 y el valor seteado en el es 1,

entonces de la ecuación 3.2 resulta:

Este valor corresponde a la constante PWM_Scaling, esta constante es

multiplicada por los valores de la tabla para obtener un rango aceptable en los

ciclos de trabajo. La definición de esta constante se realiza mediante las

siguientes líneas de programa.

//Esta constante es usada para escalar los datos de la tabla seno a

16

Para los dsPIC30F, un ciclo de máquina corresponden 4 ciclos del reloj, esto es:

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79

//valores validos del ciclo de trabajo.

const signed int Pwm_scaling = 1586;

Para obtener el rango en el cual varían los ciclos de trabajo en bits se aplicó la

ecuación 3.3.

ó

. )

ó

ó

Por lo cual, el valor entero 1023 (0X03FF) representa el 100% del ciclo de trabajo.

Uno de los aspectos más importantes del los DSC destinados al control de

motores es la incorporación de generador de tiempos muertos, el cual se puede

configurar mediante el registro DTCON1, y se emplea cuando se selecciona el

modo complementario, el diagrama de bloques se muestra en la figura 3.1.

Generador PWM Generador

de

Tiempo

Muerto

Anulación

y

lógica de

Falla

PWMxH

PWMxL

Figura 3.1. Diagrama de bloques del modulo PWM en modo complementario [11]

Considerando los retardos que se producen desde la salida del DSC a través de

las etapas de aislamiento y Driver hasta la compuerta de los MOSFET, el tiempo

muerto es de 6 , calculado mediante la ecuación 3.4.

. )

Donde:

es el valor del registro DTCON1

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80

La actualización del ciclo de trabajo para obtener una relación sinusoidal se

realiza en cada interrupción. Como se mencionó en la sección 1.4.4.2.7, las

interrupciones son sectorizadas en la memoria de programa, y tienen un nivel de

prioridad. La interrupción por PWM se activa mediante el registro IEC2:PWMIE

(bit 7). Esta interrupción se produce cuando ha finalizado el contero del reloj base

del registro PTMR17. La configuración de prioridad con la que el DSC atiende las

interrupciones del modulo de control de motores PWM se configura mediante el

registro IPC9 en los bits PWMIP<2:0>. La configuración del módulo de control de

motores e interrupciones se realiza mediante la función InitPCPWM, que se

indica a continuación.

/*Función de Inicialización del Módulo de Control de Motores PWM********/

void InitPCPWM(void)

PWMCON1 = 0X0033; //PWM en Modo complementario

DTCON1 = 0X0018; //Tiempo Muerto=6[us]

PTPER = Pwm_scaling; //Frecuencia de Conmutación fc=1260[Hz]

PTCON = 0X8002; //Habilita Tiempo base de PWM

//Habilita Modo Centro Alineado

INTCON1 = 0X0000; //Habilita Interrupciones

IPC9 = 0X7000; //Máxima prioridad para interrupción PWM

IEC2.PWMIE =1; //Habilita Interrupción por PWM

3.2.1. FUNCIONAMIENTO DEL PROGRAMA

Las condiciones de operación como; la rampa de aceleración, rampa de

desaceleración y frecuencia, son enviadas por el microcontrolador PIC16F870. El

PIC envía el dato al puerto B del DSC en binario. Para una frecuencia de

el dato es 0X003C, este dato es escalado de acuerdo a la resolución de

frecuencia de modulación dada en la ecuación 3.5 [12].

ó ó

. )

ó ó

ó ó

17 La forma de onda del registro PTPER para obtener un ciclo de trabajo en modo centro alineado

se observa en la figura 1.29, sección 1.4.4.2.6.

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81

Para obtener una frecuencia de 60 , la variable Frecuencia debe ser [12]:

. )

Por lo cual, el dato recibido por el DSC en el puerto B debe ser multiplicado por 52

para obtener una relación correcta. Luego, este valor es multiplicado por 10 para

obtener un valor de 16 bits, fraccional con signo (Formato Q15), y se multiplica

por el factor V_per_Hz_const para obtener el índice de modulación de amplitud.

Este valor se limita a un valor de , equivalente a , …. en Q , esto con

el fin eliminar distorsiones en los pulsos PWM debido a los tiempos muertos. A

continuación se muestra el bloque de instrucciones de la función principal, en la

cual se ejecutan los procedimientos descritos anteriormente y se inicializan los

puertos A y E del DSC.

/*Función Principal*****************************************************/

void main()

NSTDIS_bit = 1; //Activación de prioridad de interrupción

TRISE = 0X0000; //Puerto E como salidas digitales

PORTE = 0;

ADPCFG = 0XFFFF; //Puerto B Digital

TRISB = 0X003F; //Puerto B como Entradas Digitales

PORTB = 0;

InitPCPWM(); //Inicializa Módulo de Control de Motores

while(1) //Bucle

Frecuencia = (signed long)PORTB*52; //Escala el valor del Puerto B y

W5 = Frecuencia*10; //Multiplica por 10 para convertir

//en valor de Frecuencia en un valor de 16

//bits

A = DSP_MPY(W5,V_per_Hz_const,0,0,0,0,0,0); //Multiplica la constante

W1 = DSP_SAC(A,0); //V/F con la Frecuencia para obtener

//Índice de Modulación de Amplitud y el

//resultado se guarda en el registro de

//trabajo W1

if(W1<28000) //Condición para eliminar la distorsión

Amplitud = W1; //inducida por los tiempos muertos en la

//modulación PWM

else

Amplitud = 28000;

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82

La frecuencia de conmutación , corresponde a la salida de los pulsos PWM

, configuradas en modo complementario con un tiempo muerto de 6

Los valores de Tabla_Seno, son empleados para generar los pulsos de las dos

ondas sinusoidales 18 . Estas dos ondas están desfasadas 180°, para ello se

implementa la constante Offset_180 con un valor 0X8000 el cual actúa como

un puntero en la tabla seno [12]. En la interrupción producida por el módulo de

control de motores por PWM, se cargan las variables y constantes asociadas a la

modulación SPWM. A la variable, PhaseO1, se suma la variable Frecuencia, y

para la otra onda se suma Offset_180 a la variable FaseN1, después, estos

valores son desplazados a la derecha para obtener los 6 bits más significativos.

Esto se hace debido a que la tabla contiene 64 valores, y con ello se forma los

punteros que se desplazan por la tabla de la onda sinusoidal. Los valores

obtenidos son multiplicados, primero por el factor de amplitud, Amplitud, y luego

por el factor de escalamiento, PWM_Scaling, para obtener ciclos de trabajo de

acuerdo a los rangos calculados anteriormente. El valor de PWM_Scaling es un

valor que representa el 50% del ciclo de trabajo. Finalmente, el valor de

PWM_Scaling es añadido al resultado de las operaciones anteriores y se carga

en los registros de los ciclos de trabajo. Este ciclo se repite en cada

interrupción producidos por el modulo de control de motores PWM.

Las líneas de programas que se muestran a continuación corresponden a la

interrupción producida por el módulo de control de motores PWM, en la cual se

realiza la modulación SPWM.

/*Interrupción por MCPWM************************************************/

void PWM_Interrupt() iv IVT_ADDR_PWMINTERRUPT ics ICS_AUTO

IFS2.PWMIF = 0; //Encera la Bandera de Interrupción PWM

/*Sección del código que realiza la modulación SPWM*********************/

//El siguiente bloque de instrucciones forma el puntero y el ciclo de

//trabajo para la Fase 1.

FaseN1 = FaseO1 + Frecuencia; //Añade el valor de Frecuencia al

//puntero de la tabla seno

18 La figura 1.20 (a), en la sección 1.3.3.3, muestra las ondas desfasas para la generación de la

modulación SPWM.

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83

Puntero1 = (unsigned int)(FaseN1) >> 10; //Desplaza el puntero FaseN1

//para leer un dato de la

//tabla Seno

Duty_Cycle1 = Tabla_Seno[(signed int)(Puntero1)];

A = DSP_MPY(Duty_Cycle1,Amplitud,0,0,0,0,0,0); //Multiplica las

//variables y guarda

//en el Acumulador

W5 = DSP_SAC(A,0); //Mueve el resultado del Acumulador

//al registro de trabajo W5

A = DSP_MPY(W5,PWM_Scaling,0,0,0,0,0,0); //Multiplica W5 por

//PWM_Scaling y guarda en el

//Acumulador

W8 = DSP_SAC(A,0); //Mueve el Acumulador A W8

W8+= PWM_Scaling; //Añade el Factor

PDC1 = W8; //Pwm_Scaling para producir

//un 50% de desfase y

//escribe en PDC1

//El siguiente bloque de instrucciones forma el puntero y el ciclo de

//trabajo para la Fase 2.

FaseN2 = FaseN1 + Offset_180; //Añade el desfase de 180°

Puntero2 = (unsigned int)(FaseN2) >> 10; //Desplaza el puntero FaseN2

//para leer un dato de la

//tabla Seno

Duty_Cycle2 = Tabla_Seno[(signed int)(Puntero2)];

A = DSP_MPY(Duty_Cycle2,Amplitud,0,0,0,0,0,0); //Multiplica las

//variables y guarda

//en el Acumulador

W5 = DSP_SAC(A,0); //Mueve el resultado del Acumulador

//al registro de trabajo W5

A = DSP_MPY(W5,PWM_Scaling,0,0,0,0,0,0); //Multiplica W5 por

//PWM_Scaling y guarda en el

//Acumulador

W8 = DSP_SAC(A,0); //Mueve el Acumulador a W8

W8+= PWM_Scaling; //Añade el Factor

PDC2 = W8; //Pwm_Scaling para producir

//un 50% de desfase y

//escribe en PDC1

FaseO1 = FaseN1; //Guarda el antiguo valor del

//puntero FaseN1 en FaseO1 para

//la próxima interrupción

El código fuente del dsPIC30F3011 realizado en el compilador MikroC para dsPIC

se muestra en el ANEXO 5.

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84

3.2.2. DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROGRAMA DEL dsPIC30F3011

INICIO

-Inicialización de Variables -Configuración I/0-Configuración de interrupción PWM

Lee Puerto B

Frecuencia=52*Dato del Puerto B

IFS2.PWMIF=1?Interrupción

MCPWM

Amplitud<28000?

SI

NO

NO

SI

Amplitud=(Frecuencia*10)* V_per_Hz_const

Amplitud=28000

Amplitud

Figura 3.2. Diagrama de Flujo de la función principal

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85

Inicialización de constantes: Amplitud,Pwm_Scaling y Offset_180.

Ajuste del Puntero para lectura de tabla

Tabla_Seno para la Fase 1

Lectura de tabla y actualización del Ciclo de

Trabajo del Fase 1

Suma el valor de Offset_180 al puntero de la fase 1 para

generar el puntero de la Fase 2.

Lectura de tabla y actualización del Ciclo de

Trabajo del Fase 2

FIN DE LA INTERRUPCIÓN

Incrementar puntero

IFS2.PWMIF=0

INTERRUPCIÓN PWM

Figura 3.3 Diagrama de flujo de la interrupción por PWM

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86

3.3. PROGRAMA DEL PIC16F870

El programa del PIC16F870, , se encarga del algoritmo de interfaz de usuario.

Se usa un microcontrolador por separado para que no se altere en la generación

de los pulsos para el circuito de potencia.

El microcontrolador , se encarga de generar las rampas de aceleración y

desaceleración, el tiempo mínimo que puede ponerse en las rampas es de 5 y

un máximo de 20 , en las dos rampas. La Figura 3.4 muestra las rampas de

aceleración y desaceleración implementadas.

Frecuencia,Hz

Rampa de

desaceleración

0

Tiempo, sRampa de

aceleración

Frecuencia seteada

Figura 3.4. Curvas de arranque, funcionamiento normal, y rampa de

desaceleración implementado en el controlador de velocidad

Este programa se encarga de generar la interfaz de usuario mediante el manejo

del LCD y los pulsadores. También, crea el algoritmo de que envía las señales de

de frecuencia desde su puerto B hacia el DSC.

La figura 3.5 muestra los diferentes estados de visualización en el LCD durante el

inicio, configuración de parámetros funcionamiento, arranque y paro del

controlador de velocidad.

Uno de los objetivos de este proyecto fue implementar rampas de aceleración y

desaceleración, esto con la finalidad de reducir las corrientes de arranque

elevadas que producen los motores de inducción.

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87

PROYECTO DE TITULACION

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

ERW

RS

VS

S

VD

D

VE

E

ESPERANDOCARGA CAPACITOR

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

ERW

RS

VS

S

VD

D

VE

E

R.ACELERACION

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

ERW

RS

VS

S

VD

D

VE

E

R.DESACELERACION

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

ERW

RS

VS

S

VD

D

VE

E

FRECUENCIA

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

ERW

RS

VS

S

VD

D

VE

E

R.ACELERACION 5 SEGUNDOS

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

ERW

RS

VS

S

VD

D

VE

E

R.desACELERACION 5 SEGUNDOS

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

ERW

RS

VS

S

VD

D

VE

E

FRECUENCIA 60 HERZIOS

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

ERW

RS

VS

S

VD

D

VE

E

FRECUENCIA = 60 FUNCIONANDO

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

ERW

RS

VS

S

VD

D

VE

E

FRECUENCIA = 5 ARRANCANDO

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

ERW

RS

VS

S

VD

D

VE

E

OPRIMA PROG

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

ERW

RS

VS

S

VD

D

VE

E

OPRIMA PROG (S5) PARA ACCEDER AL MENU

FRECUENCIA = 60 PARANDO

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

ERW

RS

VS

S

VD

D

VE

E

MEDIANTE LOS PULSADORES BAJAR/SUBIR (S7/S8), PUEDE

DESPLAZARSE EN LAS OPCIONES DEL MENÚ Y OPRIMIENDO PROG

SELECCIONA UNA OPCIÓN

PRESIONANDO SELECT (S6) SE SELECCIONA LA OPCIÓN A CONFIGURAR, Y CON S7 Y S8,

SE INCREMENTA O DISMINUYE EL VALOR DEL

PARÁMETRO SELECCIONADO

REGRESA A LA OPCIÓN DE CONFIGURACIÓN DE PARÁMETROS INICIALES

UNA VEZ SELECCIONADO LOS PARÁMETROS DE INICIALIZACIÓN,

CON EL PULSADOR MARCHA/PARO (S4) SE ARRANCA EL MOTOR

EL LCD MUESTRA LA FRECUENCIA DE FUNCIONAMIENTO DEL

CONTROLADOR DE VELOCIDAD

CON EL PULSADOR MARCHA/PARO (S4) SE DETIENE EL MOTOR,

EL MOTOR SE DETIENE EN EL TIEMPO DE RAMPA DE

DESACELERACIÓN SELECCIONADO

Figura 3.5. Diferentes etapas de visualización del LCD, en la configuración y el

funcionamiento del Controlador de Velocidad

El código fuente del PIC16F870 realizado en el compilador MicroCode Studio se

muestra en el ANEXO 5.

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88

CAPITULO 4

PRUEBAS Y RESULTADOS

4.1. INTRODUCCIÓN

En este capítulo se presentan las formas de onda de las simulaciones realizadas

en el programa ISIS PROTEUS. También se indican las formas de onda

obtenidas experimentalmente a la salida del DSC y a la salida del manejador de

MOSFETs IR2110.

4.2. SIMULACIONES

Previo a la implementación se realizaron simulaciones mediante el programa ISIS

PROTEUS. Debido a que en las librerías del programa no se dispone del DSC

empleado en este proyecto, se realizó la simulación utilizando el

dsPIC33FJ12MC202 y para verificar las señales fundamentales (onda senoidal)

se implemento un filtro pasa bajas a los pines de salida PWM del DSC

obteniéndose las formas de onda que se muestran a continuación.

Figura 4.1. Forma de Onda de la señal portadora

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89

Figura 4.2. Tiempos muertos de 6 [us] entre salidas PWMxH y PWMxL

La figura 4.3 y 4.4 muestran las señales de las dos fases a 60[Hz] y 30[Hz],

respectivamente. Estas ondas son necesarias para la generación de la

modulación SPWM, además se indica la onda fundamental, la cual muestra la

variación de la amplitud al cambiar la frecuencia.

Figura 4.3. Formas de onda de las dos señales generadas por PWMxL y PWMxH

desfasadas 180° a 60 [Hz]

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90

Figura 4.4. Formas de onda de las dos señales generadas por el DSC,

desfasadas 180° a 30 [Hz]

Figura 4.5. Forma de onda de la modulación SPWM a 60 [Hz] a la salida del

dsPIC

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91

Figura 4.6. Forma de onda de la modulación SPWM a 30 [Hz]

4.3. RESULTADOS EXPERIMENTALES

Se realizaron pruebas prácticas que muestran las señales de salida del

dsPIC30F3011 como son; señales de los tiempos muertos, forma de onda de la

señal portadora, y formas de onda a distintos valores de frecuencia. También se

muestra las señales a la salida del manejador de MOSFETs IR2110. Se obtuvó

las señales empleando un osciloscopio con ancho de banda de 100 [Mhz].

Figura 4.7. Forma de onda de la señal portadora a la salida del dsPIC30F3011

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92

Figura 4.8. Forma de onda de la señal portadora a la salida del Driver IR2110

Figura 4.9. Tiempo muerto a la salida del dsPIC30F3011

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93

Figura 4.10. Formas de onda de las salidas PWM1H y PWM1L del

dsPIC30F3011 a 60[Hz]

Figura 4.11. Forma de onda de la salida PWM1L del driver IR2110 a 60[Hz]

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94

Figura 4.12. Forma de onda SPWM a 30[Hz]

Figura 4.13. Forma de onda SPWM a 40[Hz]

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95

Figura 4.14. Forma de onda SPWM a 50[Hz]

Figura 4.15. Forma de onda SPWM a 60[Hz]

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96

CAPITULO 5

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

5.1. CONCLUSIONES

En la industria se emplean motores monofásicos para cargas relativamente

pequeñas. Generalmente se encuentran en el mercado motores

monofásicos de potencias menores a 10 [HP].

Los motores monofásicos de inducción que más se prestan para un control

de velocidad desde el arranque hasta su frecuencia nominal, son los

motores con capacitor permanente. Por otra parte, los motores de fase

partida solo pueden variar su velocidad entre los limites de funcionamiento

del interruptor centrifugo, además en el arranque se debe tener un torque

elevado para vencer el par resistente; por lo cual, la implementación de una

rampa de aceleración en este tipo de motores es complicada.

Mantener la relación frecuencia voltaje constante es esencial para obtener

un torque constante y por ende un buen comportamiento del motor en las

condiciones de carga nominales en los rangos de frecuencia seleccionados

por el usuario.

En general, el mejor rendimiento de un motor eléctrico se obtiene en las

condiciones nominales para las que fue diseñado. Los fabricantes ofrecen

motores (trifásicos) diseñados específicamente para operar con variadores

de frecuencia.

Una rampa de aceleración con un tiempo de incremento muy corto, podría

no lograr iniciar el giro del rotor, y en consecuencia, provocar averías en los

bobinados si el voltaje aplicado continúa aumentado y no se tienen las

protecciones eléctricas adecuadas en el sistema.

Existen varias técnicas de modulación con las cuales puede realizarse el

control de voltaje y frecuencia de los inversores. La técnica seleccionada

debe enfocarse en lograr una salida con bajo contenido armónico, y en

lograr una forma senoidal.

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97

Para seleccionar un dispositivo electrónico de conmutación, se deben

considerar principalmente la frecuencia de conmutación y la corriente que

se manejara para una carga especifica.

La principal diferencia entre las familias de DSC: dsPIC30F y dsPIC33F, es

que los últimos presentan un ciclo de máquina que es tan solo el doble del

ciclo del reloj, y además poseen registros de configuración donde se puede

obtiene un hasta rendimiento de 40 MIPS a 8 .Pero, no se los puede

encontrar fácilmente en el mercado local.

Para obtener un voltaje continuo de mayor magnitud en el Bus de DC se

requiere de un filtro capacitivo de gran valor, en consecuencia, también se

requiere un puente rectificador que soporte corrientes pico elevadas.

La etapa de manejo de los MOSFET fue la más complicada en su

desarrollo. Las perturbaciones y las componentes parásitas en la

compuerta de los MOSFET producen un funcionamiento inadecuado. Las

resistencia de encendido y apagado se dimensionan con el fin de lograr

adecuado funcionamiento de los MOSFET.

Es importante seleccionar un driver de MOSFET que posea una resistencia

equivalente baja, tanto en las transiciones de encendido como en el

apagado del MOSFET. Una resistencia elevada en conjunto con las

capacitancias parásitas propias del MOSFET pueden provocar una caída

de voltaje elevada en la compuerta y, en consecuencia, un voltaje mayor al

voltaje umbral del MOSFET, impidiendo que este pueda apagarse. Estas

condiciones de funcionamiento anormal en un puente inversor pueden

provocar su destrucción.

El utilizar un microcontrolador independiente tiene como ventaja que se

puede implementar una interfaz de usuario con varias opciones de

configuración, sin afectar el rendimiento del módulo de control de motores

del DSC.

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98

5.2. RECOMENDACIONES´

Se recomienda dimensionar los componentes de la etapa de potencia para

que pueda soportar el instante de arranque del motor.

Para el manejo de potencias elevadas el capacitor Snubber no es

suficiente. Puede emplearse redes Snubber más complejas como las RC o

RCD e incluso se recomienda el empleo de otros circuitos de protección de

contra los .

Los fabricantes de los elementos electrónicos proveen múltiples notas de

aplicación, tips de diseño e incluso layouts de los circuitos PCB, como es el

caso de los drives. Seguir correctamente sus recomendaciones disminuye

el efecto de componentes parásitos y por ende aumentar su desempeño.

La etapa de potencia debe ser completamente aislada de la etapa de

control. Cuidando especialmente que las señales de control PWM

mantengan una distancia adecuada con los conectores y cables de

potencia.

La disipación de calor de los dispositivos de potencia es esencial para

lograr su funcionamiento en condiciones nominales, evitar su destrucción y,

alargar su tiempo de vida útil. Es recomendable emplear un ventilador para

una mejor disipación de calor.

Los DSC para el control de motores proveen la suficiente velocidad de

cálculo y los recursos necesarios, como el modulo de cuadratura (QEI),

que pueden facilitar la implementación de algoritmos de control de motores

mucho más complejos y en lazo cerrado.

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99

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[14] Optimal Design of Modern Transformerless PV Inverter Topologies. Stefanos

Saridakis, Eftichios Koutroulis y Blaabjerg: IEEE Power & Energy Society,

Junio de 2013.

[15] Calvopiña, Guido y Quimuña, Pedro. Diseño e Implementación de un

Controlador de Velocidad de un Motor Monofásico utilizando la técnica de

Control Mediante Modulación de Ancho de Pulso Sinosoidal (SPWM) de dos y

tres niveles. Quito : Escuela Politécnica Nacional, 2011.

[16] Zong, Xiangdong. A Single Phase Grid Connected DC/AC Inverter with

Reactive Power Control for Residential PV Application. Toronto: University of

Toronto, 2011.

[17] Boylestad, Robert y Nashelsky, Louis. Electronica: Teoría de Circuitos y

Dispositivos Electrónicos. Octava edición. : PEARSON: Prentice Hall.

[18] Merello, A, Rugginenti, A y Grasso, M. Using Monolithic High Voltaje Gate

Drivers. Desing Tip (DT04-4),International Rectifier. [En Linea].

http://www.irf.com/technical-info/designtp/dt04-4.pdf

[19] Adams, Jonathan. Bootstrap Component Selection For Control IC’s. Design Tip

98-2,Intenational Rectifier.[En Linea]

http://www.irf.com/technical-info/designtp/dt98-2.pdf

[20] Torres, Carlos, Murillo, Duberney y Restrepo, Carlos. Diseño y construcción de

un inversor trifásico. Pereira: Universidad Tecnologica de Pereira, 2008.

[21] Williams, Barry W. Power Electronics:Devices, Drivers, Aplications, and Pasive

Components. Glasgow : McGraw-Hill, 1992.

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101

[22] Graovac, ušan y Pürschel, arco. IGBT Power Losses Calculation Using the

Data-Sheet Parameters. Aplication Note, V1.1 Infineon, 2009.

[23] Verle, Milan. Pic Microcontrollers Programing in C. First Edition.

mikroElektronika, 2009. [En linea]

http://www.mikroe.com/products/view/285/book-pic-microcontrollers

programming-in-c/

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102

ANEXOS

CONTENIDO

ANEXO 1: DIAGRAMAS CIRCUITALES

ANEXO 2: ESQUEMAS DE LOS CIRCUITOS PCB

ANEXO 3: IMÁGENES DEL PROYECTO

ANEXO 4: DESPIECE DE UN MOTOR MONOFÁSICO

ANEXO 5: PROGRAMAS

ANEXO 6: HOJAS DE DATOS

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103

ANEXO 1

DIAGRAMAS CIRCUITALES

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104

1 2 3456

4N

35

DL

D1

R1

27

0KΩ

/1W

10KΩ

LM

35

8P

U7:A

NT

E5

32

6W

BR

1

2 3

8 4

1

R3

5,6KΩ

R4

2,7KΩ

/1W

B

C E

R5

27

D5

RL

1

Q5

2N

39

04

1N

40

0

7A

B

NO

NC

CO

M

RC

22

/5W

D2

R2

CR

22

00u

F

D3

D4

JP

1

GN

D_P

GN

D_P

GN

D_P

JP

3

GN

D_P

GN

D_

P

EN

TR

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A

12

0V

AC

F1

10

A

DE

SD

E J

P1

5

(HO

JA

5)

HA

CIA

HO

JA

5

LM

35

8

PU7:B

8 4

7

GN

D_P

6 5

R7

1KΩ

R8

33

GN

D_

P

JP

4

U8

GN

D_

P

R6

1KΩ

HA

CIA

JP

13

(HO

JA

4)

AA

B C D

C DB

ES

FO

T / E

LE

CT

RO

ME

NIC

A

DIB

/DIS

:A

NG

EL

DA

VID

CU

MB

AJIN

J.

AN

EX

O 1

HO

JA

1

D

E 5

CIR

CU

ITO

ET

AP

A D

E

PO

TE

NC

IA : B

US

DE

DC

21

34

5

21

34

5

ES

CU

EL

A P

OL

ITÉ

CN

ICA

NA

CIO

NA

L

VD

C1

+- +-

+1

5V

VD

C1

+1

5V

VD

C1

+1

5V

BU

S_

DC

+

BU

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_B

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C4

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VD

C1

+1

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RL_B

F_

IN

N_

IN

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SE

N_R

L1

FA

SE

NE

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RO

GN

D

F_

IN

N_IN

F_

TR

1

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R1

GN

D_

D

VD

C4

VD

C4

SE

N_R

L1

GN

D_

D

VD

C1

GN

D_P

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C1

GN

D_

PS

EN

_R

L1

J1

HA

CIA

J2

(HO

JA

2)

BU

S_

DC

+

BU

S_

DC

-

BU

S_

DC

+

BU

S_

DC

-

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105

D S

G

D S

G

Q2

IRF

P4

50

Q3

IRF

P4

50

D S

G

Q4

IRF

P4

50

D S

G

Q1

IRF

P4

50

C2

1u

F

C1

1u

F

GN

D_

P

JP

6

JP

5

DE

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JA

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MO

TO

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JA

2 D

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TE

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MO

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21

34

5

21

34

5

ES

CU

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CIO

NA

L

J2

DE

SD

E J

1

(HO

JA

1)

BU

S_

DC

+

BU

S_

DC

-

BU

S_D

C+

BU

S_D

C-

PW

M1D

H

Q1

_S

PW

M1

DL

PW

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Q3

_S

PW

M2

DL

PW

M1

DH

Q1

_S

PW

M1

DL

PW

M2

DH

Q3

_S

PW

M2

DL

GN

D_

P

BU

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C+

BU

S_D

C-

Q1

_S

Q3

_S

PW

M1

DL

PW

M1

DH

PW

M2

DH

PW

M2D

L

GN

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P

N_

MO

T

F_

MO

T

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106

1 2 3 45678

N/C

VF

+

VF

-

N/C

VC

C

VE

VO

GN

D

6N

13

7

R9

33

R1

3

33

C3

0,1

uF

NT

E5

75

D6

C9

0,1

uF

RG

_O

N4

27Ω

NT

E5

19

D1

1

JP

8

JP

9

JP

7

DE

SD

E JP

11

(HO

JA

4)

DE

SD

E J

P1

5

(HO

JA

5)

C1

0

22

uF

GN

D_P

1 2 3 45678

N/C

VF

+

VF

-

N/C

VC

C

VE

VO

GN

D

6N

13

7

R1

0

33

R1

4

33

C4

0,1

uF

GN

D_P

1 2 3 45678

N/C

VF

+

VF

-

N/C

VC

C

VE

VO

GN

D

6N

13

7

R1

1

33

R1

5

33

C5

0,1

uF

GN

D_P

1 2 3 45678

N/C

VF

+

VF

-

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C

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GN

D

6N

13

7

R1

2

33

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6

33

C6

0,1

uF

GN

D_P

AA

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LE

CT

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NIC

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JA

3

D

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CIR

CU

ITO

MA

NE

JA

DO

R D

E

MO

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ET

21

34

5

21

34

5

ES

CU

EL

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ITÉ

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CIO

NA

L

VD

C3

+5V

VD

C2

+1

5V

VD

C3

+5V V

DC

3

+5V V

DC

3

+5V

PW

M1

H

PW

M1

L

PW

M2

H

PW

M2

L

PW

M1

DH

Q1

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PW

M1

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L

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M2

H

PW

M1

L

PW

M1

H

PW

M2

L

PW

M2H

PW

M1

L

PW

M1H

HA

CIA

JP

5

(HO

JA

2)

PW

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DH

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PW

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DL

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M2

DH

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M1

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H

Q3

_S

PW

M2

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VD

C2

GN

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10

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VD

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VD

C3

VD

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8 9 10

11

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D

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11

0

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123V

CC

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13

14

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VS

S

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12

HO

+5

V VD

C4

+5

V VD

C4

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V VD

C4

+5

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D_P

GN

D_P

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N1

27Ω

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19

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uF N

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C1

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uF

RG

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N2

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2

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12

HO

GN

D_P

GN

D_P

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N3

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19

D1

0

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uF

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107

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

11

12

13

14

15

16

17

18

20

19

22

21

23

24

25

26

27

28

MC

RL

RA

5/A

N4

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EF

+

RA

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1

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RB

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2

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K

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5

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4

PIC16F870

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

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24

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27

28

29

30

32

31

34

33

35

36

37

38

39

40

dsPIC30F3011

MC

RL

AN

5/Q

EB

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8/R

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AN

0/V

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0

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1

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M3

L/R

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0

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17

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4

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D

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5

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4

15

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JP

11

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2

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9

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20

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JP

15

C2

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uF

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1

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22

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JP

16

S5

R2

3

10KΩ R

24

1KΩ

JP

17

S6

R2

5

10KΩ R

26

1KΩ

JP

18

S7

R2

7

10KΩ R

28

1KΩ

JP

19

S8

C2

3

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C2

2

15

pF

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1

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9

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7

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6

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5

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4

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3

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2

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1

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7

RB

5

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4

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2

RB

1

RB

0

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7

10KΩ

R1

8

10KΩ

JP

14

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

11

12

13

14

15

16

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D

S3

S2

C2

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0,1

uF

GN

D_

D

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33

JP

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12

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LE

DP

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DE

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13

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D

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PW

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1

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3

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2

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5

DB

4

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7

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4

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4

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4

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DC

4

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C4

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GN

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CIA

JP

10

(HO

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3)

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108

C1

3

22

00u

F

78

15

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1

CO

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1

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15

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JP

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C1

7

47

0u

F

78

05

U1

3

CO

MM

ON

C1

8

0,1

uF

1N

40

01

+5V

DC

BR

3

JP

13

F_

2

N_

2

BR

2

JP

13

GN

D_

P

GN

D_

D

F_

1

N_

1

GN

D_P

D1

3

D1

4

VD

C2

VD

C1

GN

D_P

VD

C3

VD

C4

GN

D_D

GN

D_P

GN

D_P

INO

UT

INO

UT

INO

UT

AA

B C D

C DB

ES

FO

T / E

LE

CT

RO

ME

NIC

A

DIB

/DIS

:A

NG

EL

DA

VID

CU

MB

AJIN

J.

AN

EX

O 1

HO

JA

5

D

E 5

FU

EN

TE

S D

E

AL

IME

NT

AC

IÓN

21

34

5

21

34

5

ES

CU

EL

A P

OL

ITÉ

CN

ICA

NA

CIO

NA

L

DE

SD

E J

P2

(HO

JA

1)

GN

D_P

VD

C1

VD

C2

GN

D_P

VD

C3

GN

D_P

VD

C4

VD

C_D

GN

D_

P

VD

C1

VD

C2

GN

D_

P

VD

C3

GN

D_

P

VD

C4

VD

C_

D

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109

ANEXO 2

ESQUEMAS DE LOS CIRCUITOS PCB

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110

GND_P VDC1

F_T

R1

N_T

R1

NE

UT

RO

FA

SE

VDC4 GND_DSEN_RL1

DC

(+)

DC

(-)

80

92

,5

Figura A. 2.1. Circuito PCB de la etapa Bus de DC

70

82

,5

PWM1DH Q1_S PWM1DL PWM2DH Q3_S PWM2DLF_MTR N_MTR

GND_P

Figura A. 2.2. Vista Superior del Circuito PCB de la Etapa Inversor Monofásico

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111

70

82

,5

Figura A. 2.3. Vista Inferior del Circuito PCB de la Etapa Inversor Monofásico

75

75

PWM1DH Q1_S PWM1DL PWM2DH Q3_S PWM2DL

VD

C4

VD

C3

PW

M1H

PW

M1L

PW

M2H

PW

M2L

+5

VD

C

GN

D_P

VD

C2 +1

5V

DC

Figura A. 2.4. Circuito PCB de la Etapa Manejador de MOSFET

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112

PW

M2H

PW

M2L

PW

M1H

PW

M1L

GN

D_D

VD

C4

SE

N_R

L1

GN

D_D

GN

D_D

VD

C4 +

5V

DC

75

75

Figura A. 2.5. Circuito PCB de la Etapa Control

75

75

Figura A. 2.6. Circuito PCB de la Fuentes de Alimentación

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113

ANEXO 3

IMÁGENES DEL PROYECTO

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114

MARCHA/PARO

PROG SELECT BAJAR SUBIR

Figura A. 3.1. Vista Frontal

TARJETA DE POTENCIA:BUS DE DC

TARJETA DEL INVERSOR MONOFÁSICO EN PUENTE

TARJETA ETAPA DECONTROL

TARJETA FUENTES DE ALIMENTACIÓN

TARJETA MANEJADOR DE MOSFETS

TRANSFORMADOR

Figura A. 3.2. Vista Interior

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115

ANEXO 4

DESPIECE DE UN MOTOR MONOFÁSICO

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116

AA

B C D

C DB

ES

FO

T / E

LE

CT

RO

ME

NIC

A

ES

CU

EL

A P

OL

ITÉ

CN

ICA

NA

CIO

NA

L

DIB

/DIS

:A

NG

EL

DA

VID

CU

MB

AJIN

J.

21

34

5

21

34

5

1

AN

EX

O 4

1 D

E 1

DE

SP

IEC

E D

E U

N M

OT

OR

MO

NO

SIC

O

2

5

4

7

9

2

10

12

13

3

6

8

1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

11

12

13

TA

PA

RO

DA

MIE

NT

OS

CE

NT

RIF

UG

O

CH

AV

ET

A

RO

TO

R

ES

TA

TO

R B

OB

INA

DO

CA

RC

AS

A

CE

NT

RÍF

UG

O

INT

ER

RU

PT

OR

AR

AN

DE

LA

DE

PR

ES

IÓN

RE

GL

ET

A D

E B

OR

NE

S

CA

PA

CIT

OR

TA

PA

DE

BO

RN

ER

A

LIS

TA

DE

EL

EM

EN

TO

S

11

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117

ANEXO 5

PROGRAMAS

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118

//***********************************************************************

//ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL *

//ESFOT/ELECTROMECÁNICA *

//PROGRAMA: CONTROL V/F CON MODULACIÓN SPWM PARA MOTOR MONOFÁSICO *

//DESAROLLADO POR: ANGEL DAVID CUMBAJIN JAGUACO *

//MICROCONTROLADOR: dsPIC30F3011 *

//ARCHIVO: VF_Control_SPWM.c *

//XTAL=4MHZ w/PLLX4 *

//***********************************************************************

/*Definición de Constantes**********************************************/

//El puntero de la tabla seno es de 16 bits. Añadiendo el valor 0X7FFF

//se obtienen 180° de desfase.

#define Offset_180 0X8000

#define V_per_Hz_const 0X7FFF //Constante V/f

//Esta constante es usada para escalar los datos de la tabla seno a

//valores validos del ciclo de trabajo.

const signed int Pwm_scaling = 1586;

//Esta es la tabla de 64 valores que cubren los 360° de la onda

//sinusoidal.

//Los valores fueron calculados empleando Microsoft Excel.

const signed int Tabla_Seno[64]=

0,3212,6393,9512,12539,15446,18204,20787,23170,25329,27245,

28898,30273,31356,32137,32609,32767,32609,32137,31356,30273,28898,

27245,25329,23170,20787,18204,15446,12539,9512,6393,3212,0,-3212,-6393,

-9512,-12539,-15446,-18204,-20787,-23170,-25329,-27245,-28898,-30273,

-31356,-32137,-32609,-32767,-32609,-32137,-31356,-30273,-28898,-27245,

-25329,-23170,-20787,-18204,-15446,-12539,-9512,-6393,-3212

;

/*Definición de Variables***********************************************/

//Esta variable es usada para setear el Índice de Modulación de

//Amplitud.

int Amplitud=0;

//Esta variable es añadida al puntero de 16 bits en cada interrupción.

//Un valor de 3120 provee una frecuencia de salida al inversor de 60[Hz]

//a una frecuencia de conmutación de 1260[HZ].

int Frecuencia=0;

//Variables para la obtención de punteros y ciclos de trabajo.

volatile signed int FaseO1=0;

volatile signed int FaseN1,FaseN2;

volatile signed int Puntero1,Puntero2;

volatile unsigned int Duty_Cycle1,Duty_Cycle2;

/*Interrupción por MCPWM************************************************/

void PWM_Interrupt() iv IVT_ADDR_PWMINTERRUPT ics ICS_AUTO

IFS2.PWMIF = 0; //Encera la Bandera de Interrupción PWM

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119

/*Sección del código que realiza la modulación SPWM*********************/

//El siguiente bloque de instrucciones forma el puntero y el ciclo de

//trabajo para la Fase 1.

FaseN1 = FaseO1 + Frecuencia; //Añade el valor de Frecuencia al

//puntero de la tabla seno

Puntero1 = (unsigned int)(FaseN1) >> 10; //Desplaza el puntero FaseN1

//para leer un dato de la

//tabla Seno

Duty_Cycle1 = Tabla_Seno[(signed int)(Puntero1)];

A = DSP_MPY(Duty_Cycle1,Amplitud,0,0,0,0,0,0); //Multiplica las

//variables y guarda

//en el Acumulador

W5 = DSP_SAC(A,0); //Mueve el resultado del Acumulador

//al registro de trabajo W5

A = DSP_MPY(W5,PWM_Scaling,0,0,0,0,0,0); //Multiplica W5 por

//PWM_Scaling y guarda en el

//Acumulador

W8 = DSP_SAC(A,0); //Mueve el Acumulador A W8

W8+= PWM_Scaling; //Añade el Factor

PDC1 = W8; //Pwm_Scaling para producir

//un 50% de desfase y

//escribe en PDC1

//El siguiente bloque de instrucciones forma el puntero y el ciclo de

//trabajo para la Fase 2.

FaseN2 = FaseN1 + Offset_180; //Añade el desfase de 180°

Puntero2 = (unsigned int)(FaseN2) >> 10; //Desplaza el puntero FaseN2

//para leer un dato de la

//tabla Seno

Duty_Cycle2 = Tabla_Seno[(signed int)(Puntero2)];

A = DSP_MPY(Duty_Cycle2,Amplitud,0,0,0,0,0,0); //Multiplica las

//variables y guarda

//en el Acumulador

W5 = DSP_SAC(A,0); //Mueve el resultado del Acumulador

//al registro de trabajo W5

A = DSP_MPY(W5,PWM_Scaling,0,0,0,0,0,0); //Multiplica W5 por

//PWM_Scaling y guarda en el

//Acumulador

W8 = DSP_SAC(A,0); //Mueve el Acumulador a W8

W8+= PWM_Scaling; //Añade el Factor

PDC2 = W8; //Pwm_Scaling para producir

//un 50% de desfase y

//escribe en PDC1

FaseO1 = FaseN1; //Guarda el antiguo valor del

//puntero FaseN1 en FaseO1 para

//la próxima interrupción

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120

/*Función de Inicialización del Módulo de Control de Motores PWM********/

void InitPCPWM(void)

PWMCON1 = 0X0033; //PWM en Modo complementario

DTCON1 = 0X0018; //Tiempo Muerto=6[us]

PTPER = Pwm_scaling; //Frecuencia de Conmutación fc=1260[Hz]

PTCON = 0X8002; //Habilita Tiempo base de PWM

//Habilita Modo Centro Alineado

INTCON1 = 0X0000; //Habilita Interrupciones

IPC9 = 0X7000; //Máxima prioridad para interrupción PWM

IEC2.PWMIE =1; //Habilita Interrupción por PWM

/*Función Principal*****************************************************/

void main()

NSTDIS_bit = 1; //Activación de prioridad de interrupción

TRISE = 0X0000; //Puerto E como salidas digitales

PORTE = 0;

ADPCFG = 0XFFFF; //Puerto B Digital

TRISB = 0X003F; //Puerto B como Entradas Digitales

PORTB = 0;

InitPCPWM(); //Inicializa Modulo de Control de Motores

while(1) //Bucle

Frecuencia = (signed long)PORTB*52; //Escala el valor del Puerto B y

W5 = Frecuencia*10; //Multiplica por 10 para convertir

//en valor de Frecuencia en un valor de 16

//bits

A = DSP_MPY(W5,V_per_Hz_const,0,0,0,0,0,0); //Multiplica la constante

W1 = DSP_SAC(A,0); //V/F con la Frecuencia para obtener

//Índice de Modulación de Amplitud y el

//resultado se guarda en el registro de

//trabajo W1

if(W1<28000) //Condición para eliminar la distorsión

Amplitud = W1; //inducida por los tiempos muertos en la

//modulación PWM

else

Amplitud = 28000;

/*Fin del Programa******************************************************/

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121

'************************************************************************

'*ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL *

'*ESFOT/ELECTROMECÁNICA *

'*PROGRAMA: CONTROL DE RAMPA DE ACELERACIÓN Y DESACELERACIÓN *

'*DESAROLLADO POR: ANGEL DAVID CUMBAJIN JAGUACO *

'*MICROCONTROLADOR: PIC16F870 *

'*ARCHIVO: Control_Rampa_A_D.BAS *

'*XTAL=4[MHz] *

'************************************************************************

'Configuración de Puertos************************************************

TRISC=%11000000

TRISB= 0 ;Frecuencia de 0[Hz] al inicio

PORTB=0

DEFINE OSC 4 ;Cristal=4[Mhz]

'Configuración de Conexiones de LCD**************************************

DEFINE LCD_DREG PORTC 'LCD data port

DEFINE LCD_DBIT 0 'LCD data starting bit 0 or 4

DEFINE LCD_RSREG PORTC 'LCD register select port

DEFINE LCD_RSBIT 4 'LCD register select bit

DEFINE LCD_EREG PORTC 'LCD enable port

DEFINE LCD_EBIT 5 'LCD enable bit

DEFINE LCD_BITS 4

DEFINE LCD_LINES 2

'Configuración de Variables*********************************************

FRECUENCIA VAR BYTE

RAMPAA VAR BYTE

RAMPAD VAR BYTE

PRIMARY_AUX VAR BYTE

AUX1 VAR BYTE

AUX_FRECUENCIA VAR BYTE

AUX_FRECUENCIAF VAR BYTE

PASOS VAR WORD

SUBIR VAR PORTA.3

BAJAR VAR PORTA.4

OK VAR PORTA.5

PROG VAR PORTC.6

RUN VAR PORTC.7

BUS VAR PORTA.0

FLAG1 VAR BIT

ADCON1=7

TRISA=255

FRECUENCIA= 60

RAMPAA=10

RAMPAD=10

CONTROL:

PAUSE 200

LCDOUT $FE,1," PROYECTO FINAL "

LCDOUT $FE,$C0,"VAR. MONOFASICO"

PAUSE 1000

IF BUS=0 THEN GOTO CAPACITOR

'Inicio del Programa ****************************************************

INICIO:

LCDOUT $FE,1

LCDOUT $FE,$C0, "OPRIMA PROG"

TEST_CONTROL:

IF BUS=0 THEN GOTO CAPACITOR

IF PROG= 0 THEN PARAMETROS_ACE

GOTO TEST_CONTROL

TEST_FUNTION:

IF RUN=0 THEN ARRANCAR

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122

RETURN

'Menu de Interfaz de Usuario ******************************************

PARAMETROS_ACE:

IF BUS=0 THEN GOTO CAPACITOR

IF SUBIR=0 THEN PARAMETROS_ACE

IF BAJAR=0 THEN PARAMETROS_ACE

IF PROG= 0 THEN PARAMETROS_ACE

LCDOUT $FE,1," R. ACELERACION"

TEST1:

IF BUS=0 THEN GOTO CAPACITOR

IF OK=0 THEN TEST1:LCDOUT $FE,$C0," "

IF PROG= 0 THEN AUMENTA_DECREMENTA

IF BAJAR= 0 THEN PARAMETROS_DESACE

IF SUBIR=0 THEN PARAMETRO_FRECUENCIA

CALL TEST_FUNTION;

GOTO TEST1

PARAMETROS_DESACE:

IF BUS=0 THEN GOTO CAPACITOR

IF BAJAR= 0 THEN PARAMETROS_DESACE

IF SUBIR=0 THEN PARAMETROS_DESACE

LCDOUT $FE,1," R. DESACELERACION"

TEST2:

IF BUS=0 THEN GOTO CAPACITOR

IF OK=0 THEN TEST2:LCDOUT $FE,$C0," "

IF PROG= 0 THEN AUMENTA_DECREMENTA1

IF BAJAR= 0 THEN PARAMETRO_FRECUENCIA

IF SUBIR=0 THEN PARAMETROS_ACE

CALL TEST_FUNTION

GOTO TEST2

PARAMETRO_FRECUENCIA:

IF BUS=0 THEN GOTO CAPACITOR

IF SUBIR=0 THEN PARAMETRO_FRECUENCIA

IF BAJAR=0 THEN PARAMETRO_FRECUENCIA

LCDOUT $FE,1," FRECUENCIA"

TEST3:

IF BUS=0 THEN GOTO CAPACITOR

IF OK=0 THEN TEST3:LCDOUT $FE,$C0," "

IF PROG=0 THEN AUMENTA_DECREMENTAF

IF BAJAR=0 THEN PARAMETROS_ACE

IF SUBIR=0 THEN PARAMETROS_DESACE

CALL TEST_FUNTION

GOTO TEST3

'Subrutina**************************************************************

'para incremento o decremento de tiempo de rampa de aceleración*********

AUMENTA_DECREMENTA:

IF BUS=0 THEN GOTO CAPACITOR

IF PROG= 0 THEN AUMENTA_DECREMENTA

IF SUBIR=0 THEN CALL INCRE

IF BAJAR=0 THEN CALL DECRE

IF OK=0 THEN TEST1

IF RAMPAA<10 THEN BORRAR_DECENAS

LCDOUT $FE,$C0

LCDOUT, DEC RAMPAA

LCDOUT $FE,$C4,"SEGUNDOS"

GOTO AUMENTA_DECREMENTA

BORRAR_DECENAS

LCDOUT $FE,$C1

LCDOUT " "

LCDOUT $FE,$C0

LCDOUT, DEC RAMPAA

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123

LCDOUT $FE,$C4,"SEGUNDOS"

GOTO AUMENTA_DECREMENTA

'Subrutina**************************************************************

'para incremento de tiempo de rampa de aceleración**********************

INCRE:

IF BUS=0 THEN GOTO CAPACITOR

IF SUBIR=0 THEN INCRE

IF RAMPAA>=20 THEN RAMPAA=20:RETURN

RAMPAA= RAMPAA+1

RETURN

'Subrutina**************************************************************

'para decremento de tiempo de rampas de aceleración*********************

DECRE:

IF BUS=0 THEN GOTO CAPACITOR

IF BAJAR=0 THEN DECRE

IF RAMPAA<=5 THEN RAMPAA=5: RETURN

RAMPAA= RAMPAA-1

RETURN

'Subrutina**************************************************************

'para incremento o decremento de tiempo de rampa de desaceleración******

AUMENTA_DECREMENTA1:

IF BUS=0 THEN GOTO CAPACITOR

IF PROG= 0 THEN AUMENTA_DECREMENTA1

IF SUBIR=0 THEN CALL INCRED

IF BAJAR=0 THEN CALL DECRED

IF OK=0 THEN TEST2

IF RAMPAD<10 THEN BORRAR_DECENAS1

LCDOUT $FE,$C0

LCDOUT, DEC RAMPAD

LCDOUT $FE,$C4,"SEGUNDOS"

GOTO AUMENTA_DECREMENTA1

BORRAR_DECENAS1:

LCDOUT $FE,$C1

LCDOUT " "

LCDOUT $FE,$C0

LCDOUT, DEC RAMPAD

LCDOUT $FE,$C4,"SEGUNDOS"

GOTO AUMENTA_DECREMENTA1

'Subrutina**************************************************************

'para incremento de tiempo de rampa de desaceleración*******************

INCRED:

IF BUS=0 THEN GOTO CAPACITOR

IF SUBIR=0 THEN INCRED

IF RAMPAD>=20 THEN RAMPAD=20:RETURN

RAMPAD= RAMPAD+1

RETURN

'Subrutina**************************************************************

'para decremento de tiempo de rampa de desaceleración*******************

DECRED:

IF BUS=0 THEN GOTO CAPACITOR

IF BAJAR=0 THEN DECRED

IF RAMPAD<=5 THEN RAMPAD=5:RETURN

RAMPAD= RAMPAD-1

RETURN

'Subrutina**************************************************************

'para incremento o decremento de frecuencia*****************************

AUMENTA_DECREMENTAF:

IF BUS=0 THEN GOTO CAPACITOR

IF PROG= 0 THEN AUMENTA_DECREMENTAF

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124

IF SUBIR=0 THEN CALL INCREF

IF BAJAR=0 THEN CALL DECREF

IF OK=0 THEN TEST3

IF FRECUENCIA<10 THEN BORRAR_DECENASF;

LCDOUT $FE,$C0

LCDOUT, DEC FRECUENCIA

LCDOUT $FE,$C4,"HERZIOS"

GOTO AUMENTA_DECREMENTAF

BORRAR_DECENASF:

LCDOUT $FE,$C1

LCDOUT " "

LCDOUT $FE,$C0

LCDOUT, DEC FRECUENCIA

LCDOUT $FE,$C4,"HERZIOS"

GOTO AUMENTA_DECREMENTAF

'Subrutina**************************************************************

'para incremento de frecuencia******************************************

INCREF:

IF BUS=0 THEN GOTO CAPACITOR

IF SUBIR=0 THEN INCREF

IF FRECUENCIA>=60 THEN FRECUENCIA=60:RETURN

FRECUENCIA= FRECUENCIA+1

RETURN

'Subrutina**************************************************************

'para decremento de frecuencia******************************************

DECREF:

IF BUS=0 THEN GOTO CAPACITOR

IF BAJAR=0 THEN DECREF

IF FRECUENCIA<=5 THEN FRECUENCIA=5:RETURN

FRECUENCIA= FRECUENCIA-1

RETURN

'Subrutina**************************************************************

'para arrancar**********************************************************

ARRANCAR:

IF BUS=0 THEN GOTO CAPACITOR

IF RUN=0 THEN ARRANCAR

CALL CALCULARA

FOR AUX1= 0 TO FRECUENCIA

IF BUS=0 THEN GOTO CAPACITOR

CALL LCD

PORTB=AUX_FRECUENCIA

AUX_FRECUENCIA= AUX_FRECUENCIA+1

LCDOUT $FE,$C0, "ARRANCANDO"

PAUSE PASOS

NEXT

LCDOUT $FE,$C0, "FUNCIONANDO"

TEST5:

IF BUS=0 THEN GOTO CAPACITOR

IF SUBIR=0 THEN CALL INCREF:AUX_FRECUENCIA= FRECUENCIA:CALL LCD

IF BAJAR=0 THEN CALL DECREF: AUX_FRECUENCIA= FRECUENCIA:CALL LCD

IF RUN=0 THEN APAGAR

PORTB= AUX_FRECUENCIA

GOTO TEST5

CALCULARA:

PASOS= RAMPAA*1000/FRECUENCIA

RETURN

LCD:

LCDOUT $FE,$1,"FRECUENCIA= ", DEC AUX_FRECUENCIA

RETURN

CAPACITOR:

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125

PORTB=0

LCDOUT $FE,1," ESPERANDO "

LCDOUT $FE,$C0," CARGA CAPACITOR"

ESPERAC:

IF BUS=0 THEN ESPERAC:

LCDOUT $FE,1

GOTO INICIO

'Subrutina**************************************************************

'para apagar************************************************************

APAGAR:

IF BUS=0 THEN GOTO CAPACITOR

IF RUN=0 THEN APAGAR

CALL CALCULARD

AUX_FRECUENCIAF= AUX_FRECUENCIA

FOR AUX1=0 TO AUX_FRECUENCIAF

IF BUS=0 THEN GOTO CAPACITOR

CALL LCD

PORTB=AUX_FRECUENCIA

AUX_FRECUENCIA= AUX_FRECUENCIA-1

LCDOUT $FE,$C0, "PARANDO"

PAUSE PASOS

NEXT

FRECUENCIA= 60

RAMPAA=10

RAMPAD=10

GOTO INICIO

CALCULARD:

PASOS= RAMPAD*1000/AUX_FRECUENCIA

RETURN

FIN:

END

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126

ANEXO 6

HOJAS DE DATOS

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127

ANEXO 6.1

HOJA DE DATOS DEL MANEJADOR DE MOSFET

IR2110

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128

Data Sheet No. PD60147 rev.U

Features

IR2110(-1-2)(S)PbF/IR2113(-1-2)(S)PbF

HIGH AND LOW SIDE DRIVER Product Summary

Floating channel designed for bootstrap operation Fully operational to +500V or +600V

Tolerant to negative transient voltage

dV/dt immune

Gate drive supply range from 10 to 20V

Undervoltage lockout for both channels

3.3V logic compatible Separate logic supply range from 3.3V to 20V

Logic and power ground ±5V offset

CMOS Schmitt-triggered inputs with pull-down

Cycle by cycle edge-triggered shutdown logic

Matched propagation delay for both channels

Outputs in phase with inputs

VOFFSET (IR2110) 500V max. (IR2113) 600V max.

IO+/- 2A / 2A

VOUT 10 - 20V

ton/off (typ.) 120 & 94 ns

Delay Matching (IR2110) 10 ns max. (IR2113) 20ns max.

Packages

Description The IR2110/IR2113 are high voltage, high speed power MOSFET and

IGBT drivers with independent high and low side referenced output chan-

nels. Proprietary HVIC and latch immune CMOS technologies enable

ruggedized monolithic construction. Logic inputs are compatible with

standard CMOS or LSTTL output, down to 3.3V logic. The output

drivers feature a high pulse current buffer stage designed for minimum

14-Lead PDIP IR2110/IR2113

16-Lead SOIC IR2110S/IR2113S

driver cross-conduction. Propagation delays are matched to simplify use in high frequency applications. The

floating channel can be used to drive an N-channel power MOSFET or IGBT in the high side configuration which

operates up to 500 or 600 volts.

Typical Connection

(Refer to Lead Assignments for correct pin configuration). This/These diagram(s) show electrical connections only. Please refer to our Application Notes and DesignTips for proper circuit board layout.

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HO

VDD

VB

HIN

SD

LIN

VSS

VS

VCC

COM

LO

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129

IR2110(-1-2)(S)PbF/IR2113(-1-2)(S)PbF

Absolute Maximum Ratings Absolute maximum ratings indicate sustained limits beyond which damage to the device may occur. All voltage param-

eters are absolute voltages referenced to COM. The thermal resistance and power dissipation ratings are measured

under board mounted and still air conditions. Additional information is shown in Figures 28 through 35.

Symbol Definition Min. Max. Units

VB High side floating supply voltage (IR2110) -0.3 525

(IR2113) -0.3 625

VS High side floating supply offset voltage VB - 25 VB + 0.3

VHO High side floating output voltage VS - 0.3 VB + 0.3

VCC Low side fixed supply voltage -0.3 25

VLO Low side output voltage -0.3 VCC + 0.3

VDD Logic supply voltage -0.3 VSS + 25

VSS Logic supply offset voltage VCC - 25 VCC + 0.3

VIN Logic input voltage (HIN, LIN & SD) VSS - 0.3 VDD + 0.3

V

dVs/dt Allowable offset supply voltage transient (figure 2) — 50 V/ns

PD Package power dissipation @ TA +25°C (14 lead DIP) — 1.6

(16 lead SOIC) — 1.25

RTHJA Thermal resistance, junction to ambient (14 lead DIP) — 75

(16 lead SOIC) — 100

TJ Junction temperature — 150

TS Storage temperature -55 150

TL Lead temperature (soldering, 10 seconds) — 300

Recommended Operating Conditions

W

°C/W

°C

The input/output logic timing diagram is shown in figure 1. For proper operation the device should be used within the recommended conditions. The VS and VSS offset ratings are tested with all supplies biased at 15V differential. Typical ratings at other bias conditions are shown in figures 36 and 37.

Symbol Definition Min. Max. Units

VB High side floating supply absolute voltage VS + 10 VS + 20

VS High side floating supply offset voltage (IR2110) Note 1 500

(IR2113) Note 1 600

VHO High side floating output voltage VS VB

VCC Low side fixed supply voltage 10 20

VLO Low side output voltage 0 VCC

VDD Logic supply voltage VSS + 3 VSS + 20

VSS Logic supply offset voltage -5 (Note 2) 5

VIN Logic input voltage (HIN, LIN & SD) VSS VDD

V

TA Ambient temperature -40 125 °C

Note 1: Logic operational for VS of -4 to +500V. Logic state held for VS of -4V to -VBS. (Please refer to the Design Tip DT97-3 for more details). Note 2: When VDD < 5V, the minimum VSS offset is limited to -VDD.

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130

IR2110(-1-2)(S)PbF/IR2113(-1-2)(S)PbF

Dynamic Electrical Characteristics VBIAS (VCC, VBS, VDD) = 15V, CL = 1000 pF, TA = 25°C and VSS = COM unless otherwise specified. The dynamic

electrical characteristics are measured using the test circuit shown in Figure 3.

Symbol Definition Figure Min. Typ. Max. Units Test Conditions

ton Turn-on propagation delay 7 — 120 150 VS = 0V

toff Turn-off propagation delay 8 — 94 125 VS = 500V/600V

tsd Shutdown propagation delay 9 — 110 140

tr Turn-on rise time 10 — 25 35

tf Turn-off fall time 11 — 17 25

MT Delay matching, HS & LS (IR2110) — — — 10

turn-on/off (IR2113) — — — 20

ns VS = 500V/600V

Static Electrical Characteristics VBIAS (VCC, VBS, VDD) = 15V, TA = 25°C and VSS = COM unless otherwise specified. The VIN, VTH and IIN parameters

are referenced to VSS and are applicable to all three logic input leads: HIN, LIN and SD. The VO and IO parameters are

referenced to COM and are applicable to the respective output leads: HO or LO.

Symbol Definition Figure Min. Typ. Max. Units Test Conditions

VIH Logic ― ‖ input voltage 12 9.5 — —

VIL Logic ― ‖ input voltage 13 — — 6.0

VOH High level output voltage, VBIAS - VO 14 — — 1.2 V IO = 0A

VOL Low level output voltage, VO 15 — — 0.1 IO = 0A

ILK Offset supply leakage current 16 — — 50 VB=VS = 500V/600V

IQBS Quiescent VBS supply current 17 — 125 230 VIN = 0V or VDD

IQCC Quiescent VCC supply current 18 — 180 340 µA

VIN = 0V or VDD

IQDD Quiescent VDD supply current 19 — 15 30 VIN = 0V or VDD

IIN+ Logic ― ‖ input bias current 20 — 20 40 VIN = VDD

IIN- Logic ― ‖ input bias current 21 — — 1.0 VIN = 0V

VBSUV+ VBS supply undervoltage positive going 22 7.5 8.6 9.7

threshold

VBSUV- VBS supply undervoltage negative going 23 7.0 8.2 9.4

threshold

VCCUV+ VCC supply undervoltage positive going 24 7.4 8.5 9.6

threshold

VCCUV- VCC supply undervoltage negative going 25 7.0 8.2 9.4

threshold

V

IO+ Output high short circuit pulsed current 26 2.0 2.5 — VO = 0V, VIN = VDD

PW 10 µs

IO- Output low short circuit pulsed current 27 2.0 2.5 — A

VO = 15V, VIN = 0V

PW 10 µs

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131

IR2110(-1-2)(S)PbF/IR2113(-1-2)(S)PbF

Functional Block Diagram

Lead Definitions Symbol Description

VDD Logic supply

HIN Logic input for high side gate driver output (HO), in phase

SD Logic input for shutdown

LIN Logic input for low side gate driver output (LO), in phase

VSS Logic ground

VB High side floating supply

HO High side gate drive output

VS High side floating supply return

VCC Low side supply

LO Low side gate drive output

COM Low side return

www.irf.com

VDD

HIN

SD

LIN

V

SS

VDD/VCC

LEVEL SHIFT

VDD/VCC

LEVEL SHIFT

GEN

PULSE

R

R

Q

Q

S

S

HV LEVEL SHIFT

UV DETECT PULSE FILTER

R Q

R

S

UV

DETECT

DELAY

VB

HO

V S

VCC

LO

COM

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132

ANEXO 6.2

HOJA DE DATOS DEL MOSFET DE POTENCIA

IRFP450

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133

Power MOSFET

IRFP450, SiHFP450

Vishay Siliconix

PRODUCT SUMMARY

VDS (V) 500

RDS(on) (Ω) VGS = 10 V 0.40

Qg (Max.) (nC) 150

Qgs (nC) 20

Qgd (nC) 80

Configuration Single

D

TO-247

FEATURES

• Dynamic dV/dt Rating

• Repetitive Avalanche Rated

• Isolated Central Mounting Hole

• Fast Switching

• Ease of Paralleling

• Simple Drive Requirements

• Lead (Pb)-free Available

DESCRIPTION

Available

RoHS* COMPLIANT

D

G

Third generation Power MOSFETs from Vishay provide the designer with the best combination of fast switching, ruggedized device design, low on-resistance and

cost-effectiveness. The TO-247 package is preferred for commercial-industrial applications where higher power levels preclude the use of

G S

N-Channel MOSFET

TO-220 devices. The TO-247 is similar but superior to the earlier TO-218 package because its isolated mounting hole.

It also provides greater creepage distances between pins to meet the requirements of most safety specifications.

ORDERING INFORMATION

Package TO-247

Lead (Pb)-free IRFP450PbF SiHFP450-E3

SnPb IRFP450 SiHFP450

ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS TC = 25 °C, unless otherwise noted

PARAMETER SYMBOL LIMIT UNIT

Drain-Source Voltage VDS 500 V

Gate-Source Voltage VGS ± 20

TC = 25 °C 14 Continuous Drain Current VGS at 10 V

TC = 100 °C ID

8.7 A

Pulsed Drain Currenta IDM 56

Linear Derating Factor 1.5 W/°C

Single Pulse Avalanche Energyb EAS 760 mJ

Repetitive Avalanche Currenta IAR 8.7 A

Repetitive Avalanche Energya EAR 19 mJ

Maximum Power Dissipation TC = 25 °C PD 190 W

Peak Diode Recovery dV/dtc dV/dt 3.5 V/ns

Operating Junction and Storage Temperature Range TJ, Tstg - 55 to + 150 °C

Soldering Recommendations (Peak Temperature) for 10 s 300d

10 lbf · in Mounting Torque 6-32 or M3 screw

Notes

a. Repetitive rating; pulse width limited by maximum junction temperature (see fig. 11).

b. VDD = 50 V, starting TJ = 25 °C, L = 7.0 mH, RG = 25 Ω, IAS = 14 A (see fig. 12).

c. ISD ≤ 14 A, dI/dt ≤ 130 A/µs, VDD ≤ VDS, TJ ≤ 150 °C.

d. 1.6 mm from case.

1.1 N · m

* Pb containing terminations are not RoHS compliant, exemptions may apply

Document Number: 91233 S-81271-Rev. A, 16-Jun-08

www.vishay.com

S

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134

IRFP450, SiHFP450

Vishay Siliconix

THERMAL RESISTANCE RATINGS

PARAMETER SYMBOL TYP. MAX. UNIT

Maximum Junction-to-Ambient RthJA - 40

Case-to-Sink, Flat, Greased Surface RthCS 0.24 -

Maximum Junction-to-Case (Drain) RthJC - 0.65

°C/W

SPECIFICATIONS TJ = 25 °C, unless otherwise noted

PARAMETER SYMBOL TEST CONDITIONS MIN. TYP. MAX. UNIT

Static

Drain-Source Breakdown Voltage VDS VGS = 0 V, ID = 250 µA 500 - - V

VDS Temperature Coefficient ΔVDS/TJ Reference to 25 °C, ID = 1 mA - 0.63 - V/°C

Gate-Source Threshold Voltage VGS(th) VDS = VGS, ID = 250 µA 2.0 - 4.0 V

Gate-Source Leakage IGSS VGS = ± 20 V - - ± 100 nA

VDS = 500 V, VGS = 0 V - - 25 Zero Gate Voltage Drain Current IDSS

VDS = 400 V, VGS = 0 V, TJ = 125 °C - - 250 µA

Drain-Source On-State Resistance RDS(on) VGS = 10 V ID = 8.4 Ab - - 0.40 Ω

Forward Transconductance gfs VDS = 50 V, ID = 8.4 Ab 9.3 - - S

Dynamic

Input Capacitance Ciss V GS = 0 V,

- 2600 -

Output Capacitance Coss

Reverse Transfer Capacitance Crss

Total Gate Charge Qg

Gate-Source Charge Qgs

VDS = 25 V, f = 1.0 MHz, see fig. 5

ID = 14 A, VDS = 400 V, see fig. 6 and 13b

- 720 -

- 340 -

- - 150

- - 20

pF

nC

Gate-Drain Charge Qgd - - 80

Turn-On Delay Time td(on) - 17 -

Rise Time tr V = 250 V, I = 14 A, - 47 -

ns Turn-Off Delay Time td(off) RG = 6.2 Ω, RD = 17 Ω, see fig. 10b

- 92 -

Fall Time tf - 44 -

Internal Drain Inductance LD Between lead, 6 mm (0.25") from package and center of G

D

- 5.0 -

nH

Internal Source Inductance LS

Drain-Source Body Diode Characteristics Continuous Source-Drain Diode Current IS

Pulsed Diode Forward Currenta ISM

die contact

MOSFET symbol

showing the integral reverse p - n junction diode

G

S

D

S

- 13 -

- - 14

- - 56

A

Body Diode Voltage VSD TJ = 25 °C, IS = 14 A, VGS = 0 Vb - - 1.4 V

Body Diode Reverse Recovery Time trr TJ = 25 °C, IF = 14 A, dI/dt = 100 A/µsb

- 540 810 ns

Body Diode Reverse Recovery Charge Qrr - 4.8 7.2 µC

Forward Turn-On Time ton Intrinsic turn-on time is negligible (turn-on is dominated by LS and LD)

Notes

a. Repetitive rating; pulse width limited by maximum junction temperature (see fig. 11).

b. Pulse width ≤ 300 µs; duty cycle ≤ 2 %.

www.vishay.com

Document Number: 91233 S-81271-Rev. A, 16-Jun-08