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: lorenaruizovalle07@hotmail.com
**
Estudiante de Tecnología en electrónica de la universidad distrital Francisco José de Caldas Facultad tecnológica, Bogotá, Colombia, e-mail ivanleo1995@hotmail.com
***
Docente de Tecnología en electrónica de la universidad distrital Francisco José de Caldas Facultad tecnológica, Bogotá, Colombia, e-mail: jeporrasb@hotmail.com
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 tookinto 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 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 IR2110Fuente: 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.
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.
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.
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.
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.
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
