“Diseño de un Variador de Velocidad, aplicado a motores

Facultad de Ingeniería Eléctrica

Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica.

TRABAJO DE DIPLOMA.

“Diseño de un Variador de Velocidad, aplicado a

motores asincrónicos trifásicos”

Autor: Lázaro Yosvany Acosta Noda.

Tutor: Ing. Pedro Yoel Fleites Suárez.

Consultante: Ing. Jean Pierre Rivera Hernández.

Santa Clara

Curso 2007-2008

“Año 50 de la Revolución.”

Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas

Facultad de Ingeniería Eléctrica

Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica

TRABAJO DE DIPLOMA

“Diseño de un Variador de Velocidad, aplicado a

motores asincrónicos trifásicos”

Autor: Lázaro Yosvany Acosta Noda

e-mail [email protected]

Tutor: Pedro Yoel Fleites Suárez Centro de operaciones, OBET Colón


Consultante: Jean Pierre Rivera Hernández Centro de operaciones, OBET Colón


Santa Clara

Año 2008

"Año 50 de la Revolución."

mailto:[email protected]



Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central

“Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios en la especialidad

de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea

utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial

como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización

de la Universidad.

Firma del Autor

Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de

la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un

trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.

Firma del Autor Firma del Jefe de Departamento

donde se defiende el trabajo

Firma del Responsable de

Información Científico-Técnica

DEDICATORIA

A mis padres y hermanos.

AGRADECIMIENTOS

A mi mamá, mi papá y mis hermanos por estar siempre a mi lado y ayudarme a hacer

posible el sueño de toda mi vida.

A Pedro Yoel Fleites Suárez quien me brindó todo su apoyo en el momento final y

decisivo, dando un paso al frente cuando otras personas no fueron capaces de asumir el

reto.

A Jean Pierre por su importante colaboración en el desarrollo del trabajo de diploma y la

implementación del dispositivo.

A mis dos nuevos hermanos, Osmany y Alberto, por su apoyo, en las buenas y las malas,

todos estos años que hemos tenido que enfrentar juntos.

Al resto de mis compañeros de estudios a quienes siempre recordaré

A Liuber Figueredo por su apoyo incondicional en todo este tiempo. Y a sus compañeros

en Agropecuaria.

Al colectivo de trabajadores de la Empresa Eléctrica en Colón por el apoyo brindado al

comienzo de mis estudios y durante todo este tiempo. Muy en especial a María del Carmen,

Norma y Wilfredo; así como a Oslaida, Yuniel, Héctor, Pedrito, Adalberto y Omar.

Al colectivo de trabajadores de la ECIE en Colón, en especial a Guillermo, Calvo, Magdiel

y Reinier.

A Bernardo Herrera por su ayuda en la ejecución del proyecto.

A todas aquellas personas que de una u otra forma han colaborado y me han brindado su

apoyo en estos años.

TAREA TÉCNICA

• Revisión bibliográfica sobre el tema a tratar para la construcción del marco teórico.

• Establecer la hipótesis para el diseño del proyecto. • Desarrollo del proyecto en función de los recursos disponibles • Validación del proyecto.

Firma del Autor Firma del Tutor

RESUMEN

A partir de la necesidad existente en nuestro país de contar con la posibilidad de realizar el

diseño de un variador de velocidad que, aunque posea menores prestaciones en

comparación con los variadores de velocidad comerciales, cumpla con los principales

requerimientos encontrados en las diferentes aplicaciones industriales y a la vez sea de

menor costo de producción que los que se importan; se traza el objetivo fundamental de

este proyecto: Diseñar un variador de velocidad, aplicando el método de la modulación del

vector espacial de tensión y dotar al mismo de las características más comunes para un

desempeño óptimo.

Para la ejecución del mismo se realiza búsqueda y revisión bibliográfica sobre el tema

donde se abordan los principales aspectos teóricos para el diseño del variador,

procediéndose posteriormente a la implementación del hardware que responde a las

exigencias previstas, tomando como eje central la aplicación de un micro-controlador PIC y

el software para el control del mismo. Se considera implementar en el dispositivo como

principales potencialidades la comunicación interactiva con el usuario a través de display y

teclado, arranque suave y protección ante fallas de sobre-corriente y variación del voltaje de

líneas fuera de los valores establecidos.

INDICE

DEDICATORIA ....................................................................................................................iv

AGRADECIMIENTOS..........................................................................................................v

TAREA TÉCNICA................................................................................................................vi

RESUMEN .......................................................................................................................... vii

INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................1

Organización del informe ...................................................................................................2

CAPITULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA .....................................................................4

1.1 La variación de frecuencia en motores asincrónicos trifásicos...............................5

1.1.1 Problemática existente. ...................................................................................5

1.2 Solución propuesta..................................................................................................6

1.3 La variación de frecuencia aplicada al control de la velocidad ..............................7

1.3.1 Leyes de control de velocidad. .......................................................................9

1.4 La modulación del vector espacial de tensión .....................................................10

1.4.1 El inversor trifásico.......................................................................................10

1.4.2 El vector espacial de tensión.........................................................................13

1.4.3 Expresiones para las temporizaciones. .........................................................14

1.4.4 Posición angular de los vectores dentro del sector .......................................16

1.4.5 Transiciones entre estados y generación de varios vectores por sector ........17

1.5 Pantallas de cristal líquido. Generalidades ...........................................................20

1.5.1 Características generales del LCD utilizado.................................................21

1.5.2 Operaciones sobre el LCD............................................................................24

1.6 El micro-controlador PIC......................................................................................28

1.6.1 EL micro-controlador 16F877. Generalidades .............................................29

CAPITULO 2 MATERIALES Y MÉTODOS ..................................................................33

2.1 La modulación del VET en este prototipo ............................................................34

2.1.1 Arranque suave .............................................................................................35

2.1.2 Tiempo muerto..............................................................................................36

2.2 Cálculo de las temporizaciones.............................................................................36

2.2.1 Cálculo de las temporizaciones para 12 vectores .........................................37

2.2.2 Cálculo de las temporizaciones para 24 vectores .........................................39

2.3 Diseño del hardware de dispositivo ......................................................................41

2.3.1 Desacoplamiento óptico................................................................................42

2.3.2 Excitadores o drivers ....................................................................................43

2.3.3 Protecciones Eléctricas ................................................................................44

2.3.4 Adaptación de las señales de salida de la protecciones ................................47

2.3.5 El rectificador para el bus de corriente directa .............................................48

2.3.6 Interfaces micro-controlador, teclado y LCD ...............................................52

2.3.7 Fuente de alimentación auxiliar. ...................................................................53

2.4 Diseño del software ..............................................................................................54

2.4.1 Estructura del software .................................................................................55

2.4.2 El programa principal ...................................................................................56

2.4.3 Subrutinas .....................................................................................................58

CAPITULO 3. RESULTADOS Y DISCUSION .................................................................68

3.1 Comprobaciones y resultados alcanzados.............................................................68

3.2 Análisis económico...............................................................................................75

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ...................................................................77

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................79

ANEXOS ..............................................................................................................................80

INTRODUCCION 1

INTRODUCCIÓN

En la actualidad los dispositivos que se comercializan, en nuestro caso los variadores de

velocidad, son dotados de una gran cantidad de prestaciones y potencialidades, creándose

así un producto altamente competitivo aunque en su aplicación final solamente se use una

parte pequeña de sus posibilidades. En la gran mayoría de los casos en que se aplica uno de

estos equipos se ha demostrado que generalmente se paga un precio superior con respecto a

la parte que realmente de el se utiliza. En este proyecto se pretende lograr un producto más

sencillo y de menor costo de producción, que cumpla con las principales necesidades en las

diferentes aplicaciones que encontramos actualmente en nuestro país.

En Cuba se han realizado algunos estudios sobre el control de velocidad de motores

asincrónicos mediante el método del VET con resultados significativos. En los mismos se

utiliza tecnología un tanto atrasada, específicamente en el control (familia de los micro-

controladores 8051), por lo cual se hace necesario lograr su implementación con nuevos

dispositivos de mejor obtención en el mercado y que presentan mayores prestaciones,

siendo el caso de los micro-controladores PIC. Además teniendo en cuenta que los

requerimientos de un producto en específico para cumplir las demandas del mercado son

cada vez mayores, se justifica aun más la realización de nuevos proyectos con los cuales se

contribuya a lograr un mejor desempeño de la actividad productiva en las diferentes esferas

de nuestra economía.

Con la ejecución del proyecto se dan soluciones a problemáticas modernas vinculadas con

la adquisición de un hardware de gran complejidad y valor cuya adquisición no es viable

actualmente en nuestro país. Con él se logrará dar respuesta a un gran número de

necesidades existentes a las cuales no se encuentran cubiertas actualmente.

INTRODUCCION 2

Entre otros este trabajo tiene como aportes fundamentales el diseño de un variador de

velocidad, utilizando un micro-controlador de la familia de los PIC, que cumpla con los

fundamentales requerimientos del mercado y con un costo inferior a los que se importan

hoy día, contribuyendo además al desarrollo de este tema en nuestro país. La obtención de

un proyecto que pueda ser utilizado como punto de partida para estudios posteriores o

mejoramiento de los resultados obtenidos. Los resultados de la investigación poseen una

aplicación práctica y teórica de gran trascendencia para todos los especialistas,

investigadores y diseñadores del control de velocidad de motores trifásicos asincrónicos

pudiendo servir como punto de partida para estudios posteriores relacionados con el tema o

proyectos más específicos y de mayor alcance.

Para la ejecución de este trabajo se trazan como objetivos fundamentales los siguientes:

- Realizar búsqueda y revisión bibliográfica sobre artículos y trabajos relacionados con el tema.

- Abordar los aspectos teóricos específicos para lograr el diseño del circuito. - Diseñar un dispositivo lo más simplificado posible pero que a su vez cumpla con

los requerimientos generales en las diferentes aplicaciones de accionamiento eléctrico actualmente.

- Implementar en el sistema una interfaz que posibilite la comunicación con el usuario, consistente en LCD y teclado, logrando una operación interactiva.

- Dotar al circuito de mecanismos de protección ante diferentes fallas que puedan generarse durante su funcionamiento, considerándose fundamentalmente sobre-corriente y variación del voltaje de línea.

Organización del informe

El informe está estructurado de la siguiente manera:

Introducción

En la misma se expone, entre otras, la importancia que representa para nuestro país el

desarrollo de este proyecto teniendo en cuenta la necesidad actual de estos equipos, los

aportes realizados y los objetivos trazados para el diseño del dispositivo.

Capítulo 1

Cuenta con un resumen los principales aspectos teóricos necesarios para el diseño del

variador de velocidad y se evidencia como ha venido evolucionando el control de la

INTRODUCCION 3

velocidad en motores trifásicos asincrónicos, su estado actual y la necesidad actual que

presenta nuestro país.

Capítulo 2

Se dedica en general a diseño del hardware y software necesario teniendo en cuenta los

principales requisitos que se deben cumplir para ello.

Capítulo 3

Se hace un análisis de los resultados obtenidos a partir de diferentes pruebas realizadas al

dispositivo y se incluye además el un análisis económico del diseño del variador de

velocidad.

Conclusiones y recomendaciones

Donde se reflejan los resultados alcanzados y las principales recomendaciones a partir del

cumplimiento de los diferentes objetivos trazados.

Capítulo 1 Revisión bibliográfica 4

CAPITULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA

En este capítulo se evidencia como ha venido evolucionando el control de la velocidad en

motores trifásicos asincrónicos, su estado actual y la necesidad existente en nuestro país de

dispositivos destinados a esta tarea. Además se resumen los principales aspectos teóricos

necesarios para el diseño de las diferentes partes que componen el variador de velocidad.

La composición del capítulo es la siguiente:

Epígrafe 1.1 La variación de frecuencia en motores asincrónicos trifásicos.

Se muestra en el mismo como se ha venido desarrollando el tema de la variación de la

velocidad en motores y como ha ganado popularidad la variación de frecuencia como un

método de control de velocidad.

Se evidencia la problemática existente en nuestro país en cuanto al tema de la aplicación de

variadores de frecuencia.

Epígrafe 1.2 Solución propuesta en este proyecto al problema existente.

Se explica la solución que se propone en este proyecto así como los objetivos trazados para

el diseño.

Epígrafe 1.3 La variación de frecuencia aplicada en el control de la velocidad

Explicación de los diferentes métodos de variación de frecuencia, las leyes de control en

dependencia del tipo de carga y selección de la ley a utilizar en el proyecto.

Epígrafe 1.4 La modulación del vector espacial de tensión


Donde se explica en que consiste la modulación del VET y como surge. Que es un vector

espacial de tensión.

La aplicación del inversor trifásico en este trabajo, expresiones para el cálculo de las

temporizaciones.

Epígrafe 1.5 Pantallas de cristal líquido

Se abordan los aspectos necesarios para la aplicación de este dispositivo en el proyecto.

Epígrafe 1.6 El micro-controlador PIC. Generalidades

Se muestran algunos temas relacionados con los PIC y las principales característica del

micro utilizado en el diseño.

1.1 La variación de frecuencia en motores asincrónicos trifásicos.

Es común encontrarse, tanto en la industria como en aplicaciones específicas, con la

necesidad de variar la velocidad de un motor en forma continua y manteniendo el torque en

el eje. En muchos de los casos además se hace necesario proporcionar a los motores de un

arranque suave y gradual hasta la velocidad final definida. Para lograrlo se han diseñado gran

diversidad de motores y equipos de regulación que satisfacen estas necesidades.

Entre los más comúnmente usados encontramos los motores de corriente continua

controlados mediante la variación de la tensión del inducido y los motores trifásicos

asincrónicos controlados mediante la variación de la frecuencia.

Por el amplio desarrollo que han venido presentando los dispositivos de estado sólido, los

cuales permiten conmutar grandes corrientes a tensiones industriales, se ha venido

popularizando el uso de variadores de frecuencia para motores asincrónicos por encima de

los motores de corriente continua, los cuales son más caros, de mayor volumen y necesitan

mayor mantenimiento. De esta forma la variación de velocidad mediante el control de la

frecuencia es un método muy utilizado y de buenos resultados en nuestros días.

1.1.1 Problemática existente.

En nuestro país son cada vez mayores los procesos en los cuales se necesita la aplicación de

un dispositivo para la variación de la velocidad en motores, teniéndose en cuenta los


beneficios y ventajas que trae consigo. Pero a pesar de los buenos resultados obtenidos con

ellos en ocasiones resulta muy cara la adquisición de un determinado equipo pues existe la

tendencia de dotarlos de una gran cantidad de prestaciones y potencialidades, lográndose así

un producto altamente competitivo aunque en su aplicación final solamente se use una parte

pequeña de sus posibilidades. Quedando demostrado que generalmente se paga un precio

superior con respecto a la parte que realmente de el se utiliza.

En este proyecto se pretende lograr un producto más sencillo y de menor costo de

producción, pero que a su vez cumpla con las principales necesidades en las diferentes

aplicaciones que encontramos actualmente.

1.2 Solución propuesta

En Cuba se han realizado algunos estudios sobre el control de velocidad de motores

asincrónicos mediante el método del VET con resultados significativos. En los mismos se

utiliza tecnología atrasada, específicamente en el control (familia de los micro-controladores

8051), por lo cual se hace necesario lograr su implementación con nuevos dispositivos de

mejor obtención en el mercado y que presentan mayores prestaciones (familia de los PIC).

Además teniendo en cuenta que los requerimientos de un producto en específico para

cumplir las demandas del mercado son cada vez mayores, se justifica aun más la realización

de nuevos proyectos con los cuales se contribuya a lograr un mejor desempeño de la

actividad productiva en las diferentes esferas de nuestra economía. Quedando entonces como

premisa fundamental para la realización del proyecto a la siguiente: ¿Cómo contribuir a

satisfacer las principales expectativas que tiene actualmente el mercado cubano mediante la

obtención de un dispositivo que cumpla con los principales requisitos que se tienen y que a

su vez tenga un costo de producción menor que los que se importarían?

Para lograr lo anteriormente dicho se traza como objetivo fundamental el diseño de un

variador de frecuencia, con la aplicación de un micro-controlador PIC como eje fundamental,

aplicado en motores trifásicos asincrónicos. Que el mismo disponga de las principales

prestaciones necesarias para un buen desempeño, entiéndase entre otras comunicación

interactiva con el usuario, arranque suave, posibilidad de protección ante variaciones en los

parámetros de línea.


1.3 La variación de frecuencia aplicada al control de la velocidad

El Motor de Inducción Trifásico es el más popular entre las Máquinas Eléctricas Rotatorias,

por lo que se puede encontrar en disímiles aplicaciones y por consiguiente accionando

diferentes tipos de cargas. Es por tanto, de gran importancia el poder disponer de métodos

que permitan de una forma u otra el poder variar su velocidad y con esto lograr una mayor

prestación en estos accionamientos.

Varios son los métodos de control de velocidad para los motores trifásicos asincrónicos, pero

el más utilizado actualmente es variando o controlando la frecuencia de alimentación del

motor, para así variar la velocidad del campo magnético giratorio y con él la velocidad del

rotor.

Pf

sπ

ω2

=

Un aspecto fundamental a tener en cuenta en la aplicación de este método es el tipo de carga

sobre la cual se efectuará el accionamiento. Aunque las características mecánicas de las

cargas tienen formas muy diversas, estas se pueden sistematizar y reunir en grupos básicos o

genéricos, los cuales se mostrarán a continuación:

Cargas de momento o par constante

En este caso el par es independiente de la velocidad de giro, este tipo de característica

mecánica (Fig. 1.1) se presenta en cargas en las que predomina la gravedad y la fricción, por

ejemplo, grúas, cintas trasportadoras.

Cargas de par cuadrático

En esta carga el par es proporcional al cuadrado de la velocidad (Fig. 1.2), son características

en accionamientos con elementos como ventiladores y bombas de agua.


Fig. 1.1 Carga de par constante. Fig. 1.2 Carga de par cuadrático.

Cargas de par lineal

En este caso el par aumenta proporcional a la velocidad (Fig. 1.3) y es característica en

máquinas de tratamiento de papel, de pulir y en el caso de un generador eléctrico (con carga

eléctrica constante), como carga mecánica de un motor.

Carga de potencia constante

En las cargas de potencia constante ó de tipo hiperbólica, el par es inversamente proporcional

a la velocidad (Fig. 1.4) por lo que la potencia consumida es constante en toda la gama de

velocidades. Esta carga es típica de accionamientos con maquinas herramientas como tornos,

fresadoras, enrolladoras de cable, hilo, papel etc.

Fig. 1.3 Carga de par lineal. Fig. 1.4 Carga de potencia constante.


1.3.1 Leyes de control de velocidad.

Ley de Kostenco

La “Ley de Kostenko” permite ilustrar, bajo las condiciones de: factor de sobrecarga

constante e igual al nominal y circuito magnético no saturado; la manera en que debe ser

controlada la frecuencia y la tensión.

c

nnn

MM

ff

UU

⋅=

Fig. 1.5 Característica mecánica del motor a tensión y frecuencia nominales

(característica mecánica natural; c.m.n.)

Sustituyendo los diferentes tipos de cargas mecánicas, se puede obtener la relación con que

se debe variar tanto la tensión como la frecuencia y obtener diferentes leyes básicas de

control a aplicar en cada caso.

Para el diseño de este dispositivo se considera la utilización de una de las 5 leyes que se

derivan del análisis anterior, la ley U/F = Constante, por ser en buena medida abarcadora y

de posible aplicación en los diferentes tipos de cargas.

ff

UU nn = U/f=constante


1.4 La modulación del vector espacial de tensión

La modulación, es la forma empleada para sintetizar la tensión de salida de los inversores

partiendo de una fuente de corriente directa de valor constante. Según la técnica de

modulación empleada en el inversor, es posible obtener mejores o peores resultados en

cuanto al aprovechamiento de la fuente de alimentación, calidad de la tensión y corriente de

salida, así como las pérdidas de potencia en la conmutación.

Un estudio del proceso de modulación trajo consigo que en 1986 Van der Broeck (profesor

de la universidad de ciencias aplicadas de Köln, autor de diferentes trabajos relacionados con

la modulación del VET, planteara una nueva técnica de modulación “Space Vector

Modulation” (SVM), o sea, la Modulación del Vector Espacial (MVE), idónea para su

aplicación en procesadores digitales. En su origen, se planteó sobre la base de una

concepción bidimensional de los vectores generados por el inversor, la cual es aplicable en

accionamientos con motores de inducción. Su principal característica es que se sustituye todo

el sistema trifásico por un solo vector en el que la frecuencia esta determinada por su

velocidad de giro con el paso del tiempo.

1.4.1 El inversor trifásico

Un inversor trifásico (fig. 1.6) está conformado por tres ramas, cada una de ellas dispone de

dos interruptores, unidireccionales en tensión y bidireccionales en corriente. En el mismo

debe tenerse en cuenta un factor fundamental: Nunca deben conducir los dos

semiconductores de una misma rama a la vez.

Fig. 1.6 Inversor trifásico


Teniendo en cuenta la consideración anterior se definen ocho posibles estados de

conmutación los cuales se pueden clasificar como:

V0 y V7 vectores nulos

V1, V2, V3, V4, V5 y V6 vectores activos

Una representación grafica de estos estados de conmutación se muestran a continuación.

Vector0 (V0) Vector7 (V7)





Al generar los vectores activos las combinaciones de encendido determinan dos posibles

combinaciones para una carga conectada en estrella Fig. 1.7

Fig. 1.7 Esquema en conmutación de la carga

La interconexión en paralelo de dos fases a un mismo potencial y a su vez en serie con la

restante, condiciona la aparición de una tensión equivalente a dU31 en las fases en paralelo

y dU32 en la fase independiente.

El signo de las tensiones de fase corresponde con el signo del terminal del bus de corriente

directa. Las tensiones de fases también pueden ser cero, debido al esquema de conmutación

que generan los vectores nulos. En las tensiones de líneas solo es posible obtener tres valores


( , y 0). A continuación se muestra la tabla 1.1 donde se resume lo anteriormente

explicado.

dU dU−

Tabla 1.1 Vectores y sus correspondientes voltajes de fase y línea

Tensión de Línea Tensión de Fase Vector Estados Semiconductores en conducción Uab Ubc Uca Uan Ubn Ucn

V0 101010 462 0 0 0 0 0 0 V1 100011 162 +Ud 0 -Ud (+2/3)Ud (-1/3)Ud (-1/3)Ud V2 000111 132 0 +Ud -Ud (+1/3)Ud (+1/3)Ud (-2/3)Ud V3 001110 432 -Ud +Ud 0 (-1/3)Ud (+2/3)Ud (-1/3)Ud V4 011100 435 -Ud 0 +Ud (-2/3)Ud (+1/3)Ud (+1/3)UdV5 111000 465 0 -Ud +Ud (-1/3)Ud (-1/3)Ud (+2/3)UdV6 110001 165 +Ud -Ud 0 (+1/3)Ud (-2/3)Ud (+1/3)UdV7 010101 135 0 0 0 0 0 0

1.4.2 El vector espacial de tensión

El vector espacial de tensión ( ) es: sU

( )cnbnans UaUaUV ⋅+⋅+= 2

32

(1.4.2.1)

Donde , y son las tensiones instantáneas de un sistema trifásico y anU bnU cnU

a y : 2a

ο1201∠=a

οοο 2401120112012 ∠=∠⋅∠=a

Sustituyendo los valores de , y en la expresión (1.4.2.1) para cada uno de

los vectores V1, V2,…, V6 (véase tabla1.1) se obtienen los VET representados en la fig. 1.8.

anU bnU cnU


Se aprecia que el módulo de los vectores activos será dU32

diferenciándose entre sí

solamente por el desfasaje que existe entre ellos ( ). En el caso de los vectores

(nulos) su módulo es equivalente a cero.

060

70 VyV

°∠032:1 dUV °∠60

32:2 dUV

°∠12032:3 dUV °∠180

32:4 dUV

2

3 1

6 4

5

°∠= 24032

5 dUV °∠30032:6 dUV

V3 V2

V1V4

V5 V6

V0 V7

Fig. 1.8 Disposición espacial de los vectores

Sobre la base de esta representación se definen los sectores como la zona ubicada entre dos

vectores activos adyacentes formándose así seis sectores de trabajo. En cada uno de estos

Sectores se sintetizarán Vectores Espaciales de Tensión (VET) en la salida del Inversor, a

partir de sus dos Vectores Activos Adyacentes y los Nulos.

1.4.3 Expresiones para las temporizaciones.

Un determinado vector de salida ira rotando a una velocidad angularω desplazándose de

esta forma por los seis sectores en que se divide el plano de la fig. 1.8. La cantidad de

vectores generados dentro de un sector y la velocidad con que estos se desplacen determinará

la calidad de la forma de onda resultante.

En la siguiente figura se muestra el proceso de síntesis de un vector de salida partiendo de los

vectores activos adyacentes y los nulos.


Fig. 1.9 Síntesis de un vector espacial

La tensión de salida promedio del inversor ( ) se puede expresar vectorialmente como: sV

( )zyyxxc

s VtVtVtt

V 01

++= (1.4.3.1)

Donde es el período de conmutación del inversor, el cual se define como: ct

1

1fN

tv

c = (1.4.3.2)

0tttt yxc ++= (1.4.3.3)

Siendo el número de vectores que se sintetizarán en un período de la frecuencia de salida

del armónico fundamental ( ). Analizando los módulos de los términos vectoriales y

conociendo que =0 se obtienen las temporizaciones necesarias para la síntesis de los

vectores.

vN

1f

nuloV

( )γ−°= 603 sentUU

t cd

sx (1.4.3.4)


( )γsentUU

t cd

sy 3= (1.4.3.5)

Siempre que el vector de tensión ( ) se encuentre dentro del hexágono se obtiene: sV

yxc tttt −−=0 (1.4.3.6)

Siendo el tiempo que permanecen los vectores nulos. 0t

1.4.4 Posición angular de los vectores dentro del sector

Existen varias formas de lograr la distribución de los vectores dentro del sector, pero cada

una debe cumplir:

6v

vsNN =

vsN : Cantidad de vectores por sector.

La cantidad de vectores que se deseen obtener en un período de la frecuencia de salida deben

estar espaciados simétricamente dentro del hexágono, el ángulo de separación entre los

vectores de salida se calcula:

vN

0360=β

El primer vector de salida (primer sector) fija la posición angular de los restantes vectores.

Las dos posiciones más comunes del primer vector son:


1. En fase con el vector activo , o sea, en cero grados. 1V

2. Con un ángulo igual a 12γβ

= .

Con este último se logran mejores resultado con el procesador, porque se generan iguales

temporizaciones, por cada pareja de vectores de salida dispuestos a iguales posiciones

angulares medidas desde el propio vector a sintetizar hasta su adyacente más cercano.

1.4.5 Transiciones entre estados y generación de varios vectores por sector

En el caso del inversor, es factible pasar de un vector a otro conmutando solamente una rama

del inversor. En la fig. 1.10 se muestra la secuencia de conmutación que se debe seguir para

tener el mínimo posible de conmutaciones en el inversor.

Fig. 1.10 Secuencia óptima de conmutación

Para lograr una tensión de salida más sinusoidal de forma digital, se hace necesario sintetizar

la mayor cantidad de vectores dentro de un sector, como se ha explicado con anterioridad.

Cuando se trabaja en diferentes frecuencias, es recomendable variar el número de vectores

(frecuencia es inversamente proporcional al número de vectores), para poder mantener una

misma calidad en la señal de salida del convertidor.

Si se desean obtener varios vectores por sector se procede de la forma siguiente:


Obtención de dos vectores por sector:

Fig. 1.11 Obtención de dos vectores por sector

Quedando entonces el orden de generación de los básicos, para lograr un mínimo de

conmutaciones en el inversor, como se muestra en la tabla 1.2

Tabla 1.2 Síntesis de dos vectores por sector

Sector Vector Sintetizado

Orden de los

básicos V0 V1 V2 Vs1

V7 V7 V2 V1

1

Vs2

V0 V0 V3 V2 Vs1

V7 V7 V3 V2

2

Vs2

V0


Obtención de cuatro vectores por sector:

Fig. 1.12 Síntesis de cuatro vectores por sector

Obsérvese que para obtener los dos primeros vectores de salida , es necesario seguir la

misma secuencia de conmutación en el inversor, sin embargo estos no se encuentran en la

misma posición espacial. La misma observación se puede realizar en la tabla 1.3 pues la

secuencia de síntesis de los dos primeros vectores de salida, es la misma que la de los dos

siguientes en el mismo sector. El tiempo de permanencia de los vectores básicos cuando se

sintetiza un vector de salida, es la causa de las diferentes posiciones espacial ( ), con

iguales secuencias de conmutación.

sV

sV

Siendo el orden de generación de los básicos el mostrado en la tabla 1.3


Tabla 1.3 síntesis de cuatro vectores por sector

Sector Vector Sintetizado

Orden de los básicos

V0 V1 V2 Vs1 V7 V7 V2 V1 Vs2 V0 V0 V1 V2 Vs3 V7 V7 V2 V1

1

Vs4 V0 V0 V3 V2 Vs5 V7 V7 V2 V3 Vs6 V0 V0 V3 V2 Vs7 V7 V7 V2 V3

2

Vs8 V0

1.5 Pantallas de cristal líquido. Generalidades

Las pantallas de cristal líquido o LCD ("Liquid Crystal Display") están formadas, en general,

por un sistema eléctrico de representación de datos formado por 2 capas conductoras

transparentes y en medio un material especial cristalino (cristal líquido) que tienen la

capacidad de orientar la luz a su paso.

http://es.wikipedia.org/wiki/Transparente

http://es.wikipedia.org/wiki/Material

http://es.wikipedia.org/wiki/Cristal

http://es.wikipedia.org/wiki/Cristal_l%C3%ADquido

http://es.wikipedia.org/wiki/Luz


Las pantallas LCD se aplican en gran cantidad de dispositivos industriales, desde

computadoras, equipos de telecomunicaciones hasta electrodomésticos.

Las principales partes componentes de los LCD son:

• La pantalla del LCD.

• Un microchip controlador.

• Una memoria que contiene una tabla de caracteres.

• Interfaz para la conexión externa.

Con la utilización del microchip controlador el trabajo con este dispositivo se hace más

sencillo debido a que proporciona una serie de funciones controlables mediante la aplicación

simultánea de varias señales eléctricas por la interfaz la cual suele ser de tipo paralela.

Las pantallas de cristal líquido pueden ser divididas dentro de dos grandes grupos, los LCD

de texto y los de gráficos. A continuación se explicarán detalladamente los LCD de tipo texto

por ser este tipo el que se utiliza en este trabajo.

Los LCD de texto solo pueden ser capaces de visualizar cortos mensajes de texto (o

caracteres). Esto los hace que sean más baratos y simples de utilizar. Existen muchos

modelos estandarizados, los cuales están definidos por los tamaños de estos dispositivos que

se miden según el número de filas y columnas.

1.5.1 Características generales del LCD utilizado

El LCD utilizado en este trabajo presenta una pantalla de 2 líneas de 20 caracteres cada una,

en el display real y una interfaz para conexión externa de 14 terminales. En la fig. 1.13 se

muestra la distribución de sus terminales y en la tabla 1.4 se puede ver la descripción de los

mismos.

Los terminales del 7 al 14 constituyen el bus de datos de 8 líneas por las cuales se le

introduce al LCD tanto los caracteres ASCII que se desea visualizar como los comandos de

control que influyen fundamentalmente en los efectos de visualización.


Fig. 1.13 Terminales del LCD

Tabla 1.4 Descripción de los terminales del LCD

Terminal Nomenclatura Descripción

1 Vss Tierra

2 Vcc Alimentación de 5 V

3 Vee Contraste del cristal

4 Rs Selección: 1=Datos, 0=Escritura

5 R/W Lectura/Escritura 1=Lectura, 0=Escritura

6 E Habilitación

7 - 14 D0 - D7 Bus de datos (D0 - D7)

Estos dispositivos presentan una memoria interna, la cual se encuentra dividida en dos

secciones independientes: la DDRAM y la CGRAM.

La DDRAM (Display Data RAM) es la encargada de almacenar los caracteres que están

siendo mostrados en la pantalla o que se encuentran no visibles. Esta particularidad que

presenta este tipo de memoria se debe a la existencia de dos tipos de display, uno virtual y

otro real.


El display virtual se compone de dos líneas de 40 caracteres cada una, siendo la posición

situada más a la izquierda la 1 y la situada en el extremo derecho de cada fila la posición 40.

Dentro de este espacio se encuentra una ventana que permite visualizar un total de 2 líneas y

20 caracteres cada una, a este espacio se le denomina display real y en él se encuentra lo que

el usuario está viendo (caracteres visibles). En la fig. 1.14 se pude ver un ejemplo de esto.

20 caracteres

Fig. 1.14 Configuración del LCD

Los caracteres ubicados en la línea 1 corresponden a las direcciones desde 01H – 027H y los

40 caracteres de la línea 2 comienzan en la dirección 040H y terminan en la posición 067H

de la DDRAM (ver fig. 1.15)

Fig. 1.15 Posición de los caracteres en el LCD


Por su parte la CGRAM (Character generator RAM) permite almacenar hasta 8 caracteres

definidos por el usuario conformado por 8 posiciones de memoria de 5 bits cada una. Para

generar un determinado carácter solo es necesario enviar de forma consecutiva los 8 códigos,

donde los bits que se encuentran en 1 serán las posiciones activas. En la fig. 1.16 se muestra

un ejemplo de generación de un carácter.

Caracter definido Valores a almacenar

por el usuario. en la CGRAMBinario0111001110011100010011111001000101010001

Fig. 1.16 Generación de un carácter gráfico

1.5.2 Operaciones sobre el LCD

Realizando operaciones de lectura o escritura, a través del bus de datos, se pueden enviar o

recibir datos y enviar comandos. Para realizar estas instrucciones, el LCD demora un tiempo

mínimo de ejecución el cual es definido por el fabricante. Cuando se ordena una instrucción

es necesario tener en cuenta su tiempo de ejecución, pues si se envía otra información antes

de haber procesado la anterior esta última se perdería. En este proyecto se le dio solución a

esto mediante la espera por el bit de ocupado BF (Busy Flag) que el LCD coloca en cero al

terminar la ejecución de la instrucción.

En general sobre el LCD se pueden realizar dos tipos de operaciones, de control o de datos.

Las de control permiten determinar el modo de funcionamiento del visualizador mientras que

las de datos envían los códigos de los caracteres a representar.

En este proyecto las instrucciones de control utilizadas se pueden agrupar en:

• Instrucciones de inicialización

• Instrucciones de cursor y pantalla


• Encuesta de estado

Instrucciones de inicialización

Por su sencillez en la aplicación la inicialización utilizada en este trabajo fue mediante el

software, teniendo en cuenta que de realizarse por hardware las condiciones a garantizar en

las líneas de alimentación serían muy estrictas.

• Establecer el modo de funcionamiento (Function set).

Código:

RS RW DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0

0 0 0 0 1 DL N F X X

Tiempo de ejecución: 40 µs.

(DL) establece el tamaño de interfase del bus de datos (4 ó 8 bits), (N) define el número de

líneas del display y (F) indica si el caracter será de 5X7 ó de 5X10 píxel.

DL=”1” trabaja en bus de 8 bits, si DL=”0” en bus de 4 bits.

N=”1” representación en 2 líneas, si N=”0” se usa 1 línea.

F=”1” caracteres de 5x10 píxel, si F=”0” carácter de 5X7 píxel.

• Modo de entrada (Entry mode set).

Esta instrucción hace referencia a las acciones que realizará tanto la pantalla como el cursor

después de una operación de lectura o escritura.

Código:


0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S



Cuando I/D=1 el contador de direcciones se incrementa, provocando el avance del cursor una

posición hacia la derecha cada vez que se escriba un caracter. Si I/D=0 el contador de

direcciones se decrementa y provoca que al escribir un caracter el cursor avance una posición

hacia la izquierda. Cuando S=1, indica que al escribir un caracter el display real se mueve

una posición a la derecha y si S=0 el display se queda quieto.

Instrucciones de cursor y pantalla.

• Borrar pantalla (Clear Display).

Esta instrucción borra el contenido del LCD y coloca el display real en el extremo izquierdo

del display virtual y el cursor en la primera posición.

Código:


0 0 0 0 0 0 0 0 0 1

Tiempo de ejecución: 1.64 ms.

• Pantalla On/Off (Display ON/OFF Control).

Código:


0 0 0 0 0 0 1 D C B


Si D=1 se activa el LCD y si D=0 el LCD funciona normalmente pero no se visualiza nada

en él.

Si C=1 se activa el cursor y con C=0 el cursor no se ve.


Si B=1 los caracteres situados en la posición del cursor parpadean y con B=0 el cursor no

parpadea.

• Localizar el cursor.

Esta instrucción es muy importante por el hecho de poder situar el cursor en cualquiera de las

posiciones de la DDRAM.

Código:


0 0 1 Dirección de la RAM


En estas posiciones de A6-A0 se define la posición donde se escribirá el carácter. Si se

escribe en cada una de ellas un 0, entonces el carácter se escribirá en la posición 1 de la línea

1, pero si se pone A6=1 y los demás en cero, entonces estaremos escribiendo en la posición 1

de la línea 2.

Operaciones de encuesta de estado

Como anteriormente se explicó el controlador del LCD ofrece la posibilidad de determinar su estado, dicha información se obtiene al realizar una operación de lectura en el bit BF (Busy flag).

Código:


0 1 BF Dirección de la RAM



Instrucciones de datos

Mediante este comando se escribe en la memoria los códigos ASCII de los caracteres que se

quieren llevar a la pantalla.

Código:


1 0 Código ASCII ó byte del carácter gráfico


1.6 El micro-controlador PIC

La familia de micro-controladores PIC incluye una amplia gama de micro-controladores por

lo que resulta posible encontrar un PIC adecuado para casi cualquier tipo de aplicación. Por

esta y otras razones que serán comentadas se considera al micro-controlador PIC como una

muy buena opción a utilizar para el diseño del dispositivo propuesto.

Características relevantes

• Arquitectura Harvard

Los micro-procesadores PIC están basados en una arquitectura tipo Harvard, los buses de

datos que conectan la CPU con la memoria de datos y la de programa están físicamente

separados.

• Ejecución segmentada de instrucciones

AL disponer de buses separados para la memoria de datos y la de programas es posible

acceder a ellas de forma simultánea. Durante la ejecución de una instrucción la CPU lee o

escribe información en la memoria de datos, pero nunca en la memoria de instrucción. Esta

situación la aprovechan los PIC para leer la siguiente instrucción del programa agilizando la

ejecución del mismo.


• Todas las instrucciones tienen la misma longitud

Instrucciones de 12 bits para los PIC de gama baja y de 14 bits para los de gama media.

• Procesador RISC (Reduced Isntruction Set Computers)

33 instrucciones en los PIC gama baja

35 instrucciones en los de gama media

58 instrucciones en los de gama media-alta

77 instrucciones en los de gama alta

Con el RISC se suele ejecutar la mayoría de las instrucciones con un solo pulso del reloj. A

diferencia de otros equipos que usan instrucciones del tipo CISC (Complex Instruction Set

Computer), se logran instrucciones más poderosas, pero a costa de varios ciclos de reloj.

• Arquitectura basada en bancos de registros

Los objetos del sistema (puertos de E/S, temporizadores, etc.) están implementados como registros.

• Gran variedad de modelos con recursos y prestaciones diferentes.

• Herramientas de desarrollo potentes y económicas.

1.6.1 EL micro-controlador 16F877. Generalidades

Para la implementación de este proyecto se plantea la utilización del PIC 16F877. Se debe

señalar que se usa este dispositivo con memoria flash para la etapa de diseño y puesta a

punto del equipo, pudiéndose aplicar el 16C877, de menor costo, cuando se trate de una

producción de varios ejemplares de variadores de velocidad.

El circuito integrado programable 16F877 posee entre otras características las siguientes:

• Encapsulado del tipo PDIP de 40 terminales o pines.

• Pertenece a la gama media de la familia de los PIC por lo que tiene un repertorio de

solamente 35 instrucciones.

• Posee tres Timer para las operaciones de conteo o temporización.


Siendo el Timer0 un contador/temporizador de 8 bit con pre-escalador de 8 bit, el Timer1 un

contador/temporizador de 16 bit mientras que el Timer2 es un contador/temporizador de 8 bit

con un registro periódico pre-escalador post-escalador de 8 bit.

• Posee 5 puertos de E/S configurables.

Dentro de estos 5 puertos se debe destacar la estructura del PORTB el cual cuenta con 8

líneas o E/S a las cuales es posible, cuando son configuradas como entradas, activarles las

resistencias internas de pull-up convirtiéndose de esta manera en una muy buena opción para

atención a teclado. Cuenta además con una opción de solicitud de interrupción externa a

través del pin RB0.

• La organización de memoria se encuentra distribuida en cuatro bancos (0, 1, 2 y 3)

Estos incluyen los registros especiales y los de propósito general. Al estos bancos se accede a

través de los bits RP0 y RP1 del registro STATUS.

• Voltaje de operación en el rango entre 2 y 5.5 V (recomendado entre 4 y 5.5 V para el

16F877).

• Máxima corriente de salida, en cualquiera de sus puertos, de 20 mA.

• Posibilidad de operar en cuatro diferentes modos de oscilador:

• LP (Low-Power Crystal)

• XT (Crystal/Resonator)

• HS (High-Speed Crystal/Resonator)

• RC (Resistor/Capacitor)

Las variantes recomendadas en aplicaciones donde sea de gran importancia la precisión en el

conteo de los tiempos son LP, XT y HS

Siendo la configuración la mostrada en la fig. 1.17


Fig. 1.17 Operación del cristal o resonador en el PIC 16F877

Donde la Rs puede ser necesaria en algunos tipos de cristales y la RF varía de acuerdo con el

cristal seleccionado.

En la tabla1.5 se pueden ver las capacidades de C1 y C2 recomendadas según el modo y tipo

de cristal utilizado.

Tabla 1.5 Capacidades de C1 y C2 recomendadas.

Tipo de Osc.

Frec. Cristal

Rango Cap. C1

Rango Cap. C2

32 kHz 33 pF 33 pF LP 200 kHz 15 pF 15 pF

200 kHz 47-68 pF 47-68 pF XT 1 MHz 15 pF 15 pF 4 MHz 15 pF 15 pF 4 MHz 15 pF 15 pF

HS 8 MHz 15-33 pF 15-33 pF 20 MHz 15-33 pF 15-33 pF

• Posee seis diferentes condiciones o formas para el reset, dentro de las que

destacamos el MCLR reset que se aplica en este trabajo.

En la fig. 1.18 se muestra el circuito recomendado para el MCLR reset.


Fig. 1.18 MCLR reset recomendado

Donde:

Se recomienda R1<40 kΩ para hacer efectivo que el voltaje que circule por R1 no viole la

especificación eléctrica del dispositivo.

En tanto R2>1 kΩ limitará cualquier corriente fluyendo hacia el MCLR desde el capacitor

externo en el caso de que en el MCLR/VPP ocurra una descarga electrostática o un sobre

voltaje.

CAPITULO 2 MATERIALES Y METODOS 33

CAPITULO 2 MATERIALES Y MÉTODOS

En este capítulo se define, en primer lugar, el proceso de la modulación del vector espacial

de tensión en este dispositivo, la estrategia seguida para dar solución a las diferentes

condiciones requeridas para su funcionamiento. El cálculo de los tiempos necesarios para

cada valor de frecuencia, teniendo en cuenta principalmente la zona de operación.

Se explica el diseño del hardware donde se muestran los diferentes bloques que lo

componen y su vínculo entre ellos. Y en último lugar se aborda el tema del software

necesario para el control de todo el dispositivo, donde se puede apreciar como se le da

respuesta a las exigencias que tiene un dispositivo como el que se propone.

La estructura de este capítulo es la siguiente:

Epígrafe 2.1 La modulación del VET en este prototipo

En el mismo se aborda todo lo relacionado con la implementación del método de variación

de frecuencia mediante la modulación del vector espacial de tensión en el dispositivo

propuesto. Soluciones propuestas para el arranque suave y el tiempo muerto, tomando en

consideración estos dos factores como fundamentales dentro del proceso de la modulación.

Epígrafe 2.2 Cálculo de las temporizaciones

Se explica todo lo relacionado con el tema del cálculo de los tiempos necesarios para cada

valor de frecuencia. Definición de las expresiones necesarias en cada caso, considerando la

división en dos bloques a partir de las zonas de trabajo que se plantean.


Epígrafe 2.3 Diseño del hardware del dispositivo.

Aquí se explican las soluciones planteadas para el diseño de los diferentes bloques que

componen el variador de velocidad. Entre otros el circuito de control de los inversores, la

etapa de entrada y visualización de datos, protecciones eléctricas, fuentes secundarias de

alimentación, el rectificador de potencia.

Epígrafe 2.4 Diseño del software

Por su parte en esta sección se muestra el diseño del software encargado del control del

dispositivo propuesto. La explicación de las principales subrutinas que componen el

programa y el papel que desempeñan cada una de ellas dentro del proceso de la

modulación.

De manera general se puede observar la solución que se plantea para cumplir todos los

requisitos que tiene el dispositivo tanto al inicio como en el transcurso proceso de

generación de los vectores.

2.1 La modulación del VET en este prototipo

Para el diseño del prototipo se definen como punto de partida las consideraciones

siguientes:

El motor se opera en el intervalo de frecuencias comprendido entre 5 y 60 Hz siendo el

paso mínimo posible de 1 Hz. Este intervalo se divide en dos regiones o zonas de trabajo,

zona 1 y zona 2, la primera entre 5 y 30 Hz y la segunda de 31 hasta 60 Hz.

En la primera zona se trabaja con 24 vectores, 4 vectores por sector y en la segunda con 12

vectores, 2 vectores por sector. Esta distribución se hace con el objetivo de mantener en los

límites superiores de cada zona la frecuencia de conmutación constante ( cT1 =cte.). Lo

expresado se puede observar en la fig. 2.1


fc

f (Hz) 30 60 15 5

fc2

fc3

Zona1 Zona2 Zona1:24 vectores

Zona2:12 vectores

fc1

Fig. 2.1 Zonas de operación

Para compensar el valor de la corriente de arranque del motor de inducción, la cual puede

llegar a ser varias veces la nominal, así como el tiempo de permanencia de la misma por

encima del valor final o de operación se implementa en el dispositivo un arranque suave, el

cual comenzara, al inicio de la modulación, con una frecuencia inicial de 5 Hz e ira

incrementándose hasta alcanzar el valor final de la frecuencia solicitada.

2.1.1 Arranque suave

Lo relacionado con el arranque suave se dispuso en el prototipo de la siguiente manera:

En la Zona 1 (de 24 VET) se transita de 1 Hz en 1Hz y el tiempo total estará definido por la

suma de los períodos de las frecuencias transitadas consecutivamente.

En la Zona 2 (de 12 VET) se transita de igual forma pero en cada frecuencia se permanece

un tiempo equivalente al doble de su período y el tiempo total estará definido por la suma

de los tiempos equivalentes de las frecuencias transitadas consecutivamente.

En el caso de los primeros y los últimos 3 Hz el tiempo de permanencia por cada 1 Hz será

cinco veces su período, para la zona 1 y de diez veces su período en la zona 2.


La fig. 2.2 muestra un ejemplo de lo expuesto.

F (Hz)

T (Seg)

Fig. 2.2 Característica del arranque suave

Este proceso es llevado a cabo no solo en el instante del arranque, sino cada ves que se

aumente o disminuya la frecuencia durante la operación del dispositivo, siendo entonces la

frecuencia de partida la de trabajo en ese momento. La característica de frecuencia contra

tiempo es la misma, tanto para el aumento como para el decremento de la frecuencia.

2.1.2 Tiempo muerto

La implementación del tiempo muerto, en el cual ambos semiconductores de la misma

rama se encuentran desactivados, es un factor muy importante en el trabajo con inversores

para evitar que ambos semiconductores entren en conducción simultáneamente. Este

tiempo puede lograrse de dos maneras, por hardware, cuando el dispositivo excitador que

se utiliza lo permite, o por software. En este diseño se implementa un tiempo muerto por

software de 3 μSeg.

2.2 Cálculo de las temporizaciones

Teniendo en cuenta que el intervalo de operación se divide en dos zonas y que en cada una

de ellas se trabaja con un número diferente de vectores se hace necesario el cálculo de los

tiempos de forma independiente para cada una de ellas.


2.2.1 Cálculo de las temporizaciones para 12 vectores

Se escoge como punto de partida para los cálculos de esta zona una frecuencia de 50 Hz.

Y teniendo en cuenta que la tensión y frecuencia nominales del motor son 220V y 60Hz

respectivamente, fijando la posición del primer vector a generar en γ = 150 (para lograr

distribución simétrica de los VET dentro del Sector) y que además el valor de la tensión en

el BUS de corriente directa es de aproximadamente 297,1V el procedimiento es el

siguiente:

VUsn 63.17922032

==

Donde Usn es valor pico de la tensión de fase a la frecuencia del armónico fundamental.

Manteniendo la premisa de que la ley de control aplicada en este trabajo es:

ctef

Uf

Un

n ==

Tenemos:

99.2

6063.179

==n

sn

fU

Entonces la tensión correspondiente a la frecuencia de 50Hz es:

VHzU s 5.1495099.2 =⋅=

Las expresiones utilizadas para realizar los cálculos de las temporizaciones son:

( )γ−°= 6031 sentUU

t cd

s


( )γsentUU

t cd

s32 =

fNt

vc

1=

Despejando para frecuencia de 50 Hz

mstc 67.15012

1=

⋅=

( )ο15601067.11.2975.1493 3

1 −°⋅⋅= − sent

st μ10291 =

( )ο151067.11.2975.1493 3

2 sent −⋅⋅=

st μ3772 =

Con los valores de , y se calcula el , despejando en la expresión (1.4.2.4) 1t 2t ct 0t

210 tttt c −−=

ssmst μμ 377102967.10 −−=

st μ2640 =


Los tiempos y no cambian en toda la gama de frecuencia de la zona ya que no varía

la posición angular ni la cantidad de vectores a generar y se mantiene una proporción

constante (inversa) entre y para poder así lograr una ley

1t 2t

sV ct ctef

V=

2.2.2 Cálculo de las temporizaciones para 24 vectores

Para el cálculo de tiempos se escoge una frecuencia de 20 Hz y se procede de manera

similar que en la zona 1, aunque teniendo en cuenta que de los cuatro vectores que se

generan por sector dos tienen iguales temporizaciones aunque invertidas con respecto al

estado o vector activo a generar. Ocurriendo lo mismo con los restantes dos vectores pero

con otros valores. Esto se debe a que los vectores que se encuentran en los extremos del

sector, tienen los mismos ángulos relativos a los vectores adyacentes y al igual que los

otros 2 que se encuentran en el interior.

En resumen se necesitan calcular un juego de tiempos ( , y ) para cada dúo de

vectores dispuestos simétricamente. Para una mejor comprensión se puede realizar este

análisis con el auxilio de la fig. 1.12

1t 2t 0t

Temporizaciones para los vectores en los extremos del sector

Estos vectores se encuentran ubicados en una posición de γ = 7.50 con respecto al vector

básico adyacente.

El necesario para 20Hz es: sV

VHzU s 8.592099.2 =⋅=

Y conociendo que =24 y =20Hz, Nv f

mstc 08.22024

1=

⋅=


( )ο5.7601008.21.297

8.593 31 −°⋅⋅= − sent

st μ5751 =

( )ο5.71008.21.297

8.593 32 sent −⋅⋅=

st μ952 =

Con los valores y despejando entonces en la expresión (1.4.2.4) 1t 2t

ssmst μμ 9557508.2120 −−=

st μ1410120 =

Temporizaciones para los vectores en el interior del sector

Para el caso de estos vectores la ubicación es en una posición de γ = 22.50 con respecto al

vector básico adyacente.

Donde:

( )ο5.22601008.21.297

8.593 33 −°⋅⋅= − sent

st μ4413 =

( )ο5.221008.21.297

8.593 34 sent −⋅⋅=


st μ2784 =

ssmst μμ 27844108.2340 −−=

st μ1361340 =

Por ultimo se debe tener en cuenta que para los cuatro vectores los valores del tiempo de permanencia de los vectores activos son iguales si no se cambia la zona de trabajo, cambiando solamente las temporizaciones de los vectores nulos cada vez que varíe la frecuencia.

2.3 Diseño del hardware de dispositivo

Para el diseño del variador de velocidad hay una serie de factores a tener en cuenta. Siendo los aspectos fundamentales los siguientes:

-Implementación en el dispositivo de protección ante variaciones del voltaje de línea y sobre-corriente en la carga.

-Adaptación de las señales de control y de protecciones para posibilitar su manejo por el micro-controlador.

-Desacoplamiento óptico los bloques que lo requieran.

-Posibilidad de conexión tanto a una red monofásica como trifásica.

En la fig. 2.3 se muestra un esquema general del variador donde se pueden apreciar las

diferentes partes que lo componen, así como su interrelación entre ellas.

Para un mejor análisis se muestra en el anexo1 el diagrama completo del dispositivo.


3

Fig. 2.3 Esquema general del dispositivo

2.3.1 Desacoplamiento óptico

El desacoplamiento óptico es de vital importancia en muchas situaciones en las cuales se

necesita transmitir información entre circuitos conmutadores. Este aislamiento puede ser

provisto por medio de transformadores de aislamiento o relés. Sin embargo cuando se desea

protección contra tensiones peligrosas y aislamiento ante señales “ruidosa”, así como

cuando el tamaño del dispositivo es un factor a considerar, se recomienda la utilización de

opto-acopladores. Los mismos tienen como principal ventaja que realizan un acople entre

dos sistemas mediante la transmisión de energía radiante (fotones), eliminándose la

necesidad de una tierra común, donde ambas partes acopladas pueden tener diferente

potencial de referencia.


En el este trabajo se utilizaron específicamente el MB104/4D y al TLP521-4, mostrados en

la fig. 2.4

a) MB104/4D b) TLP521-4

Fig. 2.4 Opto-acopladores utilizados, a) MB104/4D b) TLP521-4

Como el dispositivo MB104/4D presenta la base del opto-transistor de salida accesible, y la

misma no se utiliza en este proyecto, se le colocó una resistencia a tierra de 10kΏ para

protegerlo de posibles disparos no deseados inducidos por “ruidos”, además de influir

positivamente en la mejoría del frente de onda de salida al hacerlo más abrupto.

2.3.2 Excitadores o drivers

La implementación de un bloque excitador a drivers es necesaria para adaptar la señal del

circuito de control a las necesidades de las compuertas de los semiconductores de las

ramas. En el caso que la tierra del circuito de control de los semiconductores coincida con

el terminal de referencia de la señal de gobierno del transistor inferior de la rama, la

conexión de la señal de disparo con la puerta del transistor, solo requiere una sencilla

adaptación de nivel. Sin embargo, en un medio puente, el terminal de referencia para el

control del transistor superior presenta una tensión que fluctúa respecto a la tierra del


circuito de control entre 0 y Ud, por lo que es preciso lograr un aislamiento entre el

terminal de puerta de dicho transistor y su circuito de control.

Existen diferentes variantes para la solución de este inconveniente, entre las cuales se

encuentran la utilización de transformadores para el aislamiento galvánico y la técnica de

bootstrap. Esta última es una de las técnicas más comúnmente empleadas para obtener la

alimentación necesaria para el gobierno del transistor superior de un semipuente debido a

su sencillez, ya que, tan solo necesita un diodo y un condensador para su implementación.

Para el diseño práctico de circuitos de control para inversores se dispone actualmente de

múltiples circuitos integrados. En este proyecto se utiliza uno de estos dispositivos,

específicamente el IR 2110, el cual está diseñado para el gobierno de un semipuente

mediante la técnica bootstrap y permite conmutar a una frecuencia limite de 200KHz.

En la fig. 2.5 se ejemplifica la aplicación del IR 2110 en este proyecto.

297.1V

Fig. 2.5 Aplicación del IR 2110 en este proyecto

2.3.3 Protecciones Eléctricas

El dispositivo se diseño para trabajar dentro de un rango de voltaje y una corriente de carga

máxima. Para lograr que estos parámetros se mantengan en los valores permitidos se

implementan dos protecciones fundamentales, contra bajo y alto voltaje y contra sobre-

corriente entregada a la carga. Ante cualquier anomalía en alguno de estos tres parámetros

se procede a la desconexión del equipo de la fuente de corriente directa y se envía una


indicación de error al display del variador donde el usuario puede verificar el tipo de

anomalía existente.

Es necesario destacar que el dispositivo, luego de desconectar al motor de la fuente de

corriente directa, se mantiene en ese estado hasta que se reciba una orden de encendido o

reset.

Protección contra alta tensión

Para la protección contra alta tensión se plantea un diseño como el mostrado en la fig. 2.6

En el mismo se toma una muestra de la señal de entrada, por medio del divisor de voltaje

formado por R1 y R2, para ser comparada por el operacional con un voltaje de referencia

obtenido a través del ajuste del potenciómetro R3.

Fig. 2.6 Esquema para la protección contra alta tensión

Cuando la señal de muestra se hace superior a la de referencia, la salida del operacional

cambia de estado, de “1” a “0”, si no se cumple la condición anterior, la salida del

operacional se mantiene en “1”.

Protección contra baja tensión

Para el caso de la protección contra baja tensión se plantea un diseño como el de la fig. 2.7

La muestra de la señal de entrada es la misma que la obtenida por el divisor de voltaje

formado por R1 y R2, utilizada para la protección contra alto voltaje, solamente cambian de


posición las entradas de referencia y de muestra, es decir, la señal que antes se encontraba

en la entrada no inversora, ahora pasa a la inversora. El operacional realiza la comparación

con el voltaje de referencia obtenido a través del ajuste del potenciómetro R5.

Se destaca además que el operacional usado en la protección contra alto voltaje y el usado

en esta forman parte del mismo encapsulado, es decir, en este proyecto se usa el KA 358,

dos operacionales en un dispositivo.

Fig. 2.7 Esquema para la protección contra baja tensión

Protección contra corriente de sobrecarga

La fig. 2.8 muestra el esquema eléctrico de la protección contra corriente de sobrecarga.

El principio de operación de la protección contra sobrecarga es en esencia el mismo que el

de la protección contra alta tensión, cambiando solamente la forma de obtención de la

muestra de la magnitud a controlar.

En este caso la muestra se obtuvo mediante un transductor de corriente LA55-P, el cual

entrega en su salida una corriente proporcional a la medida (proporción de 1000/1).


Fig. 2.8 Esquema para la protección contra sobre-corriente

Esta señal de corriente fue convertida en tensión colocándole una resistencia entre la salida

del dispositivo y la tierra. Esta muestra de la corriente total del circuito, convertida en

tensión, es la utilizada para compararla con una señal de referencia, ajustada mediante el

potenciómetro R7. El disparo se efectúa cuando la muestra de la corriente es mayor que la

tensión de referencia.

2.3.4 Adaptación de las señales de salida de la protecciones

Para lograr que el micro-controlador pueda llevar a cabo el procesamiento de las señales

obtenidas en los bloques de protecciones es necesario una correcta adaptación. Para ello se

mezclan las salidas de las protecciones mediante una compuerta lógica V4012D para

entregarle al Micro-controlador una señal que contenga implícita la información de las tres

protecciones, de modo que cuando cualquiera de ellas actúe, se detecte existencia de

interrupción a través de un solo terminal.

En la fig. 2.9 se muestra el esquema del circuito propuesto.

El dispositivo ULN2003 (arreglo de Darlington) es el encargado de amplificar la corriente

de las señales que se encuestarán por el micro-controlador ya que estas necesitan ser

aisladas con opto-acopladores (TLP521-4) por tener referencia con la fuerza.


RB0 INT

RA0

RA1

Fig. 2.9 Adaptación de las señales de las protecciones

2.3.5 El rectificador para el bus de corriente directa

El Rectificador de entrada que provee la tensión del Bus de directa cuando el Inversor es

modulado por ancho de pulso, es del tipo de seis pulsos no controlado. Se le brinda la

posibilidad al usuario de conectar al Variador, tanto a una red monofásica como a una

trifásica, teniéndose en cuenta que el condensador de entrada debe tener una capacidad tal

que garantice en el Bus de directa una adecuada tensión media. En la fig. 2.10 se

ejemplifica esta aplicación.


Fig.2.10 El rectificador de línea

Si la alimentación al puente trifásico de entrada fuese monofásica, entonces el condensador

puede calcularse para lograr una tensión media en la salida del rectificador similar a la que

se obtiene para la misma tensión entre líneas, pero proveniente de un rectificador trifásico

de 6 pulsos.

Lo anterior puede analizarse en la fig. 2.11

Fig. 2.11 Salida del rectificador para alimentación trifásica y monofásica

Para el cálculo del condensador se ha supuesto lineal el proceso de descarga e instantáneo

el de carga.


LL UUUπ

2322

⋅−⋅=

Δ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ⋅−⋅⋅=Δ LL UUU

π2322

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −=

π3122 LU

LUU ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

=Δπ

π 322

Suponiendo un proceso de descarga lineal en el condensador C:

( )Uf

IU

TIU

tICΔ

=Δ

=ΔΔ

=2

2 (2.3.5.1)

LUf

IC

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

=

ππ 3222

Para el caso de =60Hz y tensión =220V la expresión (anterior) quedará así: f LU

( ) FIC μ14.297=

Donde I es la mayor corriente de entrada al inversor.

Con este valor de C obtenido en los terminales del condensador la tensión de directa será 297,1V.

Con este mismo valor de C, cuando la alimentación sea desde una red de 220V trifásica,

entonces la tensión media de directa (Ud) será algo mayor y aproximadamente igual a:

22 UUU Ld

Δ−=


En este caso el ( UΔ ) se obtiene de la ecuación (2.3.5.1) sustituyendo en ( ) T/6 o sea

1/360 para f = 60 Hz.

tΔ

Cálculo de la resistencia de descarga del condensador

Es de gran importancia garantizar el proceso de descarga del condensador, cuando se

desconecta el circuito, pues este queda cargado con una elevada tensión la cual puede

resultar peligrosa. Este proceso se logra colocando una resistencia de descarga Rc en los

terminales del condensador.

El procedimiento para el cálculo es el siguiente:

El comportamiento de una red RC se rige por la ecuación:

( ) ( ) τt

fiftc eUUUU −−+=

Donde:

: Tensión final a la que tiende el condensador fU

: Tensión inicial en el condensador, (como limite el valor pico de la tensión efectiva

entre las líneas de entrada al Variador

iU

t : Tiempo en segundos

CR=τ : Constante de tiempo en segundos

: Tensión que tiene el condensador en el instante ( )tcU t

Y sabiendo que el valor final al que tiende la tensión en el condensador es cero, entonces:

( ) ( ) CRt

itc eUU−

=


( )

CRt

UU

ci

tc −=ln

( )⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

=

i

tcc

UU

C

tRln

Se aconseja sustituir en t un valor comprendido entre 3 y 5 minutos, tiempo en el cual, el

usuario no tendrá acceso al condensador.

2.3.6 Interfaces micro-controlador, teclado y LCD

Para el diseño de esta etapa del proyecto se tomaron entre otras consideraciones las

siguientes:

Se utilizó un teclado matricial de tres filas por cuatro columnas atendido a través del puerto

B, específicamente las líneas RB1-RB7, con la implementación de la bandera RBIF para la

detección del cambio de estado en el puerto B.

Esta teclado cuenta con diez teclas usadas para la selección de los números del cero al

nueve, una tecla (=) utilizada como enter y una ultima tecla (X) para borrar un número

tecleado no deseado.

El display es atendido mediante los puertos C y E. Siendo el puerto C para el manejo del

bus de datos como bus de 8 bit. Y por su parte las tres líneas del puerto E se utilizan para el

control de los terminales RS, RW y E del display.

En la fig. 2.12 se muestra el esquema donde se relacionan estos tres elementos.


Fig. 2.12 Interfase micro-controlador, teclado y LCD

2.3.7 Fuente de alimentación auxiliar.

Este bloque se diseño considerando como premisa fundamental la necesidad de contar con

dos voltajes, 5 V y 15 V, con referencias a masa independientes una de la otra.

En la fig. 2.13 se observa el circuito propuesto para la fuente de alimentación.


Fig. 2.13 Esquema de la fuente de alimentación auxiliar

La salida a 5 V es necesaria para la alimentación del micro, LCD, opto-acopladores y el

amplificador (buffer). Mientras que los 15 V se utilizan en el los propios opto-acopladores,

transductor de corriente, los excitadores (drivers) y para el relé del bus de directa.

Para anular los posibles efectos inductivos provocados en los conductores largos se

conectan los capacitores C2 y C4, ambos de 0.1 uF.

2.4 Diseño del software

En el diseño del software para el control se tomaron en cuenta un grupo de consideraciones,

partiendo fundamentalmente de los requerimientos de trabajo del micro-controlador en el

dispositivo. A continuación se relacionan las fundamentales:

- Cuando se da comienzo al proceso de modulación este no debe ser interrumpido o

provocársele alguna demora que puede afectar alguno de los tiempos previstos en

la misma.

- Como en el proyecto el excitador (drivers) utilizado es el IR2110, el cual no tiene

incorporados circuitos lógicos para el tiempo muerto, se implementa una solución

por software para el tiempo muerto.


- Como el micro-controlador previsto no es capaz de realizar los cálculos, con el nivel

requerido para determinar los tiempos de los vectores nulos, en los pequeños

intervalos de tiempo disponibles, estos valores fueron almacenados en tablas a las

cuales se accede en la ejecución del programa.

- Solamente se declara como posible una interrupción, externa a través del pin RB0,

solicitada por el bloque de protecciones. Esta si puede interrumpir el proceso de

modulación y desconectar al bus de corriente directa.

2.4.1 Estructura del software

El programa tiene como misión fundamental en la primera etapa preparar las condiciones

del arranque y el modo de trabajo de los periféricos, se habilitan las protecciones,

comprueba el voltaje en el bus de directa y en caso de no existir problemas en el mismo,

continúa mostrando una secuencia de mensajes de información al usuario, finalizando con

la espera de la solicitud de la frecuencia deseada.

Al recibir el valor de la frecuencia de trabajo se inicia una segunda etapa en la ejecución del

programa. Comenzando por definir si el valor se encuentra dentro del rango de trabajo,

entre 5 y 60 Hz, y a continuación se actualizan los valores de los tiempos de los vectores

nulos a partir de la tabla, teniendo en cuenta que al inicio se parte de 5 Hz, y finalmente se

comienza el ciclo de la modulación. Dentro de esta se inicia el arranque suave hasta llegar

al valor de frecuencia final solicitado.

En una tercera y última etapa se continúa con el proceso de modulación y se mantiene la

atención al teclado en espera de algún cambio en la frecuencia.

Se debe señalar que desde el momento que se habilitan las protecciones en adelante, se

están monitoreando constantemente los tres parámetros fundamentales del bus de corriente

directa; por lo que de ocurrir una solicitud de interrupción el dispositivo desconecta el

motor de la fuente de alimentación e interrumpe el proceso de modulación.


2.4.2 El programa principal

El programa esta compuesto por una sección o bloque, denominada PRINCIPIO, que

constituye el programa principal a partir del cual existen veinticinco subrutinas.

Precisamente a través de la ejecución de PRINCIPIO se da comienzo a la primera etapa del

programa.

Es necesario aclarar que aquí se explica de forma general la estructura de PRINCIPIO y de

los bloques que lo componen, para un análisis más detallado se encuentran en los anexos de

este trabajo dicha rutina y el código del programa.

El proceso de ejecución es el siguiente:

- Se definen las condiciones de funcionamiento del display, se inicializa el mismo y se

configuran los puertos C y E para su atención.

- Es preparado el puerto B para atención de teclado, cargándose el PORTB 0XF0 y el

TRISB con 0XF1, conectándose además las resistencias de PULL-UP

- Se habilita la interrupción externa (RBINT) para las protecciones

- Se verifica el voltaje existente en el bus de directa y en caso de existir un valor

inadecuado para el funcionamiento del dispositivo se interrumpe el proceso mostrándose

el error encontrado en el display.

- Se carga el valor inicial de frecuencia (5 Hz) y zona de trabajo (zona 1) para el

comienzo de modulación.

- Llamada a subrutina PRE_TEC_DISPLAY donde se muestran una serie de carteles de

información al usuario, nombre del equipo, rango de frecuencia; concluyéndose con la

solicitud de la frecuencia de trabajo.

- Llamada a subrutina BUSCAR, al recibir solicitud de atención a teclado a través de la

bandera RBIF, donde se obtiene el valor de la frecuencia de trabajo. A continuación se

llama a subrutina ENTER para, entre otras cosa, verificar que la frecuencia este dentro

del rango de trabajo y validar su valor.

- Llamada a subrutina TABLAS para, partiendo del valor inicial de frecuencia de

partida, cargue los valores correspondientes para el comienzo de la modulación.


- Llamada a subrutina MODULACION donde inicia el proceso de generación del los

vectores.

En la fig. 2.14 se muestra el diagrama en bloques de PRINCIPIO

Fig. 2.14 Diagrama en bloques de PRINCIPIO


2.4.3 Subrutinas

Como se dijo anteriormente el programa cuenta con veinticinco subrutinas de las cuales se

explicarán las de mayor relevancia, pudiendo consultarse el resto en los anexos de este

trabajo.

Subrutina PRE_TEC_DISPLAY

Se comienza por la subrutina PRE_TEC_DISPLAY encargada de mostrar los carteles de

información al usuario.

En la fig. 2.15 se puede observar esta subrutina.

Fig. 2.15 Subrutina PRE_TEC DISPLAY


Subrutina BUSCAR

Esta subrutina es la encargada de identificar la tecla oprimida a partir de la cual se invoca la

función específica para cada una de ellas. En el caso de las teclas que representan los

números se almacena el valor en binario correspondiente en una variable. El programa

permite como máximo la entrada de dos dígitos, decena y unidad, que conforman el valor

de frecuencia; a continuación solamente es aceptada la petición de borrar el valor

introducido, función cumplida por la tecla (X) o aceptar dicho valor a través de la tecla

enter (=). A partir de ese momento se convoca a la subrutina ENTER.

En la fig. 2.16 se muestra una parte de la subrutina BUSCAR

Fig. 2.16 Muestra de la subrutina BUSCAR


En la misma se ha querido ejemplificar solamente una parte del proceso que se ejecuta, ya

que cuando el programa se encuentra dentro del ciclo de

que en todos los casos el proceso es similar cambiando solamente el valor a comprobar con

DATO y DATO1, cuando se pulsa una tecla hasta que finalmente se determina de cual se

trata ejecutándose las instrucciones correspondientes para ella.

Subrutina CONTROLPROC

Esta subrutina surge debido a

MODULACION, proceso que no debe ser interrumpido por ningún motivo a excepción de

una interrupción externa, los tiempo disponibles entre la generación de los vectores básicos

son muy reducidos (entre 95 y 1029 μSeg) y es precisamente en estos intervalos que se

debe atender al display, el teclado y muy en particular a las subrutinas que se derivan a

partir de ENTER. A continuación se plantean algunos de los aspectos fundamentales a

tener en cuenta en la ejecución de esta subrutina:

- Se toma como principio que los procesos a ejecutar, cuando este en marcha la

- e se podrán utilizar para la atención de estas subrutinas aquellos tiempos

n la figura 2.17 se muestra la secuencia de ejecución de la subrutina CONTROLPROC

modulación, se dividen en partes, las cuales ser irán ejecutando a medida que sea

posible.

Solament

mayores que 243 μ Seg. O sea, en zona1 a 24 vectores los tiempos T1 y T2, mientras

que en zona2 a 12 vectores únicamente en el tiempo T1.

E

donde se puede apreciar todo lo anteriormente mencionado.


Fig. 2.17 Diagrama en bloques de la subrutina CONTROLPROC


Subrutina MODULACION

Esta es la subrutina encargado de todo el proceso de generación de los vectores por sector

para lograr la modulación deseada.

Se muestra en la fig. 2.18 la estructura de esta subrutina

Fig. 2.18 Subrutina MODULACION


Continuación de MODULACION

Fig. 2.18 Continuación.

Subrutina CPROCESO

Esta subrutina se encarga del control de los valores de tiempo y de los vectores básicos

necesarios para la generación de los vectores según la zona y el sector que se encuentre

recorriendo.

En el caso de la modulación en zona 1 (24 vectores) un ciclo de la frecuencia se logra

recorriendo los seis sectores definidos y dentro de cada uno de ellos los cuatro subsectores

correspondientes, existiendo por cada uno de estos subsectores diferentes tiempos y valores

de los básicos.


En zona 2 (12 vectores) un ciclo de la frecuencia se logra, como en la zona 1, con el

recorrido de los seis sectores pero en este caso cada uno de ellos se divide en dos

subsectores. Al igual que en la zona 1 existen cambios en cuanto al vector a generar y los

tiempos necesarios en cada subsector.

La fig. 2.19 muestra la subrutina CPROCESO

Fig. 2.19 Subrutina CPROCESO


Subrutina ENTER

La subrutina ENTER es la encargada de conformar el valor definitivo de la frecuencia a

partir de los números almacenados en DATO y DATO1; Se debe señalar que no

necesariamente se necesitan los dos dígitos para conformar dicho valor, pues está prevista

la posibilidad de, en el caso de las frecuencias entre 5 y 9 Hz, introducir la frecuencia

deseada sin teclear el 0 en la decena.

Además esta subrutina verifica que el valor seleccionado este dentro del rango de trabajo de

equipo, de 5 a 60 Hz, actualizando este, si es correcto, o mostrando un mensaje de ERROR

en la pantalla borrando además el valor incorrecto.

En la fig. 2.20 se muestra la subrutina.

Fig. 2.20 Subrutina ENTER


Subrutina TABLAS

En esta subrutina se actualizan los valores de tiempo de los vectores nulos en dependencia

de la zona en que se encuentra la modulación y el valor de la frecuencia a generar.

A continuación se muestra dicha subrutina.

Fig. 2.21 Subrutina TABLAS

Subrutina ARRANQUE_SUAVE

Esta subrutina es de gran importancia dentro del proceso de la modulación siendo la

encargada de, como bien lo indica su nombre, efectuar el control del arranque suave desde

la frecuencia de partida hasta el valor de la frecuencia seleccionada.

En este caso, como sucede en otras subrutinas, se ha debido concebir que la ejecución de

ARRANQUE_SUAVE se realice en bloques de un tamaño tal que se puedan insertar en los

pequeños tiempos que se disponen en el proceso de la modulación. Es por esta razón que la

estructura de la subrutina es más compleja.

En la fig. 2.22 se puede observar la subrutina ARRANQUE _SUAVE, aunque para un

análisis más detallado se recomienda consultar los anexos donde se encuentra la misma en

más detalle.


Fig. 2.22 Subrutina ARRANQUE_SUAVE.

Capítulo 3 Resultados y discusión 68

CAPITULO 3. RESULTADOS Y DISCUSION

En este capítulo se realiza, en primer lugar, un resumen de las comprobaciones realizadas y

resultados obtenidos, tanto de forma virtual como real, en el dispositivo diseñado. En las

mismas se comprueba el correcto funcionamiento del equipo y muy en especial los valores

de voltaje y frecuencia que se obtienen. Se incluye también un análisis económico con el

objetivo de determinar su posible costo de producción y su factibilidad.

El capítulo se compone de la siguiente manera:

Epígrafe 3.1 Comprobaciones y resultados alcanzados

Se muestran un resumen del las comprobaciones y los resultados que se alcanzaron a partir

de las pruebas realizadas con el objetivo de verificar el desempeño del equipo.

Epígrafe 3.2 Análisis económico

Se realiza un estudio para determinar el costo de producción del dispositivo así como su

factibilidad económica teniendo en cuenta sus potencialidades y aplicación práctica.

3.1 Comprobaciones y resultados alcanzados

Con el objetivo de lograr un menor tiempo de ejecución en las diferentes etapas del proyecto

se realizó un diseño virtual, con el empleo del PROTEUS como herramienta de simulación,

donde se montaron los diferentes bloques del dispositivo siendo posible de esta forma

realizar un gran número de pruebas a partir de las cuales se verificaron las diferentes señales

que se generan en el proceso de la modulación.


Comprobación del tiempo muerto

Anteriormente se explicó la necesidad de incluir el tiempo muerto en el proceso de

conmutación de los semiconductores del inversor. En la fig. 3.1 se puede observar el tiempo

muerto.

Fig. 3.1 Tiempo muerto simulado

Comprobación del patrón de encendido

Fue posible comprobar la forma y los tiempos de los diferentes patrones de encendido de una

rama del inversor, tanto en 24 como en 12 vectores. Para una mejor comprensión solamente

se muestran los patrones de una sola rama, teniendo en cuenta que las dos restantes son

iguales pero con el desfasaje correspondiente.

En la figura 3.2 se puede observar la forma del patrón de encendido para 12 vectores y los

tiempos correspondientes.


Fig. 3.2 Patrón de encendido para 12 vectores

Partiendo de este criterio se comprueba el patrón de encendido, para una frecuencia de 50

Hz, tanto en la simulación, fig. 3.3, como en el circuito real, fig. 3.4

Fig. 3.3 Patrón de encendido simulado, para frecuencia igual a 50 Hz


Fig. 3.4 Patrón de encendido real, para frecuencia igual a 55 Hz

Por otra parte se comprobaron los diferentes patrones de encendido para las frecuencias que

se encuentra en la zona a 24 vectores. A continuación se muestran, para una frecuencia de 20

Hz, el patrón obtenido en la simulación y el real.

Fig. 3.5 Patrón de encendido simulado, para frecuencia de 20 Hz


Fig. 3.6 Patrón de encendido real, para frecuencia de 22 Hz

Comprobación de los voltajes de línea y fase

Se comprueba primeramente que existe el correcto desfasaje (1200) entre cada una de las tres

fases del sistema. Continuando después con la comprobación de los voltajes de línea y fase

para una carga conectada en estrella.

Fig. 3.7 Patrón de encendido simulado en 50 Hz, para las tres fases


Fig. 3.8 Patrón de encendido real en 55 Hz, para dos fases

Fig. 3.9 Voltaje de fase obtenido en la simulación


a) b)

Fig. 3.10 Voltaje de fase real en el circuito

a). Para frecuencia de 55 Hz b). Para frecuencia de 22 Hz

Fig. 3.11 Voltaje de línea simulado


3.2 Análisis económico

El proyecto fue concebido con posibilidades de aumentar su potencia, con la realización de

mínimos cambios y con vista a una posible fabricación en serie. Teniendo en cuenta esto se

realiza un resumen del costo del dispositivo obtenido, a partir del recuento de los

componentes utilizados en el mismo.

En la tabla 3.1 se puede ver un resumen de los principales costos, en CUC, del dispositivo

Tabla 3.1 Resumen de los costos de los componentes utilizados

Componente Cantidad Precio Total

Inversor CPV 364MF 1 41.20 41.20 Excitador IR2110 3 1.75 5.25 Amplificador ULN 2003 2 0.99 1.98 PIC 16F877 1 9.60 9.60 Teclado matricial 1 30.50 30.50 LCD WM-C2002M 1 4.17 4.17 Opto-acoplador MB 104/4 6 0.25 1.50 Opto-acoplador TLP 521-4 1 0.75 0.75 Operacional KA358 1 0.46 0.46 Transductor de I LA 55-P 1 33.88 33.88 Compuerta Lógica V4012D 1 0.55 0.55 Regulador 7805 1 1.75 1.75 Regulador 7815 1 1.75 1.75 Capacitor 300µF 400 V 1 43.23 43.23 Rectificador potencia onda completa 2 3.34 6.68 Circuito impreso 1 12.50 12.50 Transformador 220V/2X18 V 5VA 1 4.35 4.35 Otros componentes 1 30.00 30.00

Total $ 230.10


Teniendo en cuenta que para la implementación del dispositivo se necesitaron un total de

34H/H que representan un costo en mano de obras de 48.00 pesos, la ejecución total del

proyecto tiene un costo de 230.10 CUC, en gastos de materiales y 48.00 pesos por el

concepto de mano de obra.

Teniendo en cuenta que actualmente el costo de un equipo de características similares al

propuesto, aunque con mayores prestaciones y potencialidades, está por encima de los 1000

CUC resulta una buena alternativa para dar solución a la demanda que existe en nuestro país.

Conclusiones y Recomendaciones 77

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Conclusiones

1. Se realizó búsqueda y revisión bibliográfica sobre artículos y trabajos relacionados

con el tema.

2. Se abordaron los aspectos teóricos específicos para lograr el diseño del circuito.

3. Se diseñó un dispositivo lo más simplificado posible pero que a su vez cumple con

los requerimientos generales en las diferentes aplicaciones de accionamiento

eléctrico actualmente.

4. Implementación en el sistema una interfaz para la comunicación, consistente en LCD

y teclado, lográndose una operación interactiva.

5. Se dota al circuito de mecanismos de protección ante diferentes fallas de sobre-

corriente y variación del voltaje de línea.

Recomendaciones

Los resultados de investigación poseen una aplicación práctica y teórica de gran

trascendencia para todos los especialistas, investigadores y diseñadores del control de

velocidad de motores trifásicos asincrónicos, pudiéndose utilizar este trabajo como punto de

partida para estudios posteriores relacionados con el tema o proyectos más específicos y de

mayor alcance.

Continuar trabajando en el tema propuesto para lograr su completamiento o ampliación para

su uso en aplicaciones futuras con el objetivo de incorporar mejoras para lograr:

Conclusiones y Recomendaciones 78

1. La incorporación de otras potencialidades que posean los variadores comerciales

acorde a otras necesidades más frecuentes.

2. El aumento del número de vectores en cada zona.

3. El aumento de hasta cuatro zonas de trabajo.

4. Mejora de la resolución de la frecuencia hasta 0.25 Hz.

5. Posibilidad de selección entre el modo “lineal” o tipo “S” en el arranque suave, así

como permitir la selección del tiempo deseado en estos procesos, tanto en la

aceleración como en la desaceleración.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 79

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1-Sanz Feito, Javier (2002). Máquinas Eléctricas. Pearson Educación, SA, Madrid.

2-M. P. Kostenko (1968). Máquinas Eléctricas.

3-Dewan. S. D, Slemon. G. R, Straughen. A (1990). Power Semiconductor Drives.

Edición Revolucionaria.

4- WEG. Manual del convertidor de frecuencia. Serie CFW-09. Brasil. 2002.

6- Basanta, A (1998). Aspectos fundamentales sobre la teoría y el diseño del accionamiento

eléctrico del Vehículo Eléctrico Cubano VEC. Tesis de Maestría. Facultad de Ing.

Eléctrica. Cuba.

7- Inversores.pdf. www.irf.com/product-info/datasheets/data/ir2110.pdf

8- IR2110.pdf. www.datasheetcatalog.com

9- LA55-P. pdf. www.datasheetcatalog.com

12- PIC16F877.pdf. www.alldatasheet.com

14- Wintek Corp (2001). Especificaciones para modulos de LCD WM-C2002P. Taiwan.

16-International Rectifier (1994). IGBT DESIGNER´S MANUAL. USA.

17- Basanta. L, Martín. I (1999). Mejoras y documentación del VEC. Tendencia actual y

perspectivas futuras. Trabajo de diploma. Facultad de Ing. Eléctrica. Cuba.

18- Fleites Pedro Y. y Rivera Jean Pierre (2006). Variador de velocidad controlado

mediante el vector espacial de tensión utilizando el micro AT89C52. Trabajo de Diploma.

Ciudad de La Habana.

ANEXOS SUBRUTINAS DEL PROGRAMA 80

ANEXOS

Programa principal

INTCON,0=1

PRINCIPIO

. Condiciones iniciales del programa (frecuencia inicial, valor de NZONA, conectar resistencias de Pull-Up) . Inicializar el DISPLAY. . Habilitar las protecciones

. CALL

CONT_ENTER,6

1

0

1

1

0

0

CALL ENTER

CONT_ENTER,6

CONT_ENTER,1

.BCF CALL TABLAS

CALL MODULACION

¿Int. Por teclado ¿

¿ENTER en ejecución ¿

¿Termine con ENTER ¿

¿Termine con ENTER, pero dio Error 10

. CALL


Subrutina PRE_TEC_DISPLAY


Subrutina BUSCAR


Continuación (1) BUSCAR








Subrutina CONTROLPROC

CONTROLPROC

. BCF STATUS,C

. 0X03 – W W

STATUS,C

10¿El tiempo es suficiente ¿

CON_ENTER,6 1 0

¿ENTER en ejecución ¿

CALL ENTER

CON_ENTER,1 1 0 ¿Term. ENTER, dio ERROR

. BCF CON ENTER,1

CON_ARRANQUE,2

10

NSECTOR,5 1 0

CON_ARRANQUE,3 10

CON_ARRANQUE,0 10

CON_ARRANQUE,4 10

. BCF CON_ENTER,1

. CALL ARRANQUE_SUAVE

FINCONTROLPRO EXIT

¿SECTOR 1 ¿

Ejecutar solo una vez por

¿En ejecución

¿Ppetición de ARRANQUE ¿


Continuación (1) CONTROLPROC

FINCONTROLPROC EXIT

. CALL REBOTE_Y_TTECLA

RETURN


Subrutina M

ODULACION


Continuación MODULACION

Subrutina TIEMPOM


Subrutina TIEMPOVV1

Subrutina TIEMPOVV2


Subrutina TIEMPOVV3

Subrutina TIEMPOVV4


Subrutina TIEMPOVV0

Subrutina TIEMPOVV7


Subrutina CPROCESO

ANEXOS SUBRUTINAS DEL PROGRAMA 95ANEXOS SUBRUTINAS DEL PROGRAMA

Continuación (1) CPROCESO

95





Subrutina ALMACENAMIENTO

Subrutina COMANDO_ESCRITURA


Subrutina CARACTER_NUMERO


Subrutina CARÁCTER_ESCRITURA


Subrutina BUSY

Subrutina DEMORA

ANEXOS SUBRUTINAS DEL PROGRAMA 101ANEXOS SUBRUTINAS DEL PROGRAMA 101

Subrutina ENTER


Subrutina ENVIAR_CARACT

Subrutina RETARDO2


Subrutina RETARDO1


Subrutina TABLAS


Subrutina ARRANQUE_SUAVE

CONT_ARRANQUE,1

ARRANQUE_SUAVE

. BCF CONT_ARRANQUE,3


. BCF STATUS,Z

. SUB VFRECUENCIA - VFRECANTERIOR

STATUS,Z

0

1

1

0

¿Está en ejecución alguna RAMPA ¿

¿VFRECUENCIA = VFRECANTERIOR¿

¿En ejecución ARRANQUE_SUAVE ¿ 1

CONT_ARRANQUE,0

0

. BSF CONT_ARRANQUE,0

STATUS,C

¿Incrementar o decrementar ¿ 0 1

. VFRECANTERIOR – VFRECUENCIA W

. W TEMPORAL

. VFRECUENCIA – VFRECANTERIOR W

. W TEMPORAL

. BCF STATUS,C

. TEMPORAL – 0X06 , 0

STATUS,C

. TEMPORAL RAMPA3

. CRLF RAMPA 2 y RAMPA1. 0X03 RAMPA1 y RAMPA2 . TEMPORAL – 0X06 W . W RAMPA2

¿EL recorrido es de 6 Hz o más ¿

NZONA,0

. 0X0A MULTIRAMPA1 y 3

. 0X02 MULTIRAMPA2


. 0X05 MULTIRAMPA1 y 3

. 0X01 MULTIRAMPA2


¿En que ZONA me encuentro ¿

0 1

0 1

FIN_ARRANQUE_SUAVE EJEC_RAMPA


Cont E

inuación (1) de ARRANQUE_SUAV

EJEC RAMPAF ARRANQUE SUAVEIN

. BCF STATUS,Z 0X00 – RAMPA1 W

STATUS,Z

10


STATUS,Z

10


STATUS,Z

10



. BCF CONT ARRANQUE,4

DECFSZ MULT_RAMPA1

1 0

. CALL IN_DEC_FRECUENCIA

. DECF RAMPA1, 1


DECFSZ MULT_RAMPA2

1 0


. DECF RAMPA2, 1


DECFSZ MULT_RAMPA3

1 0



DECFSZ RAMPA3

1 0



¿RAMPA1 = 0 ¿

¿RAMPA3 = 0 ¿

RETURN


Subrutina IN_DEC_FRECUENCIA


FRECUENCIA


ACTUALIZAR_FREC


ERROR_FREC


Continuación ERROR_FREC


Subrutina INT_PROTEC


Subrutina REBOTE_Y_TTECLA

Documents

“Diseño de un Variador de Velocidad, aplicado a motores