Inversores Para Motores 95jz

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE CAMPECHE ALUMNO: JOSE MANUEL CASTILLO DIAZ

MATERIA: CONTROL DE MOTORES ll

PROFESOR: EDUARDO BOCANEGRA MOO

TRABAJO: ENSAYO DE INVERSOR DE MOTORES

CARRERA: INGIENERIA MECATRONICA

CUATRIMESTRE Y GRUPO: 8 “B”

INVERSORES PARA MOTORES

Para empezar se entiende que un inversor es un control para motores para controlar su velocidad o variarla esto se realiza en los motores de corriente alterna, de inducción, para poder lograr la variación de velocidad del motor se hace mediante la variación de la frecuencia que alimenta al motor. Con el inversor de motores podemos ajustar su voltaje de alimentación del motor, los inversores de motores son también dispositivos de lazo abierto, es decir no tienen retroalimentación y no nos pueden dar informes acerca del motor y su carga. Los onduladores o inversores son convertidores estáticos de energía que convierten la corriente continua CC en corriente alterna CA, con la posibilidad de alimentar una carga en alterna, regulando la tensión, la frecuencia o bien ambas. Más exactamente, los inversores transfieren potencia desde una fuente de continua a una carga de alterna. Las aplicaciones típicas de los inversores de potencia pueden ser: • Accionamientos de motores de CA de velocidad ajustable. • Sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI) • Dispositivos de corriente alterna que funcionan a partir de una batería. • Hornos de inducción., etc

EL SIGNIFICADO DE PWM

Este es un proceso de conmutación el cual es usado para obtener la frecuencia y voltaje de modo ajustables y es llamada PWM (Pulse Width Modulation) o modulación por ancho de pulso. Este tipo de modulación se refiere a los transistores conmutando su estado de encendido y apagado en intervalos discretos. La magnitud de los pulsos es la misma en el ciclo, lo que varia es el ancho del pulso. La razón ala cual se producen los pulsos de salida de los inversores de motores son llamada de una manera de frecuencia portadora, nos dice también que la frecuencia portadora es programada entre 1000 y 1500 hertz, pero también existen frecuencias portadoras bajas que estas producen ruidos audibles en los motores, pero cuando Al elevar la frecuencia este ruido audible se disminuye pero produce calentamiento en los dispositivos de potencia lo que reduce la capacidad d salida de potencia en el inversor. La frecuencia de salida no es la frecuencia portadora. Un ciclo de frecuencia de salida consiste de una serie de pulsos positivos y negativos cuyo ancho y frecuencia dependen de la frecuencia portadora. Si se quiere mejorar aún más el contenido de armónicos en la salida de un inversor, es necesario utilizar lo que se conoce como modulación de anchura de pulsos PWM (“Pulse Width Modulation”). La idea básica es comparar una tensión de referencia senoidal de baja frecuencia (que sea imagen de la tensión de salida buscada) con una señal triangular simétrica de alta frecuencia cuya frecuencia determine la frecuencia de conmutación. La frecuencia de la onda triangular (llamada portadora) debe ser, como mínimo 20 veces superior a la máxima frecuencia de la onda de referencia, para que se obtenga una reproducción aceptable de la forma de

onda sobre una carga, después de efectuado el filtraje. La señal resultante de dicha comparación nos generará la lógica para abrir y cerrar los semiconductores de potencia. La figura 5.7 muestra la modulación de una onda senoidal, produciendo en la salida una tensión con 2 niveles, cuya frecuencia es la de la onda triangular. Para una observación más detallada, la figura 5.8 muestra la señal PWM en un cuarto de la senoide completa. A partir de la señal PWM se generan los pulsos de apertura y cierre de los interruptores. Por ejemplo, si la señal PWM tiene un valor alto, se cierran los interruptores S1 y S2. En caso contrario se cierran los interruptores S3 y S4. Por tanto, la tensión de salida, que es aplicada a la carga, está formada por una sucesión de ondas rectangulares de amplitud igual a la tensión de alimentación en continua y duración variable. El contenido de armónicos de la tensión de salida se desplaza hacia las frecuencias elevadas y es más fácil de filtrar.

EXISTE ALGUNA RELACION ENTRE VOLTAJE Y FRECUENCIA

Si la interrelación entre voltaje y frecuencia que alimenta al motor, controlada por el inversor, es llamada razón volts por hertz (rango V/F). Los inversores están diseñados para mantener la interrelación voltaje – frecuencia, y así, lograr un mejor rango de operación del inversor

¿QUÉ RANGO DE VELOCIDAD EN PAR CONSTANTE SE PUEDE

OBTENER

DE

UN

MOTOR

CONTROLADO

POR

INVERSOR? Sin que exista un sobre esfuerzo, la reducción de velocidad en par constante puede ser de 10:1, para un motor súper-e de factor de servicio 1.15 con un control PWM, por ejemplo. Un motor cuya velocidad nominal sea de 1750 RPM, puede se disminuido a 175 RPM.

Ose a que nuestros motores con los cuales nosotros

estemos trabajando o necesitando se puede variar y su velocidad y hacerse reversible por medio de la reducción de velocidad, la cual nos lo da los inversores, como se puede observar en este ejemplo.

¿QUE POSIBILIDSADES DE COMUNICACIÓN TIENE UN INVERSOR?

Puede comunicarse por medios de plc por dos métodos los cuales se detallan a continuación: Mediante protocolos de comunicación: • Profibus • DeviceNet • ModBus • Rs485 • Rs232

Mediante os secos, utilizando una lógica binaria de 4 bits Los tipos de comandos de velocidad que puede recibir son los siguientes, los cuales se muestran a continuación:

ANALOGICAS Y DIGITALES Las analógicas son las siguientes: 0-10 Volts • 0-5 Volts • ± 5 Volts • ± 10 Volts • 4-20 mA • 3-15 PSI LAS DIGITALES SON LAS SIGUIENTES: •Protocolos de comunicación •Pulsos en cuadratura •Pulsos en velocidad y dirección Además los inversores para motores pueden manejar los siguientes esclavos maestros, los cuales se muestran a continuación. • Maestro esclavo (seguimiento de velocidad y sentido de giro). • Control de procesos (sistema de lazo cerrado PID).

• Conexión a redes industriales. • Lectura de entradas analógicas de alta resolución, y generación de salidas analógicas de alta resolución. Algunas de sus características de los inversores para motores, haciéndose la pregunta el ¿el porque de usar los inversores para motores? Incremento de uso de 30% anual Sus ventajas: – Control de corriente de arranque – Mantener constante la velocidad fijada – Cambios rápidos de velocidad – Inversión de rotación – Mínimos tiempos muertos Además de que los inversores son de gran utilidad para el control de los motores de corriente alterna, tienen también sus desventajas en la afectación de los motores los cuales están controlando los dichos inversores, las cuales se describen a continuación: Incremento de temperatura Picos de voltaje Incremento del ruido del motor Desgaste en los rodamientos Los motores fueron diseñados para ser utilizados con fuentes de energía senoidales pero los inversores de frecuencia son fuentes de energía de pulsos cuadrados. Nos damos cuenta que la estrategia

con la cual se diseñaron los motores no funciono correctamente, y los inversores tienen otra forma de funcionamiento son fuentes de energía los cuales se representa mediante pulsos cuadrados.

Los pulsos de los inversores se comportan de la siguiente manera: Los tiempos de subida del flanco del pulso son muy cortos y los sobre impulsos pueden ser cercanos al doble del voltaje del bus de DC. La resonancia puede lograr que en una línea de transmisión de energía de 460 VAC puedan haber en las terminales del motor 2000 VAC • Cualquier onda que no sea senoidal genera calor en los devanados.

TIPOS DE INVERSORES Suelen distinguirse tres configuraciones o topologías de inversores: con transformador de toma media (“push-pull”), con batería de toma media (medio puente) y configuración en puente completo. Corresponden a las tres formas más razonables de realizar la función de inversión de tensión o corriente suministrada por la fuente de CC con los medios disponibles hoy día en electrónica de potencia. Cada una de ellas tiene sus ventajas e inconvenientes, independientemente de los semiconductores empleados en su

realización y de su circuitería auxiliar de excitación y bloqueo. Las figuras 5.1 y 5.2 muestran las configuraciones push-pull y medio puente, respectivamente. Junto a cada una de las configuraciones se muestra la forma de onda de salida correspondiente a cada una de ellas. En el caso de la configuración pushpull se debe tener en cuenta la relación de espiras entre cada uno de los primarios (teniendo en cuenta que está en toma media) y el secundario. La topología en medio puente se puede implementar con una batería y dos condensadores en toma media o bien con una batería en toma media. La figura 5.3 muestra la configuración en puente completo cuyo funcionamiento se explicará detalladamente. Del análisis del inversor en puente completo se puede intuir y deducir el funcionamiento de los dos anteriores (push-pull y medio puente). En este ensayo se detallara como un inversor funciona por medio de un puente completo. El inversor en puente completo está formado por 4 interruptores de potencia totalmente controlados, típicamente transistores MOSFETs o IBGTs El inversor por modulación por onda cuadrada La técnica de modulación o el esquema de conmutación más sencillo del inversor en puente completo es el que genera una tensión de salida en forma de onda cuadrada. En éste caso los interruptores conectan la carga a + VCC cuando S1 y S2 están cerrados (estando S3 y S4 abiertos) y a - VCC cuando S3 y S4 están cerrados (estando S1 y S2 abiertos). La conmutación periódica de la tensión de la carga entre + VCC y - VCC genera en la carga una tensión con forma de onda cuadrada. Aunque esta

salida alterna no es senoidal pura, puede ser una onda de alterna adecuada para algunas aplicaciones. La forma de onda de la corriente en la carga depende de los componentes de la carga. En una carga resistiva, la forma de onda de la corriente se corresponde con la forma de la tensión de salida. Una carga inductiva tendrá una corriente más senoidal que la tensión, a causa de las propiedades de filtrado de las inductancias. Una carga inductiva requiere ciertas consideraciones a la hora de diseñar los interruptores del inversor, ya que las corrientes de los interruptores deben ser bidireccionales. Para ello, se suelen poner diodos en antiparalelo con cada uno de los interruptores. En el caso del ondulador en puente se utilizarían cuatro diodos en antiparalelo con cada uno de los interruptores. Para el caso del medio puente y del pushpull se utilizarían 2 diodos, uno para cada interruptor. La figura muestra la forma de onda de la tensión de salida vc para un inversor en puente de onda completa con modulación por onda cuadrada. Éste tipo de modulación no permite el control de la amplitud ni del valor eficaz de la tensión de salida, la cual podría variarse solamente si la tensión de entrada VCC fuese ajustable. El espectro de Fourier de una onda cuadrada es conocido y se muestra en la figura 5.6. Como se puede observar, presenta todos los

armónicos

impares,

con

una

disminución

proporcional a la frecuencia de los mismos.

de

amplitud

El inversor con modulación por onda cuasi- cuadrada. En la figura se puede observar que aunque a la salida se ha obtenido una tensión alterna, ésta no se parece en absoluto a una senoide pura. De hecho, recordará el lector que una onda cuadrada periódica pura tiene infinitos armónicos sobre la frecuencia fundamental. Para solucionar este inconvenientes existen varias alternativas. La primera es añadir un filtro tipo LC a la salida, lo cual es costoso dado el elevado número de armónicos de baja frecuencia que se deben filtrar. La segunda alternativa es mejorar el control de los interruptores de potencia. Una alternativa que permite ajustar el valor eficaz de la tensión de salida y eliminar los armónicos de baja frecuencia es la llamada onda cuasi-cuadrada o cancelación de tensión, en la cual se mantiene un nivel de tensión nulo sobre la carga durante parte del período. De esta manera, mejoramos el contenido de armónicos de la tensión de salida. La tensión que se obtiene utilizando la modulación por onda cuasi-cuadrada se puede apreciar en la figura.

Para obtener éste tipo de onda, una posibilidad sería la siguiente: cuando se desea tensión positiva en la carga se mantienen S1 y S2 conduciendo (S3 y S4 abiertos). La tensión negativa se obtiene de forma complementaria (S3 y S4 cerrados y S1 y S2 abiertos). Y, como ya se ha comentado, los intervalos de tensión nula se obtienen cerrando simultáneamente los interruptores S1 y S3 manteniendo S2 y S4 abiertos o bien cerrando S2 y S4 mientras S1 y S3 se mantienen abiertos. Otra forma de obtener tensión nula a la salida es manteniendo todos los interruptores abiertos durante el intervalo de tiempo deseado. Si se efectúa un análisis de Fourier de la forma de onda cuasicuadrada, se observaría que están presentes los múltiples impares de la frecuencia de conmutación, lo que significa que el filtraje de dicha señal para la obtención apenas de la fundamental requiere un filtro con frecuencia de corte muy próxima de la propia frecuencia deseada. Éste espectro varía de acuerdo con el ancho del pulso.

Como ya se ha comentado, en el caso de que la carga tenga una cierta componente inductiva, es necesario añadir diodos en antiparalelo con los transistores de potencia, para permitir la circulación de corriente de la carga cuando se abren todos los transistores.

Si no

se

añaden

diodos,

se

crean

grandes

sobretensiones debido al corte instantáneo de la corriente por la inductancia de la carga, con lo que acaba destruyéndose el convertidor de potencia.

SISTEMA DE ALIMENTACION INTERRUMPIDA

Para alimentar cargas críticas, como son ordenadores que controlan procesos importantes, equipos médicos, etc., es necesario el empleo de sistemas de alimentación ininterrumpida, abreviados por las siglas SAIs (del inglés UPS, “Uninterruptible Power Supply”). Este tipo de sistemas proporciona protecciones frente a cortes de alimentación, así como regulación de tensión frente a fluctuaciones (por encima o por debajo) de los valores nominales. Además, se emplean como supresores de transitorios y de armónicos en la línea de alimentación. La figura muestra un diagrama de bloques de un SAI. En modo normal de operación, la potencia suministrada a la carga proviene de la red de CA de la empresa suministradora. En caso de producirse una fluctuación en la línea (corte, sobretensión, etc.), la potencia es suministrada por el banco de baterías. Un SAI debe incluir un cargador de baterías, para mantener la batería cargada en cualquier momento. Los interruptores estáticos, también denominados interruptores de “by-”, permiten alimentar la carga a través del inversor en menos de ¼ ciclo cuando ocurre un fallo en la red eléctrica,. Otra función de los interruptores estáticos es la de aislar el inversor cuando se desea efectuar su mantenimiento. Básicamente existen dos posibilidades de implementar los interruptores estáticos: utilizando tiristores o relés electromecánicos. Soluciones de bajo coste emplean, en general, relés. Su conmutación debe ser rápida, de modo que no interrumpan la alimentación durante más de ½ ciclo. Cuando la potencia aumenta, el uso de tiristores es lo más habitual.

Uno de los grandes campos de aplicación de la Electrónica de Potencia se encuentra en la regulación de velocidad de máquinas eléctricas, típicamente motores. Usualmente, al sistema electrónico que alimenta un motor se suele denominar accionamiento, y éste incluye no sólo la parte de potencia sino también los circuitos de protección y control que gobiernan los convertidores de potencia. En función del tipo de motor, se suelen clasificar en accionamientos de alterna y accionamiento de continua. Dependiendo de la aplicación, se puede controlar la velocidad, la posición, o el par de un motor eléctrico. Desde el punto de vista energético, el empleo de accionamientos

para

motores

mejora

substancialmente

el

rendimiento del sistema que se está controlando. Existen infinidad de

aplicaciones

en

las

que

actualmente

se

emplean

accionamientos, desde sistemas de aire acondicionado, bombas, grúas, etc. hasta máquinas de control numérico, donde se requiere un control preciso de la velocidad y posición de los motores utilizados.

De forma análoga a los accionamientos de corriente continua, los accionamientos de corriente alterna, permiten regular distintas magnitudes en un motor de CA, ya sea velocidad, posición, par, etc. Dependiendo de la aplicación, se utilizan distintos convertidores de potencia. En aquellas en las que la precisión no es crítica, se utilizan convertidores CA/CA, del tipo directo, normalmente basados en tiristores (reguladores de CA y cicloconvertidores). A pesar de su sencillez, estos convertidores generan un gran número de armónicos. Para aplicaciones donde se requiere mayor precisión o mejor calidad de energía, se utilizan convertidores del tipo indirecto. La estructura más empleada es la de un rectificador en ascada con un inversor PWM tal como se muestra en la figura 5.11. Hoy en día, el empleo de este tipo de convertidores está desbancando el empleo masivo que en el pasado se hacía con los motores de CC. La función de un inversor es cambiar un voltaje de entrada de corriente continua a un voltaje simétrico de salida de corriente alterna, con la magnitud y frecuencia deseada por el o el diseñador. Los inversores se utilizan en una gran variedad de aplicaciones, desde pequeñas fuentes de alimentación para computadoras, hasta aplicaciones industriales para controlar alta potencia. Los inversores también se utilizan para convertir la corriente continua generada por los es solares fotovoltaicos, acumuladores o baterías, etc, en corriente alterna y de esta manera poder ser inyectados en la red eléctrica o usados en instalaciones eléctricas aisladas.

Un

inversor

simple

consta

de

un oscilador que

controla

a

un transistor, el cual se utiliza para interrumpir la corriente entrante y generar una onda rectangular. Esta onda rectangular alimenta a un transformador que suaviza su forma, haciéndola parecer un poco más una onda senoidal y produciendo el voltaje de salida necesario. Las formas de onda de salida del voltaje de un inversor ideal deberían ser sinusoidal. Una buena técnica para lograr esto es utilizar la técnica de PWM logrando que la componente principal senoidal sea mucho más grande que las armónicas superiores. También hay inversores más modernos que han comenzado a utilizar formas más avanzadas de transistores o dispositivos similares, como los tiristores, los triac's o los IGBT's. Los inversores más eficientes utilizan varios artificios electrónicos para tratar de llegar a una onda que simule razonablemente a una onda senoidal en la entrada del transformador, en vez de depender de éste para suavizar la onda. También se pueden clasificar en general en dos tipos: 1) inversores monofásicos y 2) inversores trifásicos. Se pueden utilizar condensadores e inductores para suavizar el flujo de corriente desde y hacia el transformador. Además,

es

posible

producir

una

llamada

"onda

senoidal

modificada", la cual se genera a partir de tres puntos: uno positivo, uno negativo y uno de tierra. Una circuitería lógica se encarga de activar los transistores de manera que se alternen adecuadamente. Los inversores de onda senoidal modificada pueden causar que ciertas cargas, como motores, por ejemplo; operen de manera menos eficiente.

Los inversores más avanzados utilizan la modulación por ancho de pulsos con una frecuencia portadora mucho más alta para aproximarse más a la onda seno o modulaciones por vectores de espacio mejorando la distorsión armónica de salida. También se puede pre distorsionar la onda para mejorar el factor de potencia (cos Φ). Los inversores de alta potencia, en lugar de transistores utilizan un dispositivo de conmutación llamado IGBT (Insulated Gate Bipolar transistor ó Transistor Bipolar de Puerta Aislada). La frecuencia de salida de un inversor estático esta determinada por la

velocidad

de

conmutación

on-off

de

los

dispositivos

semiconductores que lo conforman por lo que se tiene una salida de frecuencia ajustable intrínseca a esta característica. Sin embargo cabe mencionar que normalmente la salida del inversor resulta de una onda no senoidal de voltaje y corriente que puede afectar severamente el funcionamiento del motor, su filtrado de sus armónicos no es factible cuando dicha frecuencia de salida varia en un rango severamente amplio y la generación de ondas de AC con bajo contenido armónico es importante. Además el inversor debe recibir la entrada desde un batería pero en la mayoría de las aplicaciones

industriales se encuentran

alimentados por un rectificador, ya sean de diodos o de tristores. Los inversores también pueden clasificarse según su alimentación por una fuente de voltaje o corriente; los primeros están alimentados por una dicha fuente de baja impedancia como puede ser la batería de un carro o un rectificador, en el que la salida tendrá un filtro LC. El filtro capacitivo en paralelo con las terminales del inversor mantiene un voltaje de constante, por lo tanto podemos

decir que este inversor es una fuente de voltaje de frecuencia ajustable en donde la salida de voltaje es esencialmente independiente de la corriente de carga. Por otro lado cabe mencionar que el inversor de corriente esta alimentado por una corriente controlada desde una fuente de alta impedancia. Típicamente un rectificador de tristores controlados por fase alimenta este inversor con una corriente regulada a través de un inductor en serie; por lo tanto, la corriente de carga de un motor es controlada y el voltaje de salida del inversor es dependiente de la impedancia de la carga. A continuación se incluirán los puentes inversores monofásicos y trifásicos modulados por pwm, como anteriormente se había explicado el significado de pwm, siendo estos del tipo de fuentes de voltaje, ya que son los que no serán de utilidad para obtener la relación voltaje-frecuencia variable para controlar la velocidad de un motor de inducción. Puente inversor monofásico modulado por PWM Un puente inversor monofásico es aquel que entrega como salida d voltaje una onda cuadrada de amplitud Vd mediante una conmutación de los transistores en pares diagonales; sin embargo si se introduce un desplazamiento de fase 120º entre la conmutación de cada rama como se muestra en la siguiente figura, el voltaje de salida es una onda casi cuadrada con intervalos de cero voltaje de 120º de duración en cada medio ciclo. Estos intervalos a las veces en que las terminales A y B están conectadas simultáneamente al suministro de DC y la corriente de carga circulan a través del transistor y el diodo de marcha libre.

La importancia de esta técnica es que el voltaje fundamental de salida se puede variar desde el valor máximo hasta cero mediante el avance de los angulos de conducción de TR3 y TR4 desde cero hasta 180º. Este método general de control de voltaje es llamado modulación por anchura de pulsos (PWM) y esta técnica en particular se denomina modulación de anchura de un pulso por semiperiodo. En general, el proceso de PWM modifica el contenido armonico del voltaje de salida y puede usarse para minimizar efectos armónicos indeseables en la carga. PWM cuadrado y puente inversor trifásico. Una forma alternativa de PWM, conocida como modulación en anchura de varios pulsos por semiperiodo o PWM de onda cuadrada, implica obtener una serie de pulsos de igual anchura en cada medio ciclo, como se puede ver en la figura; esto se lleva acabo conmutando la mitad del puente a la frecuencia fundamental requerida y la otra mitad a un múltiplo de la misma, la relación T1/T1+T2 es denominada el ciclo de trabajo de la onda PWM y la magnitud del voltaje fundamental de salida se controla al variarse este. A voltajes reducidos de salida se obtiene un contenido armónico de orden menor mediante esta técnica.

Para efecto, se requieren circuitos de control en el que una onda portadora triangular es comparada de referencia con la frecuencia de salida deseada. El ajuste de la frecuencia del inversor se hace simultáneamente variando la frecuencia de las portadoras y las ondas son generadas por el mismo oscilador común. Al observar la figura se puede ver que la duración de cada pulso en el voltaje de salida es proporcional al índice de modulación M, y al periodo de la onda de referencia, T. entonces, la duración del pulso,

Tp, es proporcional a MT, o M/f,

en donde f es la frecuencia de la onda que esta en referencia. Si la amplitud de la onda de referencia es variada linealmente con la frecuencia, entonces la relación M/f es constante, y la duración del pulso Tp, es independiente de la frecuencia. En consecuencia, el área volts-segundos por medio ciclo es la misma a todas las frecuencias, lo que implica una operación con relación volts/Hertz constante. O desde otro punto de vista, ya que la amplitud del voltaje fundamental es función lineal de M, una relación constante de M/f implica V/f constante.

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