Control Por Pwm Trifasico 2 162

8/6/2019 Control Por Pwm Trifasico 2 162

1/12

Electrnica de Potencia

CONTROL POR PWM TRIFSICO (en preparacin)1 - INTRODUCCIONLos circuitos trifsicos que trabajan con Modulacin del Ancho de los Pulsos PWM (Pulse

Width Modulation), si bien se basan en el mismo principio de funcionamiento que los circuitos

monofsicos, sus objetivos son muy distintos.

Existen diferentes formas de implementar un control PWM trifsico, ya sean del tipo escalar o

vectorial, pero en general todas tienen como objetivo fundamental, controlar a la mquina

asincrnica trifsica, siendo sta su aplicacin ms difundida, a diferencia de los PWM

monofsicos donde su finalidad no es precisamente controlar un motor de induccin, puesto

que debido al capacitor de marcha permanente o al de arranque, no puede funcionar, salvo que

se implemente un filtro a su salida capaz de entregar una onda de tensin senoidal.

2 CIRCUITO DE POTENCIAEl circuito de potencia es similar al de los inversores trifsicos autnomos, el equipo constituye

un conversor CA/CC/CA como se ve en la fig. 1 y est formado por un rectificador; un filtro;

bus de CC; y un inversor autnomo controlado por PWM.

El rectificador puente trifsico es a diodos (no son necesarios tiristores) con filtro acondensador ( eventualmente con una pequea inductancia en el bus de continua y

antes del condensador conformando un filtro LC) que entrega a su salida una tensin

continua E, carente de riple.

Para pequeas potencias, hasta 1 Hp, el rectificador es un puente monofsico.

El bus de continua entre el rectificador e inversor es de mnima longitud y en general elcircuito de potencia completo rectificador bus inversor se montan sobre la

misma placa o tablero.

El inversor puente trifsico se implementa con transistores MOS o IGBT con susrespectivos diodos para retorno de corriente reactiva. Operan en conmutacin a la

frecuencia de la onda portadora, que normalmente supera los 10 Kz..

En el inversor no se utilizan tiristores ni GTO debido a la frecuencia de conmutacinmencionada. (adems los capacitares de apagado de los tiristores se comportaran como

un cortocircuito en cada conmutacin).

El equipo entrega en sus bornes de salida tres tensiones compuestas vab, vbc, vca, que

constituyen en todo momento un sistema trifsico simtrico y estn formadas por unasucesin de pulsos ordenados, cuya amplitud (+E y E) es constante.

Si la tensin de salida del puente no se ajusta a la tensin de la carga (por ejemplo unmotor de tensin nominal 3*660V), ser necesario disponer de un transformador

trifsico para adaptar las tensiones. Puede conectarse a la salida del puente, pero en

este caso deber trabajar a la frecuencia de conmutacin, con las tensiones moduladas

PWM a su entrada para poder entregar en sus bornes de salida similares formas de

ondas.

Otra posibilidad es disponer el transformador en la lnea que alimenta al rectificador,

pero en este caso el equipo completo de potencia trabajar a una tensin mayor,

(para una tensin de lnea de 3*380V, la tensin de trabajo del puente es E = 515V,mientras que si el transformador entrega 3*660V resulta E = 890V).

Electiva III 1


2/12


La carga normalmente es un motor asincrnico que de acuerdo a su tensin nominal, seconectar en tringulo o en estrella. ( el centro de estrella no debe conectarse a la tierra

del equipo y sta no debe conectarse al neutro ni tierra de lnea).

La corriente del estator resulta casi senoidal y con ella el flujo respectivo.Es decir que se obtiene un funcionamiento del motor muy aproximado al que tiene

en rgimen senoidal, con la ventaja de poder variar sus parmetros.

Los dos parmetros fundamentales que se requieren variar son: valor eficaz de la

tensin de salida ( en rigor es el valor eficaz de las fundamentales vab1; vbc1; vca1) yla frecuencia de estas tensiones.

El equipo permite controlar en forma ptima la velocidad de un motor asincrnico

desde casi cero hasta la velocidad nominal, variando la frecuencia y el valor eficaz de

dichas tensiones manteniendo constante la relacin V/f, con lo cual el flujo y por tantoel torque o cupla nominal de dicha mquina permanecern constantes.

El valor eficaz se vara modificando el ancho (duracin) de los pulsos, en las trestensiones al mismo tiempo y proporcionalmente se vara la frecuencia (tiempo del

perodo) de dichas tensiones para mantener V/f constante.

3 TIPOS DE CONTROLLos circuitos de control PWM trifsicos se pueden clasificar en dos grandes grupos:

Control por Modulacin Senoidal (SPWM) son controles escalares.

Control por Modulacin Vectorial (Modulacin por Vector Espacial ) (SVM -PWM) son controles vectoriales.

Electiva III 2


3/12


En ambos casos el circuito de excitacin se puede implementar de diferentes maneras y

presentan cierta similitud, a pesar que su principio de operacin es distinto.

Ambos pueden operar sin realimentacin o con sta en sus diferentes tipos, debindose tener en

cuenta que se logra mayor precisin en el control de los parmetros del motor (Par; Flujo:

Deslizamiento; y en particular la velocidad de giro del motor) con ciertas seales

realimentadas, especialmente si se puede acceder a medir la velocidad real del motor.La modulacin senoidal, en sus diferentes formas, responde al tipo de control escalar, en

cambio los controles por modulacin vectorial se basan en que un vector espacial representa a

un sistema trifsico equilibrado de variacin senoidal en el tiempo.

El Vector Espacial, no se implementa por comparacin de ondas, sino que se crea por

algoritmos. Tiene un valor constante y una velocidad de rotacin determinada.

Cada giro del Vector corresponde a un ciclo de la frecuencia de salida, mientras que la cantidad

de pulsos en un ciclo que tendr la tensin de salida queda fijada por la cantidad de pasos (o

valores) previamente asignados al Vector durante un giro.

4 MODULACION SENOIDAL (SPWM)El principio bsico de la modulacin senoidal, es semejante al visto en el PWM monofsico, es

decir es un tipo de control escalar, pero aqu la comparacin se realiza entre una onda

portadora triangular nica con un sistema de ondas de referencia senoidal trifsicosimtrico, como se muestra en la fig.2-aEn consecuencia es necesario generar tres ondas senoidales idnticas desfasadas 120 entre si y

una onda triangular nica de amplitud mayor que las senoides y que incursione en los dos

planos respecto al eje de tiempos para interceptar a las tres senoides. Por lo tanto tendr un

mximo positivo +Vp y un mnimo negativo -Vp.

4 1 - Seales de excitacinLas 6 seales de excitacin para los 6 elementos del inversor, se obtienen de la siguientemanera:

La seal de excitacin VG1 (fig 2-b) para el transistor M1surge de la comparacinentre la senoide Vra y la onda triangular, dando un pulso positivo toda vez que sus

valores instantneos sean mayores o ms positivos que la triangular.

Para el transistor M4 ubicado en la misma rama de M1, la seal VG4 (fig 2-c) debeser idntica y desfasada 180 de VG1. Luego resulta ser la misma seal VG1 invertida.

Los transistores de una misma rama nunca conducen en forma simultanea y ademspara asegurar que no exista superposicin de conduccin durante la conmutacin, existe

un tiempo muerto de no conduccin (mayor al toff de los transistores del inversor) encada conmutacin de todas las seales.

En la fig.3 se muestran las seales VG3 y VG6 para los transistores M3 y M6 deuna misma rama, obtenidas de la comparacin entre la senoide Vrb y la triangular

De igual manera la fig.4 da VG5 y VG2 en funcin de Vrc.

Se puede ver que la suma de todos los pulsos de cada seal de excitacin totaliza unsemiperodo, es decir que con el sistema de control adoptado, el inversor responde al

tipo E-180, por lo tanto cada transistor conducir durante un tiempo total de un

semiperodo y en consecuencia siempre habr tres elementos del inversor en

conduccin. ( de hecho, con carga RL los 180 se reparten entre transistor y diodo).

Electiva III 3


4/12


Las 6 seales de excitacin son idnticas y desfasadas 60 entre si, siguiendo lasecuencia de encendido convencional: M1 2 3 4 5 6.

A su vez cada una de estas seales presenta simetra respecto a 2/ en cadasemiciclo.

De esta manera, las tensiones de salida del inversor presentarn la simetra esperada

respecto a y 2/ .

Para llegar a este resultado, es necesario que la onda triangular intercepte de la mismamanera a cada senoide en el inicio de su semiperodo como se ve en fig.2-a.

Dado que cada 60 existe un cruce por cero de senoide, la cantidad de cruces necesariosde la onda triangular es como mnimo de 6 veces, es decir que son necesarios como

mnimo 3 ciclos completos de onda triangular por cada perodo de senoide.

En consecuencia, para una frecuencia de salida de 50Hz, la portadora triangular podrtener una frecuencia mnima de 150Hz, pero en este caso los resultados no sern buenos

ya que la tensin de salida tendr un solo pulso por semiperodo.

Fig.N 2: Seales de referencia y pulsos de excitacin para los transistores M1 y M4

Electiva III 4


5/12


Fig.N 3: Pulsos de excitacin para los transistores M3 y M6

Fig.N 4: Pulsos de excitacin para los transistores M5 y M2

Electiva III 5


6/12


Las frecuencias posibles de la portadora triangular debern ser mltiplo de 3, paracumplir con las exigencias de simetra citadas. En las grficas mencionadas se adopt

una frecuencia de portadora de 450Hz, o sea 9 ciclos triangulares por perodo de

senoide.

Cuanto mayor es la frecuencia de la portadora, mejor ser la tensin de salida delinversor, ya que es menor su contenido armnico, por este motivo los equipos

comerciales operan con frecuencia de portadora que llegan a 12.150 Hz para 50Hz

nominales.

Ahora podemos ver que la variacin de la frecuencia de salida se logra variando elperodo de las senoides, manteniendo constante la cantidad de pulsos de la onda

triangular.

Mientras que el valor eficaz de la tensin de salida se puede variar con la amplitud de laonda triangular, o bien con la amplitud de las tres senoides. En nuestro caso las

grficas se han hecho con una modulacin de M = Vr / Vp = 0,8

4 2 Tensin de salida

Hasta aqu, el anlisis realizado nos muestra como son las seales de excitacin y las

condiciones que deben cumplir las ondas primarias de referencia para obtener dichas

seales.

El paso siguiente es justificar las formas de ondas de las tensiones de salida.

Recordemos que el inversor se comporta como un E-180 , con la diferencia de que

conmuta con mltiples pulsos, los cuales estn distribuidos en el perodo completo.

As como en el inversor convencional E-180 sus tensiones de salida no son iguales a susrespectivas seales de excitacin (ya que aparece un tiempo muerto, etc) en este inversor

ocurre lo mismo.

La explicacin resulta sencilla si se observan los pulsos de excitacin que llegan al inversor

en el mismo instante, y adems se considera que las tensiones de salida son compuestas

dependiendo del potencial de los bornes del puente, es decir:

vab = va vb vbc = vb vc vca = vc va

Por ejemplo, la tensin vab depender del potencial que presenten los bornes a y b y enconsecuencia depender del estado activo o inactivo de los 4 transistores M1, M4, M3 y M6.

Con las figs. 2 y 3 vemos que el primer pulso VG1 pone al borne a al potencial +E, peroVG3 en su primer pulso tambin pone al borne b al mismo potencial +E.En consecuencia, durante el tiempo que las dos seales permanecen aplicadas en forma

simultanea, la tensin es nula vab = 0, introduciendo un tiempo muerto adicional.El otro tiempo muerto es fijado obligatoriamente por los transistores M4 y M6.

Este razonamiento se puede extender a cualquier otro instante, inclusive al semiciclo negativo

e igualmente para las otras dos tensiones de salida.

El anlisis realizado, se corresponde con la ubicacin de la puesta a tierra del circuito de fig.1 y

por este motivo las tensiones de salida presentan durante el semiciclo positivo, solo pulsos

positivos al igual que en el semiciclo negativo, solo pulsos negativos.

Electiva III 6


7/12


Es posible hacer funcionar al circuito con pulsos de salida positivos y negativos en cada

semiciclo, adaptando las seales de excitacin convenientemente y quitando la conexin de

tierra del circuito de potencia dejndolo flotante, pero esto no brinda ninguna ventaja.

Fig. N 5: Las tres tensiones compuestas de salida del inversor

En la fig. 5 se ven las tres tensiones compuestas que entrega el inversor, pudindose hacer las

siguientes observaciones:

Existen 18 pulsos por perodo de cada tensin, siendo que la triangular es de 9 pulsos.

Electiva III 7


8/12


La forma de onda de estas tensiones son exactamente iguales a la diferencia de lasseales de excitacin respectivas restndolas de a dos.

Todos los pulsos tienen la misma amplitud E (y -E) Cada tensin de salida est desfasada 30 con respecto a su senoide de referencia, o

bien, la fundamental de estas tensiones presenta 30 de adelanto con respecto a su

senoide de referencia. Las tres tensiones son simtricas respecto a y 2/ y estn 120 desfasadas entre

s.

El pulso central de cada semiciclo es el ms ancho, lo cual favorece la reduccin dearmnicas.

Para calcular el valor eficaz de las tensiones, se puede seguir un procedimiento similar al

realizado en el circuito monofsico, con lo cual tenemos:

==

p

m

m

EVab1

valor eficaz total de la tensin vab (1)

dondem

es el ancho del pulso m y p es la cantidad de pulsos en un semiperodo.

El valor eficaz de la fundamental Vab1 se obtiene con el desarrollo en serie de Fourier, cuyoscoeficientes Bn se calculan:

=

+++=

p

m

mm

mm

m nSennSenn

Senn

EBn

1

)2

(.)2

(.2

..2

(2)

con n = 1, 3, 5, ... y m es la distancia desde el origen, hasta el pulso m.

Se comprender lo complejo que resulta calcular estos valores eficaces cuando las ondas estn

compuestas por muchos pulsos, siendo adems que dichos clculos deben efectuarse para

varios valores del ndice de modulacin M a efectos de tener idea de cmo vara Vab1 enfuncin de M.

Sin embargo, para el control de la velocidad del motor asincrnico a Par constante, es

suficiente conocer los valores nominales de tensin y frecuencia de dicha mquina.

En efecto, como la frecuencia se vara en forma lineal desde su valor nominal hasta casi cero,

la relacin Vab1/f permanecer constante si la tensin Vab1 tambin se vara en forma lineal

desde el mayor valor que entrega el inversor hasta casi cero.Es decir, idealmente, para el valor mximo de modulacin M = Vr / Vp = 1 se ubica el valor

mayor mencionado que sera igual al nominal Vab1 = Vabnominal con una frecuencia de salidaigual a la nominal, luego la variacin de velocidad desde la nominal hasta casi cero es lineal a

Par constante.

Este es el motivo principal por el cual, la variacin de la tensin se expresa en funcin de M.

Recordemos que para velocidades mayores que la nominal, no puede mantenerse el Par

constante ya que no se debe incrementar la tensin superando la nominal. Por otro lado para

valores de M mayores que 1 (sobremodulacin), la modulacin deja de ser lineal.

Electiva III 8


9/12


4 3 Corriente de cargaPara una carga trifsica resistiva pura, las corrientes de cada fase de la carga sern idnticas a

las respectivas tensiones y los diodos de recuperacin permanecen inactivos.

En cambio para una carga RL la corriente dejar de ser pulsante y tender a la forma senoidal.

Fig.N 6: Corriente en la fase ab con carga RL para 9 pulsos de portadora.

En la fig.6 se han graficado para una carga RL, la corriente iab y su fundamental iab1 quepresenta un desfasaje 1 en atraso de vab1.La forma de onda de la corriente tiende a ser senoidal, pero an est lejos de serlo, debido a

que presenta un contenido armnico elevado, especialmente en las 7 y 11 armnicas, que de

hecho es el mismo que presenta la tensin (en correspondencia con los 9 ciclos de la portadora

triangular).

Si elevamos la frecuencia de la portadora triangular, por ejemplo de 9 a 27 pulsos por

periodo, es decir de 450 Hz a 1350 Hz, (con la misma carga y factor M) se reduce

notablemente la incidencia armnica como se ve en la fig.7, ahora las dos primeras armnicasque aparecen son la 25 y 29 (en correspondencia con los 27 ciclos) .

Electiva III 9


10/12


Fig.N 7: Ondas con 27 pulsos de portadora.

5 IMPLEMENTACIN CIRCUITAL

Las seales primarias senoidales y triangular se pueden generar con elementos discretos o

circuitos integrados y 6 comparadores como se haca cuando salieron los primeros controles

PWM, pero esto ha sido totalmente superado con los elementos que se cuentan actualmente,tales como los PIC y los integrados dedicados para esta aplicacin.

Electiva III 10


11/12


La fig.8, muestra una implementacin circuital habindose omitido el rectificador de potencia

que entrega la tensin E, las fuentes de tensiones para alimentar al circuito de control, las

realimentaciones y sus correspondientes controladores posibles como: Proporcional, PI o PID.

Las etapas que se pueden distinguir, sintticamente son:

Un PIC 18F242 (entre otros similares) para aplicaciones PWM trifsicas (tambinpuede implementarse con 2 PIC 16F873 de salida monofsica) cuya funcin es generar

las seales primarias y procesarlas con sus tres mdulos PWM internos. La frecuencia

de clock que admiten es de hasta 40MHz.

Estos microcontroladores entregan las seales de excitacin que posteriormente llegan a los 6

transistores del puente, con la frecuencia de salida prefijada y con una modulacin (ancho de

los pulsos) establecida por la relacin V/f.

Conforme se cambie exteriormente el valor de la velocidad del motor, o sea la frecuencia f, el

micro adapta el ancho de los pulsos, modificando la amplitud de las senoides acorde a la

frecuencia para seguir manteniendo la relacin V/f .

El procesamiento de las seales son realizadas por el micro mediante algoritmos matemticos

previamente implementados, es decir no produce muestras grficas sino que por cada ciclo detrabajo compara digitalmente valores preestablecidos, que en nuestro caso son los

correspondientes a las tres funciones senoidales y a la funcin triangular.

Para implementar dichos algoritmos es necesario programar el micro, lo cual normalmente se

hace en lenguaje Assembler y se programa utilizando un Debugger y los cdigos de

programacin se desarrollan con MPLAB IDE.

D1

D2

D3

D4

D5

D6

R1

R2

R3

R4

R5R6

DB1 DB2 DB3

CB1

CB2

CB3

Rs1

Rs2 Rs3

Q1

Q2

Q3

Q4

Q5

Q6

R7

R8

R9

R10

R11

R12

R13

R14

R15

R16

R17

R18

X1

Co1

Co2

Bootstrap

Drivers deexcitacin

Etapa deaislacin

Etapa decontrol

+E

10

9

Vcc = 12V

201

PIC18F242O 2 PIC16F873

20 MHZ

VssVss

OSC 2

CLK OUT

OSC 1

CLK IN

IR2130o

3 IR2110

c

b

a

MOTOR

FAULT

9

8

7

6

5

4

3

2

Lin3

Lin2

Lin1

Hin3

Hin2

Hin1

TRIP( I )

VsoVss

Vcc = 12V

Vcc

RESET

16

15

14

18

22

26

19

23

27

20

2428

LO3

LO2

LO1

HO3

HO2

HO1

VB3

VB2

VB1

M6L2

M5H3

M4L1

M3H2

M2L3

M1H1

Fig.N8: IMPLEMENTACION CIRCUITAL PWM TRIFASICO

Electiva III 11


12/12


Una etapa de aislacin para separar al PIC del circuito que maneja corrientes ytensiones ms elevadas y brindar las seales de entrada al drivers ms potentes. Aqu se

ha implementado con 6 transistores, pero mejor an sera empleando optoacopladores

rpidos.

Un drivers de la serie IR2130 (entre otros) para aplicaciones PWM trifsicas( tambin puede implementarse con 3 drivers monofsicos de la serie IR 2110) el cual

est preparado para soportar hasta 600V de la tensin E que alimenta al inversor

trifsico, mediante una etapa de aislacin galvnica interna.

Esto se refiere a los 3 transistores superiores del puente, ya que cuando conduce uno de

ellos, la salida correspondiente del drivers queda a potencial E.

Adems posee un control inhibidor de pulsos para no superponer la conduccin de los

dos transistores de una misma rama del puente.

Puede recibir distintas realimentaciones, entre ellas por cortocircuito o sobrecorriente,

inhibiendo los pulsos de salida.

Est preparado para conducir pulsos de excitacin ms potentes mediante la conexin

de un bootstrap.

Un circuito bootstrap a diodo-condensador para asegurar la conduccin de lostransistores de potencia.

La carga del condensador es tomada por el dreivers y conducida a travs del mismo

hasta el gate del transistor a encender, esto se repite en cada pulso de excitacin para

los 3 transistores superiores.

Los 3 transistores inferiores son excitados directamente por el drivers ya que tienen

punto comn de tierra.

Una realimentacin de corriente en el bus de continua, (Rs1 y el divisor Rs2 y Rs3) queprotege al equipo ante corrientes elevadas.

Pueden implementarse otras realimentaciones para lograr un funcionamiento mspreciso del motor, actuando sobre el PIC, por ejemplo se puede medir la velocidad

real del motor con un encoder y luego adaptando este valor se debe ingresar al PIC

para corregir la diferencia existente.

Tambin es posible realizar una realimentacin de corriente por fase del motor, (ya seapara proteccin o control) disponiendo una resistencia de pequeo valor en serie con

las tres salidas del inversor, etc.

Como el PIC citado tiene 22 pines que pueden configurarse como entrada-salida,permite incluir una serie de operaciones para lograr una mejor prestacin del equipo,

por ejemplo se puede programar para un arranque yparada suave del motor , con lo

cual se reduce el golpe de corriente de arranque y los esfuerzos mecnicos ( caso de

ascensores).

El control deparada puede lograrse con un freno mecnico, o bien electrodinmico.

En este ltimo caso se puede hacer por chopeado, con un transistor de potencia en serie

con una resistencia cortocircuitando el bus de continua. De esta manera, en cada final

de un proceso, el PIC deja de emitir las seales de excitacin y habilita el freno que es

alimentado con la energa cintica de la mquina, si bien este mtodo se empleasolamente cuando las paradas no son muy repetitivas.

Electiva III 12

Documents

Control Por Pwm Trifasico 2 162