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Desarrollo De Un Inversor de Voltaje Trifásico para Control de Motores

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Julia Saldaña

on 24 October 2013

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"DESARROLLO DE UN INVERSOR DE VOLTAJE TRIFASICO PARA CONTROL DE MOTORES”

EDUARDO CARDOZA VIESCA.
ING. EN ELECTRÓNICA.


INSTITUTO TECNOLÓGICO DE LA LAGUNA.
Órgano educativo dedicado a la formación de profesionistas capaces de incorporarse al ámbito laboral de la región y sus alrededores; así como también aporta grandes personalidades al área académica e investigación.
INVERSOR DE VOLTAJE TRIFÁSICO.
Un inversor trifásico puede implementarse con tres inversores en puente monofásico.

La configuración circuital es similar al inversor cuasi senoidal monofásico, pero aquí los transformadores cumplen una función diferente, puesto que deben proporcionar las tres tensiones trifásicas de salida, perfectamente simétricas y defasadas 120° entre sí.
DISEÑO Y SIMULACIÓN DEL INVERSOR TRIFÁSICO.
La simulación consta de dos etapas:
La primera está encargada de la generación de los 6 pulsos para la activación de los interruptores en la secuencia adecuada para que el inversor trabaje en conducción a 180°.
La segunda parte se refiere a la utilización de estos pulsos para activar los 6 interruptores, y es aquí en donde también se realizan las mediciones y voltaje en la carga simulada por un banco de inductancias.
DISEÑO DEL PUENTE INVERSOR.
La finalidad de esto es poder probar los circuitos propuestos antes de su ensamblado en la tablilla de pruebas, la tabla de estados es generada en Multisim mediante la herramienta llamada “word generator”.
DIVISIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN.
Doctorado en Ciencias en Ingeniería Eléctrica y maestrías en ciencias de la ingeniería eléctrica, ingeniería industrial e ingeniería en sistemas. Dentro de la maestría en ingeniería eléctrica se tienen las líneas de investigación orientadas a control e instrumentación y el área de potencia.
MARCO TEÓRICO.
TÉCNICAS DE CONTROL PARA MOTORES DE INDUCCIÓN TRIFÁSICOS.
CONSTRUCCIÓN DEL PUENTE TRIFÁSICO
RESULTADOS OBTENIDOS EN LAS ACTIVIDADES.
Se logró concretar el diseño y construcción de módulos didácticos para el estudio de técnicas de control de motores de inducción.
GIRO EMPRESARIAL.
El área de posgrado del Instituto Tecnológico de la Laguna tiene como finalidad el llevar a cabo trabajos de investigación para el desarrollo de métodos de análisis y nuevas tecnologías que contribuyan al desarrollo científico del país.
MISIÓN DEL TECNOLÓGICO.
"El Instituto Tecnológico de la Laguna, tiene como MISIÓN ser instrumento de desarrollo integral de la comunidad formando profesionales que se distingan por su capacidad técnica, creatividad, productividad y sentido humano".
VISIÓN DEL TECNOLÓGICO.
"El Instituto Tecnológico de la Laguna tiene como VISIÓN ser una institución líder a nivel Nacional en educación superior tecnológica comprometida con el desarrollo sustentable del ser humano."
PROBLEMAS A RESOLVER.
El proyecto encomendado ha sido el diseño y elaboración de material didáctico para la aplicación de técnicas de control para motores de inducción, ya que es un problema el no disponer de equipos versátiles para la ejemplificación de los conocimientos adquiridos en clase.
OBJETIVO GENERAL.
El objetivo de este proyecto es llevar a cabo el diseño e implementación de un inversor de voltaje trifásico para el control de motores de inducción mediante el uso de componentes de potencia de estado sólido y diversas técnicas de control.
OBJETIVO ESPECÍFICO.
Diseño y fabricación de módulos didácticos para el control de motores de inducción.
Diseño e implementación de un algoritmo de control que permita controlar un motor trifásico de inducción.
CONTROL DE VELOCIDAD.
Las máquinas de corriente continua requieren sistemas de rectificación, que si son controlables en tensión, permiten la regulación de velocidad. Las máquinas de inducción tienen una reducida controlabilidad de la velocidad cuando operan en régimen permanente alimentadas por una fuente de tensión alterna de frecuencia industrial, pero cuando son alimentadas con tensión y frecuencia variable es posible regular la velocidad mecánica de estos convertidores.
CONTROL TENSIÓN-FRECUENCIA.
Variando la frecuencia de las tensiones aplicadas a las bobinas del estator, cambia la velocidad sincrónica de la máquina. La variación de la frecuencia afecta proporcionalmente las reactancias de magnetización y dispersión en el circuito equivalente, pero las resistencias se mantienen aproximadamente constantes, considerando que el efecto pelicular es poco pronunciado.
CONTROL POR CAMPO ORIENTADO.
En este modelo, el par eléctrico depende del producto de la corriente de magnetización y de la corriente cuadratura del estator.

Los sistemas de control por campo orientado se fundamentan en la posibilidad de ajustar el valor de estas dos variables.
CLASIFICACIÓN DE LOS INVERSORES TRIFÁSICOS.
Los inversores trifásicos se implementan con un circuito puente trifásico y se compone de 6 elementos de potencia
que ofician como interruptores operando en corte y saturación con una secuencia apropiada, cuyas señales provienen
del circuito de control.
CONDUCCIÓN A 180°
EDITOR MATLAB
Ingreso de las variables que controlarán al inversor, para este caso, se ha designado una frecuencia de operación de 60hz y un ángulo inicial igual a 0°.
La corriente de línea no tiene una forma cuadrada como el voltaje, debido al efecto altamente inductivo de la carga.
OPTOACOPLADORES Y PUENTE TRIFÁSICO.
Se simula una carga puramente resistiva a la salida del puente trifásico con la finalidad de poder observar el funcionamiento del sistema.
PUENTE TRIFÁSICO IMPLEMENTADO.
Se hace notar que los transistores son del tipo BJT, pero esto se hizo como simple referencia para que el programa PCB Wizard tomara las posiciones adecuadas de las patillas de los mosfet’s, ya que el TIP41A y el 2SK2843 vienen en el mismo encapsulado (TO-220) y poseen una analogía en su configuración de patillas (base, colector y emisor para el TIP41A y compuerta, drenador y surtidor para el 2SK2843).
DISEÑO FINAL DEL CIRCUITO.
Realizado con el programa PCB Wizard para el módulo del puente trifásico que se encargará de accionar el motor trifásico, este módulo será alimentado por una fuente de directa de por lo menos 120vdc para poder generar un sistema polifásico capas de inyectar la suficiente potencia al motor para que este funcione.
MEDICIONES CON OSCILOSCOPIO.
En el Posgrado del Instituto Tecnológico de la Laguna se llevan a cabo diversos trabajos de investigación orientados al ahorro y calidad de la energía. En este proyecto se abordará alguna de las técnicas existentes para el control de un motor de inducción trifásico.
El proyecto se centra en el
diseño de un convertidor electrónico,
así como en la implementación
experimental del mismo.
I
N
T
R
O
D
U
C
C
I
Ó
N

Este controlador de velocidad requiere una fuente de tensión trifásica regulable en magnitud y frecuencia.

En el pasado, ésta fuente se podía obtener mediante una máquina sincrónica regulada en velocidad y en su campo. Esta solución trasladaba al eje mecánico de la máquina sincrónica todo el problema de regulación.
El inversor controlado por corriente es un convertidor electrónico que mide las corrientes por cada fase del puente y las compara con las referencias

Cuando la diferencia entre el valor medido de la corriente en una fase y su referencia exceden un cierto valor de histéresis, se conecta uno de los interruptores de la rama del puente que corrige el error.
CONDUCCIÓN A 120°
Voltajes de fase y de línea respectivamente, en donde se aprecia el defasamiento de 120° entre cada línea, así como también la deformación que sufre la onda debido a la carga inductiva.
Se logró poner en marcha un motor trifásico de 1HP de la marca WEG accionado por el inversor diseñado y se pudo verificar los cambios de velocidad para diferentes frecuencias.
Finalmente se presentan los módulos con su aspecto final después de ser ensamblados en circuito impreso.
Voltajes de fase (Van y Vbn) y voltajes de línea (Vac y Vbc) respectivamente, en donde se aprecia la deformación de la onda debido a la carga altamente inductiva que el motor representa para el inversor.
Medición de la corriente de una de las líneas mediante el uso de un pequeño transformador de corriente.
Gracias a esto fue posible observar el gran contenido armónico de la onda de corriente
CONCLUSIÓN
En este trabajo se llevó a cabo una doble labor, ya que no solo se fabricaron circuitos, también se realizó una ardua tarea en cuanto a la programación del microcontrolador se refiere.
Por parte del diseño del puente trifásico se eligieron transistores Mosfet porque estos pueden manejar potencias más elevadas y a diferencia de los BJT su exigencia de corriente de activación es mínima.
La programación del microcontrolador para la realización del control de velocidad en lazo abierto V/Hz tuvo serias complicaciones ya que se debían manipular los valores del PWM y de la frecuencia de forma simultánea.
Una recomendación importante es el fomentar que el alumno de licenciatura se incorpore a los proyectos de investigación realizados por la División de Estudios de Posgrado e Investigación del Instituto y con ello incentivar al alumno a seguirse preparando y buscar la especialización por medio de un posgrado.
MÁQUINA DE INDUCCIÓN TRIFÁSICA.
La máquina de inducción es el convertidor electromecánico más utilizado en la industria. Su invención se le debe a Tesla a finales del siglo XIX y nace como solución al problema de utilizar la corriente alterna. Tesla había sugerido la idea de las ventajas que poseía la corriente alterna, cuyos niveles de tensión pueden ser variados mediante transformadores, sobre la corriente continua cuyas dificultades de transmisión para la época ya comenzaban a ser evidentes.
Las razones fundamentales que justifican la aplicación masiva de la máquina de inducción hoy en día, residen en su sencillez constructiva y en la robustez que ofrece estos convertidores durante la operación en regímenes de alta solicitación.

Estos motores requieren un mantenimiento mínimo, pueden operar convenientemente en ambientes peligrosos y tienen una tasa de falla muy reducida.

Algunas limitaciones tales como el ajuste de la característica par-velocidad, la intensidad de las corrientes durante el arranque, la regulación de velocidad y el rendimiento han sido resueltas o mejoradas con diseños ingeniosos o incorporando controladores electrónicos de potencia.
MODELO MATEMÁTICO DE LA MÁQUINA DE INDUCCIÓN TRIFÁSICA.
El modelo se puede establecer para un número general de fases en el estator y otro en el rotor. Como la mayoría de los motores de inducción de uso industrial son trifásicos en el estator, se realizará el modelo para un caso particular donde el rotor y el estator son trifásicos.

Normalmente las bobinas rotóricas se encuentran en cortocircuito y en el estator se aplica un sistema trifásico y balanceado de tensiones sinusoidales. En los modelos convencionales de la máquina de inducción se desprecian los efectos que producen el ranurado, la distribución de los devanados, las excentricidades estáticas y dinámicas y en ciertos casos las pérdidas en el hierro y las pérdidas mecánicas.
Ecuaciones Diferenciales Que Rigen El Comportamiento De La Máquina De Inducción.
Potencia de pérdidas en el rotor: Todas las pérdidas eléctricas del rotor se encuentran principalmente en las resistencias de las bobinas del rotor.
Estas pérdidas se pueden calcular mediante la expresión:
Potencia mecánica en el eje del rotor:
De la potencia que entra a la máquina por los ejes eléctricos del estator, una parte se consume en los devanados de estator y otra porción en las pérdidas del hierro. El resto de la potencia de entrada atraviesa el entrehierro de la máquina y llega al circuito del rotor. En este circuito se pierde otra porción en las resistencias de los conductores.
La diferencia entre la potencia de entrada y todas las pérdidas, se encuentra disponible en el eje del rotor como potencia mecánica:
Par eléctrico:
El par eléctrico de la máquina se puede calcular a partir del cociente entre la potencia mecánica disponible en el eje, y la velocidad mecánica del rotor:
Corriente del rotor:
Para determinar la potencia en el eje Peje y el par eléctrico Te, es necesario obtener la corriente del rotor Ir. Para calcular esta corriente es útil realizar un equivalente de Thèvenin visto desde el rotor hacia la fuente del estator. La tensión de Thèvenin en el circuito se determina mediante un divisor de tensión entre la impedancia serie del estator Ze, y la
impedancia de magnetización Zm:
Potencia de pérdidas en el estator:
Los conductores del estator poseen resistencia, y por esta razón en estos devanados se producen pérdidas. También en el hierro de la máquina se producen pérdidas por histéresis del material magnético y por inducción de corrientes parásitas.
Todas estas pérdidas se pueden calcular mediante la siguiente relación:
Sustituyendo la expresión que define la corriente de rotor en las ecuaciones de par y de potencia en el eje, se determina la potencia en el eje y el par eléctrico en función de los parámetros de la máquina, la tensión de Thévenin y el deslizamiento del rotor:
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