variador de velocidad para motor...
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VARIADOR DE VELOCIDAD PARA MOTOR TRIFASICO CON
MICROCONTROLADOR PSOC E INTERFAZ GRAFICA
SPEED VARIATOR FOR PSOC MICROCONTROLLER WITH MOTOR THREE
PHASE AND GRAPHIC INTERFACE
Leidy Lorena Ruíz Ovalle Ivan Leonardo Suarez Cruz ** Jorge Eduardo Porras
Bohada***
Resumen: En este artículo se presenta la elaboración de un dispositivo que permite variar la
velocidad de un motor trifásico de ½ HP, el dispositivo está conformado por un inversor
trifásico, un driver de protección, un módulo de spwm generado por un PSoC 5LP Prototype,
fuente de alimentación y una interfaz gráfica en python, donde se puede controlar la variación
de la velocidad y las revoluciones por minuto (RPM) del motor.
En el desarrollo del dispositivo se tuvo en cuenta la necesidad que tiene la industria frente a
la variación de la velocidad en los motores dependiendo de la tarea que el operador este
realizando, ya que para poder realizar estos trabajos no se contaba con una manera eficiente
y segura de regularla. Este dispositivo brinda un fácil manejo e interactividad para el usuario
a la hora de cambiar de tarea, y como resultado se muestra el montaje del dispositivo y el
diseño de la interfaz.
* Estudiante de Tecnología en electrónica de la universidad distrital Francisco José de Caldas Facultad
tecnológica, Bogotá, Colombia, e-mail: [email protected] **
Estudiante de Tecnología en electrónica de la universidad distrital Francisco José de Caldas Facultad tecnológica, Bogotá, Colombia, e-mail [email protected]
*** Docente de Tecnología en electrónica de la universidad distrital Francisco José de Caldas Facultad
tecnológica, Bogotá, Colombia, e-mail: [email protected]
Palabras clave: Variador, velocidad, inversor, driver, motor, spwm.
Abstract: This article describes the elaboration of a device that can vary the speed of a
three-phase motor ½ HP, the device is composed of a three-phase inverter, driver protection,
SPWM module generated by a PSoC 5, power source and python graphical interface where
you can control the variation of the speed and the revolutions per minute (RPM).
The device developing took into account the need for the industry from the variation of speed
motors depending on the task that the operator is doing, because in order to do these jobs is
not counted efficiently and sure regulate. This device provides easy handling and interactivity
for the user when changing tasks, and as a result the mounting device and the design of the
interface is shown.
Key Words: Variator, speed, inverter, driver, motor, SPWM.
1. Introducción
En la industria actual y las aplicaciones específicas de la misma, es fundamental el uso de
motores de todo tipo, y existe la necesidad de variar la velocidad de los mismos,
manteniendo sus características esenciales, hoy en día el mercado ofrece PLC’s y variadores
de velocidad a un costo alto, por ende se propuso hacer un dispositivo que use tecnologías
de bajo costo, además que brinden interactividad y un fácil manejo.
Partiendo de lo anterior se desarrollo un dispositivo capaz de cumplir estas necesidades a un
costo más bajo haciendo uso de tecnologías como el microcontrolador PSoC 5LP prototype y
en la etapa de potencia utilizando semiconductores Mosfet. Este dispositivo está dividido en
cinco etapas fundamentales, la primera es la etapa digital que hace referencia al módulo
SPWM (modulación de ancho de pulso sinusoidal) generado por el PSoC 5LP prototype, el
cual está encargado de enviar las señales generadas del SPWM desfasadas 120º una de la
otra al inversor trifásico, la segunda es un driver encargado de aislar la etapa de potencia con
la etapa digital, este garantiza que el microcontralador no reciba tensiones ni corrientes
superiores a las que el maneja, la tercera es el inversor trifásico encargado de conmutar las
señales SPWM enviadas por el PSoC 5LP, para poder hacer un control optimo del motor
trifásico de ½ HP, la cuarta es la fuente de alimentación DC que se encarga de proporcionar
una tensión 160 voltios al circuito inversor, para finalizar la quinta es la interfaz gráfica
diseñada en un software libre Python en la cual el usuario podrá encender/apagar, variar la
velocidad, además de observar las revoluciones por minuto (RPM) del motor.
2 Diagrama de bloques
El siguiente diagrama Figura 1. Representa el funcionamiento del dispositivo de control.
Figura 1. Diagrama de bloques proyecto Variador de Velocidad para un Motor Trifásico con
Microcontrolador PSoC e Interfaz gráfica en Python. Fuente: Autor.
PC Interfaz: Interfaz gráfica en python encargada de que el usuario interactúe con el
control del dispositivo (variar velocidad, encender/apagar, visualizar rpm)
SPWM: Modulación por ancho de pulso sinusoidal generada desde el PSoC 5 LP
Driver de protección: Circuito con el cual se aísla la etapa digital con la etapa de
potencia y se aseguran las corrientes de activación para los Mosfet’s
Inversor trifásico: Encargado de que el motor funcione de manera adecuada a partir
de la conmutación de los Mosfet’s IRFP450.
Fuente de alimentación: Encargado de la distribución de tensiones óptimas para el
buen funcionamiento de los circuitos.
Motor Trifásico: El motor que se utilizó para realizar las pruebas del variador, fue un
motor asíncrono trifásico de ½ HP marca CLUTCH MOTOR, de las siguientes
características Tabla1.
INVERSOR
TRIFÁSICO
Mosfet’s
IRFP450
DRIVER DE
PROTECCION
IR2110
PSoC 5
SPWM
PC
Interfaz
FUENTE DE
ALIMENTACION
160V
MOTOR
TRIFASICO
½ HP
Polos 2
Voltaje 220V
RPM 3450
Corriente 1,8 A
Tabla 1. Características Motor Trifásico ½ HP Clutch.
3. Metodología
3.1. Etapa Digital
Esta etapa es la encargada de generar las señales SPWM por medio de un PSoC 5LP
prototype, en el cual haciendo uso de cuatro generadores de señales DAC (Waveform DAC)
observe Figura 2, se generan tres señales sinusoidales desfasadas 120º entre si y de una
frecuencia que oscilara entre 10Hz y 60Hz, en la Figura 3 se muestran dos de las señales
generadas a una frecuencia de 60 Hz desfasadas 120° una de la otra, en la Figura 4 se
muestran las señales desfasadas -120° con respecto a la misma señal con que se comparó
en la figura anterior, esto debido a que el osciloscopio solo posee dos canales de medición.
En la figura 5 se observa la señal triangular generada de 10KHz y al ser comparada con cada
onda sinusoidal se generaran cadenas de pulsos de diferentes anchos (SPWM) observe
Figura 6, totalmente digitales. Cada señal SPWM generada es invertida por medio de
compuertas digitales NOT para así obtener las seis señales SPWM observe Figura 8-9, la
cual cada una controlara la activación de cada MOSFET que contendrá el Inversor trifásico.
Utilizando pwm’s, timer’s y tomando los flancos de subida y bajada de cada pulso, se generó
un tiempo muerto entre cada pulso observe Figura 7 para así evitar que en cualquier
momento los Mosfet ‘s conmuten H y L en el mismo instante de tiempo.
Figura 2. Bloques UDB PSoC Creator. Fuente Autor
Figura 3. Ondas sinusoidales desfasadas 120
grados. Fuente: Autor.
Figura 4. Ondas sinusoidales desfasadas -
120 grados. Fuente: Autor.
Figura 5. Señal Triangular. Fuente: Autor.
Figura 6. SPWM. Fuente: Autor.
Figura 7. Tiempos muertos entre pulsos. Fuente: Autor.
Figura 8. Señales SPWM generadas para control de cada mosfet. Fuente: Autor.
Figura 9. Zoom señales SPWM generadas. Fuente: Autor.
En la figura 8-9 se observan las seis señales SPWM resultantes que equivalen a las salidas
S1, S2, S3, S4, S5, S6 del PSoC y que corresponden a las mismas entradas de los opto-
acopladores de la etapa de protección.
3.2. Etapa de protección
Es la encargada de aislar, evitar ruidos, separar las tierras y mantener un voltaje constante
hacia la etapa de potencia con la etapa digital, este garantiza que el microcontralador no
reciba tensiones ni corrientes elevadas y de retroalimentación. Para esta etapa se hizo uso
del opto-acoplador 6n137, observe en la figura 10. Encargado de separar las tierras del
microcontrolador con la etapa de potencia.
Figura 10. opto-acoplador 6n137 Fuente: Autor.
Se hizo uso del driver para Mosfet IR2110, driver de rápida respuesta entre los 120ns en
tiempo de encendido y 94ns en tiempo de apagado [1,2], además de tener la capacidad de
controlar dos MOSFET’S por cada driver, con una fuente de alimentación de 12 V para este
caso. En la Figura 11 se muestra el diagrama de conexión utilizado para esta etapa. Se
observa que las entradas HI1 y LI1 son las señales SPWM Alto/Bajo que corresponden a los
puertos S1 y S2 del microcontrolador observe en la figura 2. Las salidas HO1, COM1, LO1
son las señales que activaran las secuencias de disparo de los Mosfet’s del Inversor Trifásico
observe figura 12. Este montaje es igual para cada par de Mosfet de la etapa del inversor
trifásico.
Figura 11. Driver IR2110 Fuente: Autor.
Para el montaje de este circuito se calculó el condensador de bootstrap por medio de la
ecuación (1).
(1)
Se eligió un condensador 15 veces mayor al calculado, por sugerencia del fabricante.
Condensador de 3,3uf electrolítico.
Para el diodo de bootstrap se hizo uso del fr105, diodo de rápido switcheo [3].
3.3. Etapa de potencia
Esta etapa se compone de un inversor trifásico, la cual utiliza 6 Mosfet’s IRFP450, los cuales
tiene una capacidad de tensión de 500V y soporta una corriente de 14 A, estos valores
corresponden a la capacidad entre Drain-Source [4], con una velocidad de encendido de
17ns y de apagado de 92ns; el cual es eficaz para hacer un control optimo del motor trifásico
de ½ HP, las señales recibidas por parte del driver son conmutadas por los Mosfet’s y por
medio de la configuración del montaje estas conmutaciones generan 3 señales R, S y T
alternas desfasadas 120 grados entre ellas, las cuales son equivalentes a las señales que se
observan en una fuente trifásica normal utilizada para el uso de motores trifásicos. A estas
tres señales generadas se conecta el motor y por medio de la variación de la frecuencia
desde el microcontrolador se puede variar la velocidad de giro del motor sin afectar sus
condiciones de funcionamiento. El diagrama circuital del montaje del inversor trifásico se
puede observar en la Figura 12.
Figura 12. Inversor Trifásico de Potencia. Fuente: Autor.
3.4. Fuente de alimentación
La fuente de alimentación DC está compuesta de un puente rectificador monofásico el cual
hace la conversión de AC a DC, un condensador de 6800uf a 250 voltios el cual filtra la
señal, hace que esta sea continua y eleva el voltaje 115V RMS a los 162V pico en DC
observe en la Figura 14.
Para garantizar una correcta salida en las fuentes DC y evitar ruidos que contiene la red, se
hizo uso de un filtro de línea 5VK3 observe Figura 13, el cual está compuesto de un arreglo
de resistencias, condensadores y bobinas, y con esto se elimina cualquier tipo de ruido que
pueda afectar el microcontrolador y los demás circuitos.
Figura 13. Diagrama Filtro de Línea 5KV3. Fuente: Autor.
Figura 14. Diagrama circuital Fuente DC 160V. Fuente: Autor.
3.5. Interfaz gráfica en python
Python es una multiplataforma que posee una licencia de código abierto la cual brinda una
forma sencilla, flexible y practica para realizar la programación ya que su lenguaje es joven,
semi interpretado y orientado a objetos, por consiguiente es asequible a cualquier usuario,
En la elaboración de la interfaz se hizo uso de la librería Tkinter que es una implementación
de la biblioteca Tcl/Tk para la programación grafica de ventanas, además es considerada
estándar para la interfaz gráfica de usuario (GUI), en la que se pueden elaborar botones,
etiquetas, cuadros de texto, insertar imágenes, predeterminar colores, tamaños, entre otros,
a través de funciones ya establecidas, para así desarrollar un entorno más amigable [5,6].
En esta interfaz se logró que el usuario pueda encender o apagar el motor, variar la
velocidad y observar las revoluciones por minuto (RPM) del motor. Se puede observar el
entorno de la interfaz en la Figura 15.
Figura 15. Entorno de la interfaz gráfica en python. Fuente: Autor.
La comunicación que se implementó para este dispositivo con la interfaz gráfica fue mediante
el protocolo RS232, aprovechando que este ya está dentro del Microcontrolador PSoC 5 LP
prototype y es compatible con todo computador.
4. Resultados
Se realizaron pruebas de laboratorio con tres cargas resistivas a 60 watts, mostrando como
resultado las señales que se muestran a continuación y que corresponden a las señales de
salida entre nodos RS, RT y ST respectivamente..
En la Figura 16, Se puede observar las señales de salida entre la línea RS.
Figura 16. Señal de salida del inversor entre las líneas RS. Fuente: Autor.
En la Figura 17, Se puede observar las señales de salida entre la línea RT.
Figura 17. Señal de salida del inversor entre las líneas RT. Fuente: Autor.
En la Figura 18, Se puede observar las señales de salida entre la línea ST.
Figura 18. Señal de salida del inversor entre las líneas ST. Fuente: Autor.
En la Figura 19 se observa la señal entre la línea RS filtrada por medio del filtro digital que posee el
Oscloscopio RIGOL. Y con esto verificamos que la señal reconstruida es sinusoidal y que es
apropiada para que el motor no sufra pueda operar.
Figura 19. Señal de salida filtrada. Fuente: Autor.
En la Figura 20, se observa la comparación entre dos de las señales filtradas y en las cuales
se observa el desfase entre señales de 120° una de la otra.
Figura 20. Comparación señales filtradas. Fuente: Autor.
5. Costos
Para la realización de este dispositivo se utilizaron los siguientes componentes y su
respectivo precio Tabla 2, y en la Tabla 3 se especifican los gastos de personales y de
equipos utilizados, para así dar un valor monetario del costo del dispositivo.
Cantidad Componente Valor Unitario $ Valor Total $
1 PSoC 5 LP
Prototype 55.000 55.000
3 Driver IR2110 6.000 18.000
6 Mosfet IRFP450 6.000 36.000
1 Condensador
6800uf/250V 15.000 15.000
Condensadores
Varios 2.500 2.500
Resistencias
Varias 1.000 1.000
10 Diodos 1N4007 300 3.000
1 Puente 8.000 8.000
Rectificador
Componentes
Varios 10.000 10.000
6 PCB’s 15.000 90.000
Caja y montaje 80.000 80.000
Total 318.500
Tabla 2. Componentes Prototipo.
6. Mejoras a futuro
La proyección de este dispositivo es aumentar su capacidad de funcionamiento para
motores de mayor potencia, ya que estos en la industria son usados para maquinarias más
robustas y de mayor carga.
Se plantea la posibilidad de poder cambiar la comunicación RS232 del PSoC hacia la interfaz
gráfica por una comunicación inalámbrica tipo bluetooth u otra existente.
7. Conclusiones
Durante la realización de este prototipo encontramos muchos inconvenientes con
respecto a la parte de programación, pero gracias a las características y nuevas
funciones que contiene el microcontrolador PSoC 5 con respecto a los
microcontroladores del mercado, pudimos solucionar estos inconvenientes; un ejemplo
claro de estos problemas fue la parte de generar las señales y compararlas. El uso de
interrupciones que contiene el PSoC también fue de gran ayuda para captar pulsos y
reiniciar timmer sin necesidad de un extenso código de programación; el módulo de
comunicación serial que trae internamente el PSoC, evita costos y generación de
nuevas librerías dentro de la programación.
La utilización del MOSFET’s de potencia IRFP450 evito un elevado costo con respecto
al uso de transistores IGBT’s, sus características eléctricas y switcheo son similares y
soportan elevados voltajes y corrientes, con los que se pudo controlar el motor sin
inconvenientes.
Gracias a asesorías por parte de los docentes de la Universidad, pudimos elaborar
una fuente de voltaje DC de 160V alimentada por una entrada monofásica, y así se
evitó el uso de un puente rectificador de fuente trifásica.
Durante las pruebas de laboratorio se presentaron inconvenientes, en los cuales se
quemaban algunos componentes e incluso el microcontrolador, esto concluimos se
debía a errores de conexiones y falta de precaución al momento de corroborar cada
una de las señales que debían estar presentes en las señales de conmutación de los
Mosfet. En algunos casos tuvimos daños en el microcontrolador por aumentos de
corrientes en su fuente de alimentación.
En la investigación sobre la generación de señales SPWM encontramos diferentes
tipos de generación y aunque existen otras formas de generación más sencillas, como
por ejemplo el uso de vectores digitales, elegimos la forma de generación por
comparación de señales, esto con el fin de utilizar los beneficios que tiene el PSoC 5 y
una nueva forma de modulación que no se había utilizado en proyectos hechos en la
Universidad.
El uso de la plataforma python fue de gran ayuda, ya que maneja un lenguaje sencillo
de programación y posee gran cantidad de librerías dependiendo del uso que se le
quiera dar.
Después de estar tanto tiempo programando en PSoC Creator damos por concluir que
es de fácil manejo y se puede programar de diferentes maneras como los son por
hardware y/o por software y gracias a los beneficios del PSoC 5 LP se pueden llegar a
crear infinidad de proyectos por su capacidad de bloques análogos y digitales que en
el mercado son difíciles de encontrar.
El uso de semiconductores, y en este caso el uso de Mosfet, aunque es de gran ayuda
para la creación de nuevos proyectos deben ser utilizados de manera segura y estar
atentos a sus especificaciones técnicas de manejo, para así evitar daños en ellos y en
los circuitos cercanos.
Referencias
[1] International IOR rectifier, IR2110. Disponible en: http://www.irf.com/product-
info/datasheets/data/ir2110.pdf Consultado: Septiembre 20 de 2015
[2] International IOR rectifier, Application note AN-978. Disponible en:
http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-978.pdf Consulado: Noviembre 3 de 2015.
[3] Power Semiconductors, FR101 – FR107. Disponible en:
http://www.danomsk.ru/pdf/113157.pdf Consulado: Noviembre 20 de 2015.
[4] Power Mosfet Vishay, IRFP450 Disponible en:
http://www.vishay.com/docs/91233/91233.pdf Consultado: Septiembre 25 de 2015
[5] Python™, “Python2orPython3” Disponible
https://wiki.python.org/moin/Python2orPython3. Consultado: Noviembre 3 de 2015.
[6] Python™, “Tkinter — Python interface to Tcl/Tk” Disponible en:
https://docs.python.org/3/library/tkinter.html. Consultado: Noviembre 3 de 2015
[7] Muhammad H. Rashid, Electrónica de potencia. Circuitos, Dispositivos y Aplicaciones,
Editorial Pearson Educación, Segunda edición, 1995