Diana Fernanda Morales Rincón Jorge Olmedo Vanegas Serna DISEÑO DE UN CONTROLADOR DE VELOCIDAD PARA UN MOTOR DE INDUCCIÓN UTILIZANDO CONTROL VECTORIAL Diana Fernanda Morales Rincón Jorge Olmedo Vanegas Serna Ingeniería en Automática Industrial Universidad del Cauca
ESTRUCTURA DE LA SUSTENTACIÓN Por qué controlar un motor eléctrico? Motor de inducción versus motor DC. Técnicas de control utilizadas en los motores de inducción. Esquema de control vectorial directo con PPU controlada por voltaje. Resultados de la simulación. Conclusiones y recomendaciones. Preguntas.
POR QUÉ CONTROLAR UN MOTOR ELÉCTRICO? Porque los equipos utilizados en la industria moderna funcionan a velocidades variables. Porque conlleva al ahorro de energía, a la reducción de ruido, al incremento de la vida del motor y a la posibilidad de diagnostico de fallas.
POR QUÉ CONTROLAR UN MOTOR ELÉCTRICO? Para lograr una adecuada productividad. Para lograr una buena terminación del producto elaborado. Para garantizar la seguridad de personas y bienes.
ESTRUCTURA DE LA SUSTENTACIÓN Por qué controlar un motor eléctrico? Motor de inducción versus motor DC. Técnicas de control utilizadas en los motores de inducción. Esquema de control vectorial directo con PPU controlada por voltaje. Resultados de la simulación. Conclusiones y recomendaciones. Preguntas.
MOTOR DE INDUCCIÓN VERSUS MOTOR DC Característica Motor DC Motor de Inducción Conmutación A través de escobillas No requiere conmutación Mantenimiento Requiere periódicamente Menores requerimientos ya que no tiene escobillas Requerimientos de control Simple y económico Complejo y costoso Costo de construcción Bajo Más bajo
MOTOR DE INDUCCIÓN VERSUS MOTOR DC Característica Motor DC Motor de Inducción Característica par – velocidad Moderadamente plana. A altas velocidades la fricción de las escobillas aumenta reduciendo el par útil No lineal. Par bajo a bajas velocidades Eficiencia Moderada Alta. No hay caída de voltaje a través de las escobillas Generación de ruido eléctrico Si. El arco en las escobillas genera ruido, el cual causa inducción electromagnética en los equipos cercanos Menor
MOTOR DE INDUCCIÓN VERSUS MOTOR DC Característica Motor DC Motor de Inducción Potencia de salida por tamaño de carcasa Moderada / baja. El calentamiento producido por la armadura se disipa en el aire del entrehierro, de esta manera incrementa la temperatura y las especificaciones límite. Alto. Tamaño reducido debido a superiores características térmicas. Ya que tiene las bobinas en el estator, el cual está conectado a la carcasa, la disipación del calentamiento es mejor Inercia del rotor Alta. Limita las características dinámicas Baja. Porque tiene barras cortocircuitadas en el rotor. Esto mejora la respuesta dinámica
MOTOR DE INDUCCIÓN VERSUS MOTOR DC El motor de inducción está desplazando a el motor DC en gran cantidad de aplicaciones gracias a: Su construcción más simple, menor costo, inercia del rotor, tamaño y peso para la misma potencia en el eje y la menos frecuente necesidad de mantenimiento El aprovechamiento del desempeño en los dispositivos de conmutación electrónicos de potencia y su bajo costo. La posibilidad de llevar a cabo algoritmos complejos en los nuevos microprocesadores.
MOTOR DE INDUCCIÓN VERSUS MOTOR DC Crecimiento del mercado del motor de inducción
MOTOR DE INDUCCIÓN VERSUS MOTOR DC Entre los dispositivos o equipos que utilizan un motor de inducción están: Transportadoras Bombas Ventiladores Elevadores Compresores Trituradoras Molinos Trapiches Extrusoras Prensas Electrodomésticos Vehículos Eléctricos Maquinas Herramientas Etcétera
ESTRUCTURA DE LA SUSTENTACIÓN Por qué controlar un motor eléctrico? Motor de inducción versus motor DC. Técnicas de control utilizadas en los motores de inducción. Esquema de control vectorial directo con PPU controlada por voltaje. Resultados de la simulación. Conclusiones y recomendaciones. Preguntas.
TÉCNICAS DE CONTROL UTILIZADAS EN LOS MOTORES DE INDUCCIÓN Constitución física del motor
TÉCNICAS DE CONTROL UTILIZADAS EN LOS MOTORES DE INDUCCIÓN Para controlar el motor de inducción, éste debe alimentarse con tres voltajes o corrientes de fase de frecuencia y amplitud variable. Para obtener las condiciones de alimentación anteriores, las técnicas de control pueden clasificarse en tres grandes categorías: Control escalar Control vectorial Control directo del par
TÉCNICAS DE CONTROL UTILIZADAS EN LOS MOTORES DE INDUCCIÓN Control escalar Está basado en el modelo estático del motor de inducción Consiste en mantener la relación V/F constante También es llamado control V/F (voltaje/frecuencia) Su desempeño es bajo debido a que regula pobremente el flujo del campo magnético a velocidades bajas y además no permite controlar el par electromagnético del motor Es simple de implementar y económico
TÉCNICAS DE CONTROL UTILIZADAS EN LOS MOTORES DE INDUCCIÓN Control escalar ws = c . f T / Tn f = 15 Hz f = 30 Hz f = 45 Hz f = 60 Hz 2.5 2.0 P a r 1.5 1.0 Operación normal 0.5 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 w / ws wn Velocidad
TÉCNICAS DE CONTROL UTILIZADAS EN LOS MOTORES DE INDUCCIÓN Control escalar Vmotor f / Hz Vn velocidad base 60 Hz
TÉCNICAS DE CONTROL UTILIZADAS EN LOS MOTORES DE INDUCCIÓN Control vectorial Utiliza el modelo dinámico del motor de inducción Permite tratar el motor de inducción de la misma manera que el motor de corriente continua de excitación independiente Referencia el sistema trifásico alterno del estator y el equivalente del rotor a un sistema de coordenadas ortogonales no estacionario, el cual gira Transformaciones de Clarke y Park
TÉCNICAS DE CONTROL UTILIZADAS EN LOS MOTORES DE INDUCCIÓN Control vectorial b b d q v Clarke Park a b c d q 3 fases Estacionarias Cantidades AC 2 fases Rotantes Cantidades DC q a a c
TÉCNICAS DE CONTROL UTILIZADAS EN LOS MOTORES DE INDUCCIÓN Control vectorial b c a d q
TÉCNICAS DE CONTROL UTILIZADAS EN LOS MOTORES DE INDUCCIÓN Control vectorial Es posible asumir cualquier valor arbitrario para la velocidad de giro del sistema de coordenadas ortogonales dq Sin embargo, se elige que el sistema de coordenadas ortogonales gire sincrónicamente con el flujo enlazado del rotor También llamado control por campo orientado (FOC por sus iniciales en inglés)
TÉCNICAS DE CONTROL UTILIZADAS EN LOS MOTORES DE INDUCCIÓN Control vectorial q q d q d is q d s r a, d
TÉCNICAS DE CONTROL UTILIZADAS EN LOS MOTORES DE INDUCCIÓN Control vectorial Existen dos métodos para la adquisición del flujo enlazado del rotor Control vectorial directo Control vectorial indirecto
TÉCNICAS DE CONTROL UTILIZADAS EN LOS MOTORES DE INDUCCIÓN Control vectorial directo El flujo enlazado del rotor se adquiere a través de Sensores de efecto Hall Bobinas en el estator Se estima a partir del modelo del motor y las corrientes medidas en el estator También llamado control feedback del flujo
TÉCNICAS DE CONTROL UTILIZADAS EN LOS MOTORES DE INDUCCIÓN Control vectorial directo
TÉCNICAS DE CONTROL UTILIZADAS EN LOS MOTORES DE INDUCCIÓN Control vectorial directo
TÉCNICAS DE CONTROL UTILIZADAS EN LOS MOTORES DE INDUCCIÓN Control vectorial directo
TÉCNICAS DE CONTROL UTILIZADAS EN LOS MOTORES DE INDUCCIÓN Control vectorial directo
TÉCNICAS DE CONTROL UTILIZADAS EN LOS MOTORES DE INDUCCIÓN Control vectorial indirecto Se impone desde el control el valor de flujo enlazado del rotor y el valor del par electromagnético El cálculo del vector espacial de flujo enlazado del rotor no depende de las condiciones en los terminales de la máquina También llamado control feedforward del flujo
TÉCNICAS DE CONTROL UTILIZADAS EN LOS MOTORES DE INDUCCIÓN Control vectorial indirecto
TÉCNICAS DE CONTROL UTILIZADAS EN LOS MOTORES DE INDUCCIÓN Control vectorial indirecto Bloque cálculo de variables a partir de referencias:
TÉCNICAS DE CONTROL UTILIZADAS EN LOS MOTORES DE INDUCCIÓN Control directo del par Se fundamenta en el control del par electromagnético de la máquina y del flujo enlazado en el estator La posición de los interruptores del convertidor de potencia se determina directamente por el estado electromagnético del motor Selecciona el vector espacial de voltaje más apropiado para un puente inversor
TÉCNICAS DE CONTROL UTILIZADAS EN LOS MOTORES DE INDUCCIÓN Control directo del par Circuito DC intermedio Rectificador Inversor L C M 3~ F u e n t Control electrónico (mP)
TÉCNICAS DE CONTROL UTILIZADAS EN LOS MOTORES DE INDUCCIÓN Control directo del par V0 (0, 0, 0) V4 (0, 1, 1) 1 1 1 V1 (1, 0, 0) V5 (0, 0, 1) a b c V2 (1, 1, 0) V6 (1, 0, 1) V3 (0, 1, 0) V7 (1, 1, 1)
TÉCNICAS DE CONTROL UTILIZADAS EN LOS MOTORES DE INDUCCIÓN Control directo del par
TÉCNICAS DE CONTROL UTILIZADAS EN LOS MOTORES DE INDUCCIÓN Control directo del par El algoritmo de control selecciona el vector espacial de la tensión del estator que maximiza el cambio necesario Las variables de par electromagnético y flujo enlazado del estator se estiman a partir de: Los valores instantáneos de las corrientes del estator Del vector de interrupciones del inversor Del voltaje DC del inversor
TÉCNICAS DE CONTROL UTILIZADAS EN LOS MOTORES DE INDUCCIÓN Control directo del par
TÉCNICAS DE CONTROL UTILIZADAS EN LOS MOTORES DE INDUCCIÓN Característica Control Escalar Vectorial Indirecto Vectorial Directo Directo del Par Desempeño dinámico Bajo Medio Alto Muy alto Rango de velocidad Desde el 5% de la velocidad nominal Desde velocidad cero Rango de par 80% del par nominal Par nominal a velocidad cero Construcción Básica Simple Compleja Muy compleja Precio Económico Moderado Costoso Muy Costoso
TÉCNICAS DE CONTROL UTILIZADAS EN LOS MOTORES DE INDUCCIÓN Selección de la técnica de control a utilizar La necesidad de asimilar una tecnología de punta en el campo de control de motores de inducción El interés de aportar al enriquecimiento académico del diseño de controladores avanzados para el motor de inducción El objetivo de conseguir mejoras en las características dinámicas y en el consumo energético del motor de inducción
TÉCNICAS DE CONTROL UTILIZADAS EN LOS MOTORES DE INDUCCIÓN Selección de la técnica de control a utilizar El compromiso de una buena relación esfuerzo/beneficio Las anteriores condiciones conllevan a seleccionar el método de control vectorial directo como la técnica de control a utilizar en este trabajo
ESTRUCTURA DE LA SUSTENTACIÓN Por qué controlar un motor eléctrico? Motor de inducción versus motor DC. Técnicas de control utilizadas en los motores de inducción. Esquema de control vectorial directo con PPU controlada por voltaje. Resultados de la simulación. Conclusiones y recomendaciones. Preguntas.
ESQUEMA DE CONTROL VECTORIAL DIRECTO CON PPU CONTROLADA POR VOLTAJE
ESQUEMA DE CONTROL VECTORIAL DIRECTO CON PPU CONTROLADA POR VOLTAJE CONTROLADORES PI DEBILITAMIENTO DE CAMPO
CONTROLADORES PI El diseño de los controladores PI se realizó de acuerdo a los términos de control Frecuencia de corte (wc) Margen de fase (PM) Estos términos de control permiten calcular fácilmente las constantes de los controladores PI utilizando los parámetros del motor y la frecuencia de conmutación de la PPU
CONTROLADORES PI Las ecuaciones utilizadas son:
CONTROLADORES PI El esquema de control vectorial utilizado es un esquema de control en cascada Para diseñar los cuatro controladores PI se utilizó el modelo del motor en variables de estado, donde el eje-d está alineado con el vector espacial de flujo enlazado del rotor
CONTROLADORES PI Las ecuaciones del modelo son:
CONTROLADORES PI Los cuatro controladores PI diseñados son: Flujo enlazado del rotor Corriente del eje-d Velocidad Corriente del eje-q
CONTROLADORES PI FLUJO ENLAZADO DEL ROTOR
CONTROLADORES PI FLUJO ENLAZADO DEL ROTOR
CONTROLADORES PI CORRIENTE DEL EJE-d
CONTROLADORES PI CORRIENTE DEL EJE-d
CONTROLADORES PI VELOCIDAD
CONTROLADORES PI VELOCIDAD
CONTROLADORES PI CORRIENTE DEL EJE-q Constantes del controlador iguales a las de la corriente del eje-d
CONTROLADORES PI SELECCIÓN DE LA FRECUENCIA DE CORTE Y DEL MARGEN DE FASE El control en cascada requiere que la frecuencia de corte (velocidad de respuesta) incremente hacia el lazo más interno Los lazos de corriente son los más rápidos y los lazos de velocidad y flujo enlazado del rotor los más lentos
CONTROLADORES PI SELECCIÓN DE LA FRECUENCIA DE CORTE Y DEL MARGEN DE FASE Frecuencia de corte de los lazos de corriente Frecuencia de corte de los lazos de velocidad y flujo enlazado del rotor
CONTROLADORES PI SELECCIÓN DE LA FRECUENCIA DE CORTE Y DEL MARGEN DE FASE Para una respuesta dinámica satisfactoria sin oscilaciones, se elige que todos los márgenes de fase sean mayores a 45º, preferiblemente cerca de 60º
ESQUEMA DE CONTROL VECTORIAL DIRECTO CON PPU CONTROLADA POR VOLTAJE CONTROLADORES PI DEBILITAMIENTO DE CAMPO
DEBILITAMIENTO DE CAMPO El módulo recibe como entrada la velocidad del rotor y entrega la señal de referencia para el lazo de control del flujo enlazado del rotor Para valores de velocidad por debajo de la velocidad nominal, el flujo enlazado del rotor se mantiene en su valor nominal Para valores por encima de la velocidad nominal, el flujo enlazado del rotor se reduce de acuerdo con el modo de debilitamiento de flujo
DEBILITAMIENTO DE CAMPO El módulo permite extender el rango de control de la velocidad a valores superiores a la velocidad nominal l r l r - n wmech - n wmech
DEBILITAMIENTO DE CAMPO Restricciones para extender el rango de velocidad por encima de la velocidad nominal Los voltajes de fase Incrementan con la velocidad y su valor no puede exceder el valor nominal Las corrientes de fase Incrementan con la carga mecánica, por lo tanto el par nominal en el motor necesita establecerse en un valor tal que mantenga las corrientes de fase en un nivel menor o igual a su valor nominal
DEBILITAMIENTO DE CAMPO Voltajes de fase Vmotor wmech campo constante debilitamiento de campo Vn wmech-n
DEBILITAMIENTO DE CAMPO Corrientes de fase Par Parmax Pn = Parn * wmech - n Parnom wmech - n wmech
DEBILITAMIENTO DE CAMPO Corrientes de fase Par Par constante Potencia constante Potencia * velocidad constante Parmax Parnom wmech - n wmech
DEBILITAMIENTO DE CAMPO Pasos para el cálculo del módulo Cálculo del flujo de referencia para el rango de velocidad normal Cálculo del punto de cruce entre las curvas de par nominal y par máximo Cálculo del flujo de referencia para la zona de potencia constante Cálculo del flujo de referencia para la zona de potencia*velocidad constante
DEBILITAMIENTO DE CAMPO Ecuaciones para el cálculo del módulo 1. 3. 4. 2.
DEBILITAMIENTO DE CAMPO
ESTRUCTURA DE LA SUSTENTACIÓN Por qué controlar un motor eléctrico? Motor de inducción versus motor DC. Técnicas de control utilizadas en los motores de inducción. Esquema de control vectorial directo con PPU controlada por voltaje. Resultados de la simulación. Conclusiones y recomendaciones. Preguntas.
RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN Se realizaron cuatro pruebas: Arranque en línea con el par de carga nominal conectado al eje del motor Respuesta a la variación del par de carga Seguimiento de un perfil de velocidad Variación de Parámetros
RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN Arranque en línea con el par de carga nominal conectado al eje del motor Lazo Abierto Lazo Cerrado
RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN Respuesta a la variación del par de carga Lazo Abierto Lazo Cerrado
RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN Seguimiento de un perfil de velocidad
RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN Variación de parámetros
RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN Variación de parámetros Variación de Lm
RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN Variación de parámetros Variación de Lm Característica Sobre Impulso Tiempo de Establecimiento Tem wmech 110% 90%
RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN Variación de parámetros Variación de Rr
RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN Variación de parámetros Variación de Rr Característica Sobre Impulso Tiempo de Establecimiento Tem wmech 110% 90%
ESTRUCTURA DE LA SUSTENTACIÓN Por qué controlar un motor eléctrico? Motor de inducción versus motor DC. Técnicas de control utilizadas en los motores de inducción. Esquema de control vectorial directo con PPU controlada por voltaje. Resultados de la simulación. Conclusiones y recomendaciones. Preguntas.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Se ha presentado el método de control vectorial directo aplicable al control de velocidad de motores de inducción El control vectorial permite controlar con exactitud el motor de inducción El grado de exactitud del control vectorial depende de la correcta estimación de los parámetros del motor
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Las simulaciones verifican el buen comportamiento del método de control vectorial directo tanto para rangos de velocidad normal como para rangos de velocidad extendida Este trabajo ha contribuido y fortalecido el enriquecimiento académico enfocado al control de motores de inducción con rotor jaula de ardilla Los convertidores comerciales no se pueden aprovechar como PPU dentro del esquema de control utilizado
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Simular el esquema de control vectorial considerando los siguientes efectos: Saturación del circuito magnético del motor de inducción Cuantificación de las variables (debido a la conversión analógica – digital en los sensores) El muestreo, característico de los sistemas discretos
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Desarrollo o adquisición de la infraestructura tecnológica necesaria para la implementación de las técnicas de control para motores de inducción Validación en forma práctica de los resultados teóricos alcanzados hasta este momento
ESTRUCTURA DE LA SUSTENTACIÓN Por qué controlar un motor eléctrico? Motor de inducción versus motor DC. Técnicas de control utilizadas en los motores de inducción. Esquema de control vectorial directo con PPU controlada por voltaje. Resultados de la simulación. Conclusiones y recomendaciones. Preguntas.
PREGUNTAS
GRACIAS