Inversor trifásico PWM para variar la velocidad de motores de inducción

Jorge Rodríguez Baez, Eusebio Guzmán Serrano Departamento de Energía, Universidad Autónoma Metropolitana Azcapotzalco

Av. San Pablo No. 180, Col. Reynosa Tamaulipas, C.P. 02200, México D.F. E-mail: jorb@correo.azc.uam.mx.

Resumen. En este trabajo se presenta el desarrollo y la implementación de un inversor de frecuencia variable para controlar motores de inducción trifásicos. El inversor está constituido por un control electrónico de modulación por ancho de pulso (PWM), el cual opera un sistema de potencia electrónico, constituido por un puente trifásico de transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT). Mediante este sistema se realiza la variación de la frecuencia y el voltaje para controlar la velocidad del motor de inducción. El inversor fue conectado a motores de inducción trifásicos de 220 V, 60 Hz, variando la frecuencia de alimentación del motor desde 10 hasta 100 Hz. 1. Introducción. El desarrollo de los dispositivos electrónicos de estado sólido, durante los últimos años, ha llevado a realizar sistemas de control para ser empleados en sistemas eléctricos industriales. Debido a esto ha sido posible el incremento en el uso de los motores de inducción en aplicaciones propias de los motores de corriente continua (CC). Una de las principales aplicaciones de los sistemas electrónicos, en los motores de inducción trifásicos, es la conversión de sistemas de CC a corriente alterna (CA) para la variación de la velocidad.

El control de la velocidad de los motores de inducción trifásicos se puede realizar utilizando inversores (dispositivos electrónicos que convierten la señal de CC a señal de CA). El objetivo principal en el empleo de inversores es el de obtener un voltaje simétrico de salida en CA con un valor de frecuencia deseado. Por lo tanto, la velocidad del motor de inducción puede ser controlada variando el valor de la frecuencia de la señal de voltaje que alimenta al motor, ya que, la velocidad síncrona (v) es directamente proporcional a la frecuencia (f) del voltaje. Sin embargo, cuando se controla la velocidad del motor variando la frecuencia, se debe de establecer una relación constante entre el voltaje y la frecuencia, con el fin de mantener el flujo magnético y el par constante. Mediante el control escalar del voltaje y de la frecuencia realizado por un inversor, se puede controlar eficientemente la velocidad de un motor de inducción trifásico [1,2]. 2. Desarrollo. En este trabajo se desarrollo un inversor trifásico de frecuencia y de voltaje variables. Fueron implementados los sistemas de alimentación, rectificación e inversión, Fig.1.

Fig. 1. Diagrama esquemático del inversor. Sistema de alimentación. Fuente de voltaje trifásico de 220 V, 60 Hz. Y filtro supresor [1,3].

Fig. 2. Sistema de alimentación.

Alimentación  Rectificación   Inversión 

    Control        PWM  M

Sistema de rectificación. Puente rectificador trifásico de onda completa interconectado con un filtro suavizador del rizo. El voltaje de entrada es de CA trifásico y el voltaje de salida es de CC pulsante.

Fig. 3. Sistema de rectificación.

Sistema de inversión. Puente de seis transistores IGBT´s controlados mediante PWM senoidal para convertir la señal de CC pulsante a CA trifásica con frecuencia y voltaje variables. Para el control del puente inversor (puente de IGBT´s) se utiliza un sistema electrónico generador de señales PWM destinadas a controlar las seis compuertas de los transistores de potencia. Entre el generador PWM y el puente inversor se coloca un amplificador (driver) que controla la conmutación de los IGBT´s [1,3-7]. Generación de señales PWM. Las señales son generadas mediante el circuito HEF4752 controlado mediante convertidores analógico-digitales [4,5]. Estas señales se aíslan del sistema de potencia, utilizando circuitos optoacopladores de alta velocidad de respuesta. Y son amplificadas mediante un driver (IR2130) que controla al modulo de potencia [6,7]. En el circuito IR2130 se colocan flotadas para mantener el nivel optimo de operación de los transistores de potencia y para evitar la sobre elevación del nivel de referencia del voltaje de operación de los IGBT´s. las fuentes flotadas se realizan por el método “bootstrap”. Con lo cual se obtienen cuatro fuentes flotadas a un bajo costo. Con las fuentes flotadas se mantiene una diferencia de potencial de +15V entre la compuerta y el emisor del IGBT. Las características de estas fuentes esta en función de los requerimientos de la carga de la compuerta y la frecuencia de operación del transistor de potencia. Además se debe tener un capacitor de desacoplamiento que genere la corriente para el capacitor Cboot y para disminuir el voltaje de transición en la fuente de VCC. El diagrama de la figura 4 muestra la configuración de las fuentes flotadas [6,7].

+15V

diodos paraevitar descargas

diodos paraun punto dereferencia

capacitor debootstrap

IR2130

señal de entrada señal de

salida

capacitorpara

mantenerel nivel

de carga

Vcc

Vss

Fig. 4. Diagrama de las fuentes flotadas.

Puente inversor. Cada transistor de potencia debe operar dentro del área de operación segura, la cual está determinada por la corriente del colector y el voltaje aplicado entre colector-emisor [7]. Las características de conmutación están determinadas por la resistencia serie de la compuerta (Rg) y debe ser seleccionada para que realice una optima carga y descarga de la capacitancia de compuerta y la velocidad de conmutación requerida. Para potencia menores a 10kW, se recomienda 10 ohm < Rg < 150 ohm. Adicionalmente se debe tener en cuenta las siguientes consideraciones para la conexión del puente inversor: 1. La conexión debe de ser realizada lo mas cerca al circuito de control para minimizar las inductancias parásitas. 2. Se debe de proveer un filtro que reduzca los incrementos de voltajes e inductancias originadas por la conmutación de los transistores. 3. El voltaje de compuerta debe de ser estable. 4. Rg debe de estar dentro de los valores que aseguren una frecuencia de conmutación dentro de los requerimientos de los transistores [5-7]. El desarrollo del inversor es realizado implementando los circuitos de control y de potencia en un dispositivo que compone al inversor. Para el diseño e implementación del inversor se utilizan dispositivos electrónicos y sistemas de simulación y desarrollo por computadora. 3. Resultados. Los resultados obtenidos de este trabajo presentan los resultados más relevantes en la operación del sistema inversor con un motor de inducción trifásico. El dispositivo desarrollado fue probado en dos motores trifásicos uno de un 1/4 y otro de 2 HP, variando la frecuencia desde 10 hasta 100 Hz.

Primeramente se analizan las señales de entrada y de salida en cada uno de los bloques que integran el inversor de frecuencia variable, para así determinar el correcto funcionamiento del dispositivo. Para la adquisición de las señales se utilizó un osciloscopio Tektronix modelo TDS3034. Señales del sistema de rectificación. En las figuras 5 y 6 se presentan la señal de entrada y de salida del puente rectificador.

Fig. 5. Voltaje entrada CA.

Fig. 6. Voltaje salida CC. Señales de control. En la figura 7 se muestra la señal del oscilador que controla la modulación en el circuito generador de la PWM senoidal. Esta es una señal digital.

Fig. 7. Señal de control para el generador PWM.

En las figuras 8 y 9 se observa que las señales para controlar la salida de una fase son complementarias entre si y presentan un tiempo de retardo entre el encendido y apagado de los IGBT´s correspondientes a una fase.

Fig. 8. Señal de salida del generador PWM.

Fig. 9. Señal de salida del generador PWM. Amplificación de señal con el driver. En las figuras 10 y 11 se muestran la señal de entrada y de salida del driver. En donde la señal de salida es amplificada.

Fig. 10. Señal de entrada en el driver.

-400

-200

0

200

400

0 0.01 0.02

Vol

taje

(V)

Tiempo (s)

VOLTAJE DE ALIMENTACION

0100200300400

0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005

Vol

taje

(V)

Tiempo (s)

VOLTAJE DE CD

-5

0

5

10

15

-5E-05 -1E-19 5E-05

Vol

taje

(V)

Tiempo (s)

FRECUENCIA DE FCT

-30369

12

-0.002 0 0.002Vol

taje

(V)

Tiempo (s)

SEÑAL HI DEL HEF4752V

-30369

12

-0.002 0 0.002Vol

taje

(V)

Tiempo (s)

SEÑAL LI DEL HEF4752V

-2

0

2

4

6

0 0.01 0.02

Vol

taje

(V)

Tiempo (s)

SEÑAL DE ENTRADA DEL IR2130

Fig. 11. Señal de salida en el driver. Voltaje de salida del inversor. El voltaje de salida por modulación senoidal varía el número de pulsos por ciclo, dependiendo de la frecuencia de operación. Esto se puede observar en las figuras 12, 13 y 14. En estas figuras se muestra que a menor frecuencia es mayor el número de pulsos que integran a la señal modulada. La modulación de los pulsos genera una señal integrada senoidal para alimentar al motor.

Fig. 12. Voltaje de alimentación del motor.

Fig. 13. Voltaje de alimentación del motor.  

 

Fig. 14. Voltaje de alimentación del motor.  Corriente de salida del inversor. En las figuras 15 y 16 se observa que la frecuencia de la corriente corresponde a la frecuencia de alimentación del motor.  

Fig. 15. Corriente de alimentación del motor.

Fig. 16. Corriente de alimentación del motor. La relación entre el voltaje y la frecuencia de alimentación para el motor de inducción se muestra en la figura 17. Se observa que la relación de modulación se mantiene casi constante para una modulación del 100 % alrededor de los 50 Hz. Para frecuencias mayores la relación entre V/F disminuye.

-30369

1215

0 0.01 0.02

Vol

taje

(V)

Tiempo (s)

SEÑAL DE SALIDA DEL IR2130

-400

-200

0

200

400

-0.1 -0.05 0 0.05 0.1

Vol

taje

(V)

Tiempo (s)

SEÑAL DE SALIDA 10 Hz

-400

-200

0

200

400

-0.01 0 0.01Vol

taje

(V)

Tiempo (s)

SEÑAL DE SALIDA 60 Hz

-400

-200

0

200

400

-0.01 0 0.01Vol

taje

(V)

Tiempo (s)

SEÑAL DE SALIDA 100 Hz

-0.15-0.1

-0.050

0.050.1

0.15

0 0.02 0.04

Cor

rient

e (A

)

Tiempo (s)

SALIDA TRIFASICA 20 Hz

-0.15-0.1

-0.050

0.050.1

0.15

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

Cor

rient

e (A

)

Tiempo (s)

SALIDA TRIFASICA 50 Hz

Fig. 17. Relación de voltaje/frecuencia en el motor.

La relación entre la velocidad del motor y la frecuencia de alimentación se puede observar en la figura 18. Esta relación es constante.

Fig. 18. Relación velocidad/frecuencia en el motor.

Los resultados muestran las señales de voltaje, corriente y velocidad están en función de la frecuencia. Con estos resultados se demuestra que el control de la velocidad de motores de inducción trifásicos se logra de forma eficiente mediante el uso de inversores por modulación de ancho de pulso senoidal. 4. Conclusiones. Se diseñó y construyó un inversor trifásico para el control de la velocidad en motores de inducción. Los resultados obtenidos y muestran que el inversor opera favorablemente. El diseño fue realizado utilizando una estructura modular para distinguir los diferentes subsistemas que conforman al inversor. En el diseño es importante considerar que en la etapa de potencia se debe de tener atención en la construcción de las fuentes flotadas que son necesarias para la conmutación de los módulos de potencia. Por lo tanto se concluye

que el trabajo fue realizado adecuadamente y presenta resultados satisfactorios. La realización de este trabajo es de importancia para el sector eléctrico en el control de velocidad de motores de inducción. 5. Bibliografía. [1] M. H. Rashid, Electrónica de potencia, circuitos, dispositivos y aplicaciones, Pearson Educación, Quinta edición, 2004. [2] A. E. Fitzgerald, C Kingsley, S. D. Umans, Máquinas eléctricas, Mcgraw Hill, Quinta edición, 1996. [3] J. Vithayathil, Power electronics, principles and applications, Mcgraw Hill, International edition, 1995. [4] J. A. Houldsworth, W. B. Rosink, Introduction to pwm speed control system for 3-phase ac motors, electronics components and applications, vol. 2, no. 2, 1980. [5] www.us.semiconductors.philips.com. [6] www.irf.com. [7] www.fujisemiconductors.com 6. Curriculum. J. Rodríguez Baez nació en el estado de México. Maestro en Ciencias del CINVESTAV. Doctor en Ciencias del CINVESTAV. Profesor del Departamento de Energía de la Universidad Autónoma Metropolitana. Trabaja en sistemas de control de maquinas eléctricas y sistemas fotovoltaicos. E. Guzmán Serrano es Ingeniero electricista de la Universidad Autónoma Metropolitana y Doctor en Ciencias de la Université d'Aix-Marseille 3. Profesor del Departamento de Energía de la Universidad Autónoma Metropolitana. Trabaja en sistemas de control de maquinas eléctricas y sistemas fotovoltaicos.

050

100150200250300

0 50 100

Vol

taje

(V)

Frecuencia (Hz)

VOLTAJE DE SALIDA

0500

10001500200025003000

0 50 100

Vel

ocid

ad (r

pm)

Frecuencia (Hz)

VELOCIDAD DE SALIDA