Accionamientos Eléctricos Tema 8

Accionamientos Eléctricos Tema 8
Accionamientos Eléctricos Tema 8. Control vectorial de Máquinas de Inducción INDICE DEL TEMA Introducción Control vectorial. Ventajas Control vectorial. Generalidades Nuevas tendencias en Accionamientos AC Aplicaciones del Control Vectorial Transformación de coordenadas Esquemas básicos. Lazos de regulación. Ecuaciones del control vectorial directo e indirecto Profesora: Mónica Chinchilla Sánchez Universidad Carlos III. Dpto. Ing. Eléctrica. Ingeniería Industrial, 5º curso

Máquinas dc Máquinas ac
1.Introducción Máquinas dc La fuerza magnetomotriz del inducido es perpendicular al flujo inductor. Máquinas ac Definición de Control Vectorial: control independiente del Flujo y el Par que producen las componentes de la corriente. Generalmente se aplica en los motores tipo jaula. El Control Vectorial también se conoce al con los nombres de Control de Campo Orientado (FOC) o Control Vectorial del Flujo (FVC) Motor dc

2. CONTROL VECTORIAL. Ventajas
Mejores prestaciones que el Control Escalar Los Motores de Inducción proveen un amplio rango de operación. El conjunto motor-accionamiento es relativamente de bajo costo

3. CONTROL VECTORIAL. Generalidades
Convertidores de Frecuencia Motor Asíncrono PRECIO TAMAÑO

La selección de la estrategia de control depende de los requerimientos del sistema a controlar, teniendo presenta las siguientes consideraciones: V/f Constante 50 Hz Vectorial indirecto 300 Hz Vectorial Sensorless 500 Hz Modo de Control Ancho de Banda

Modo de Control Vel. Min. Par nominal Reg. de Velocidad V/f constante 2 a 3 Hz 2 a 3 % Vectorial indirecto 1 Hz 1% Vectorial directo 0 Hz 0.01% Servo Brushless RENDIMIENTO DINÁMICO

MOTORES DE C.C. Y DE INDUCCIÓN
Los motores de C.C. están siendo sustituidos por otros debido a: su alto precio costoso mantenimiento y limitadas prestaciones dinámicas Los motores de Induccion AC son baratos pero debido a que el estator debe inducir un campo magnético en el rotor para que se produzca el movimiento, su eficiencia no es muy alta. Las prestaciones dinámicas no son tan buenas como en los motores brushless.

Donde se requieran altos pares de partida
4. APLICACIONES DEL CONTROL VECTORIAL Donde se requieran altos pares de partida Control total del par a bajas velocidades. EJEMPLOS: Líneas de fundición de acero Aplicaciones de enrollados (Carretes de alambres)

4. APLICACIONES DEL CONTROL VECTORIAL
EN LA INDUSTRIA EXISTEN NUMEROSAS APLICACIONES QUE REQUIEREN VINCULAR DOS EJES EN MOVIMIENTO EN FORMA RIGIDA MANTENIENDO LA POSICION RELATIVA ENTRE AMBOS CONSTANTE A TRAVES DEL TIEMPO. LAS SOLUCIONES MECANICAS TRADICIONALES: -CARDAN -CARDAN Y REDUCTOR -EJES VINCULADOS POR POLEAS-CORREAS -EJES VINCULADOS POR CADENAS EJE 1 CARDAN EJE 2 REDUCTOR EJE 2 EJE 1 CARDAN EJE 1 CADENA/CORREAS EJE 2

DESVENTAJAS - RIGIDEZ - DIFICULTAD PARA MODIFICAR RAPIDAMENTE LAS RELACIONES DE VELOCIDAD Y/O POSICION ENTRE LOS EJES DURANTE EL PROCESO LIMITACIONES PARA SU UTILIZACION: -VELOCIDADES MAXIMAS DE TRABAJO -PRESTACIONES EN REGIMENES INTERMITENTES CON ALTAS CADENCIAS POR MINUTO -ESPACIO FISICO -INTEGRACION A REDES ELECTRONICAS DE CONTROL

LA SOLUCION ELECTRICA UN ENCODER VINCULADO MECANICAMENTE AL EJE MOTOR (MASTER) SUMINISTRA EN CADA INSTANTE LA INFORMACION DE POSICION Y VELOCIDAD DE DICHO EJE A UN VARIADOR DE VELOCIDAD ELECTRONICO. EL VARIADOR CONTROLA UN MOTOR ELECTRICO PARA EL ACCIONAMIENTO DEL EJE SEGUIDOR (ESCLAVO) PARA MANTENER CORRECTAMENTE EN CADA INSTANTE LA RELACION DE POSICION Y VELOCIDAD ENTRE AMBOS EJES VARIADOR VELOCIDAD MAESTRO ESCLAVO

5. NUEVAS TENDENCIAS EN ACCIONAMIENTOS AC
Se investiga en: El modelo del motor debe seguir los cambios en los parámetros de la máquina debido al efecto de la saturación y la temperatura. Identificar la dinámica de la carga. Eliminar el sensor de velocidad o de posición debido a razones mecánicas y económicas (Sensorless).

6. CONTROL VECTORIAL. TRANSFORMACIÓN DE COORDENADAS
Transf. de sistema 3f a otro 2f dependiente del tiempo.(a,b) (*) Transf. de sistema 2f a otro también 2f, pero independiente de la posición angular.(d,q) (*) Ver matrices de cambio de coordenadas y de giro en tema 6

7. ESQUEMAS BÁSICOS DEL CONTROL VECTORIAL
TECNICAS DE CONTROL VECTORIAL La clasificación se realiza fundamentalmente según:: ORIENTACION DEL CAMPO MG DEL ROTOR ORIENTACION DEL CAMPO MG DE ESTATOR CONVERTIDOR EN FUENTE DE CORRIENTE CONVERTIDOR EN FUENTE DE TENSIÓN CONTROL INDIRECTO CONTROL DIRECTO

CV directo con convertidor en fuente de tensión

CV con convertidor en fuente de corriente

Resumen de la secuencia para la aplicación
7. ESQUEMAS BÁSICOS DEL CONTROL VECTORIAL Resumen de la secuencia para la aplicación del control vectorial Se toman muestras de 2 fases del motor. Conversión a sist. 2f indep. del tiempo. Comparación con las ref. para obtener el vector de I. Obtención del Vector de referencia. Transf. inversa de coordenadas. Modulación PWM. Señales de disparo.

8. Ecuaciones del control vectorial directo e indirecto de motores de inducción
8.1. INTRODUCCIÓN 8.2. TRANSFORMACIÓN DE LAS ECUACIONES DE LA MÁQUINA PARA EL CONTROL VECTORIAL 8.3. DIAGRAMA DE BLOQUES DEL MODELO DINÁMICO DE LA MÁQUINA DE INDUCCIÓN 8.4. CONTROL VECTORIAL DEL MOTOR DE INDUCCIÓN ALIMENTADO POR CONVERTIDOR QUE FUNCIONA COMO FUENTE DE CORRIENTE CONTROL VECTORIAL DIRECTO CONTROL VECTORIAL INDIRECTO

8.1 Introducción Las ecuaciones que representan el funcionamiento dinámico del motor de inducción son: Lµ es la inductancia mutua,  el ángulo que forma el eje fijo ligado al estator con el eje del rotor y Tc el par de carga. Recordemos que el valor de k es función de la definición de fasor espacial elegida

Vamos a representar las ecuaciones en función del flujo rotórico, pues, como veremos más adelante, nos permite desacoplar el control de flujo y el control de par desarrollado por la máquina. Las diferentes alternativas que existen para los posibles diagramas de control del motor de inducción según el tipo de funcionamiento del convertidor de alimentación son: Convertidor Fuente de corriente Control directo Control indirecto Fuente de tensión

8.2- TRANSFORMACIÓN DE LAS ECUACIONES DE LA MÁQUINA PARA EL CONTROL VECTORIAL El flujo rotórico referido a las coordenadas del estator. Dividiendo por la inductancia mutua L, se obtiene que es una corriente ficticia que al circular por la inductancia mutua genera

Transformación de la ecuación del par Debemos modificarla de manera que aparezca representado (a través de ). y sabiendo que Entonces: Se puede simplificar esta expresión, pues resulta que , ya que el producto da un número real, y la parte imaginaria de un número real es cero

Y la ecuación de par de la máquina queda:
8. Ecuaciones del control vectorial directo e indirecto de motores de inducción Referida a coordenadas de estator: Entonces, para obtener una expresión del par más clara: Fasores espaciales y referencias Y la ecuación de par de la máquina queda:

Y el par resulta ser: A partir de esta ecuación se llega a la conclusión de que manteniendo el flujo rotórico constante, es decir, con imr = cte, podemos controlar el par a partir de la componente de intensidad del estator isq.

Transformación de la ecuación del rotor puesto que la ecuación quedará:

Entonces, sustituyendo en esta ecuación el valor de obtenido de : : Y derivando: Simplificando y teniendo en cuenta que la cte. de tiempo del rotor es

se obtiene la siguiente expresión:
8. Ecuaciones del control vectorial directo e indirecto de motores de inducción Despejando se obtiene la siguiente expresión: y multiplicando por e-j, se obtiene una expresión de la corriente del estator desde la referencia del eje del flujo: Entonces, podemos separar en parte real e imaginaria, teniendo en cuenta los ángulos: Y en régimen permanente (w1 es la velocidad del campo magnético del rotor en régimen permanente).

De esta descomposición en ejes dq de la corriente del estator se obtienen dos conclusiones muy importantes en relación con el control de la máquina: A partir de isd se puede controlar el flujo rotórico de la máquina de inducción a través de imr. A partir de isq se consigue controlar el par si se mantiene el flujo rotórico constante. Con ello se han conseguido desacoplar los controles de flujo y de par: el esquema de control será mucho más claro y simple

8.3 DIAGRAMA DE BLOQUES DEL MODELO DINÁMICO DE LA MÁQUINA DE INDUCCIÓN Modelo dinámico del motor de inducción: isq isd imr Te w w2 wmr q Tc k 1 Tr.s+1 Tr s 1/J

8. 4. CONTROL VECTORIAL DEL MOTOR DE INDUCCIÓN ALIMENTADO POR CONVERTIDOR QUE FUNCIONA COMO FUENTE DE CORRIENTE En un convertidor en fuente de corriente las señales de entrada y salida del convertidor son las corrientes. Transformación de los ejes de la máquina Recordemos que para pasar a ejes dq, debemos expresar el fasor de corriente estatórica en coordenadas de campo (eje d sigue a imr):

Esto se traduce en el diagrama de bloques siguiente, donde se obtienen las corrientes isd e isq a partir de isa, isb e isc, realizando las transformaciones necesarias en los dos bloques añadidos:   Te tr s+1 Tc Valores de referencia de corriente

Sistema de control directo Construimos el sistema de control necesario para alimentar la máquina con los valores adecuados de corrientes estatóricas y conseguir la velocidad deseada a partir de unas referencias de flujo y velocidad.  Sistema de control en funcionamiento como fuente de corriente

De este modo, el convertidor toma las referencias de corriente isa*, isb* e isc* (obtenidas a partir de isd* e isq*), con las cuales debe generar las intensidades estatóricas de alimentación del motor. Se puede observar en el anterior diagrama que para realizar el control de velocidad es necesaria la realimentación de diferentes variables: w  se mide con un encoder para realimentarla y compararla con la consigna de referencia w*. También se puede hacer mediante un observador (“sensorless”) cuando es difícil meter un encoder en el sistema. El resto de variables realimentadas, , imr y Te se estiman a partir de un observador que es el propio modelo del motor. Las corrientes isa, isb, isc se miden constantemente con sondas de efecto Hall (basta con 2), a partir de las que se estima imr.

CONTROL VECTORIAL INDIRECTO DEL MOTOR DE INDUCCIÓN ALIMENTADO POR CONVERTIDOR QUE FUNCIONA COMO FUENTE DE CORRIENTE  Te

CONTROL VECTORIAL INDIRECTO
8. Ecuaciones del control vectorial directo e indirecto de motores de inducción Las variables realimentadas imr, Te y  son eliminadas para el cálculo de las referencias de corriente isd* e isq* Son sustituidas por un cálculo matemático realizado a partir de las ecuaciones de la máquina de inducción. Nos ahorramos el diseño de los reguladores de par y de flujo, siendo w la única variable necesaria para el control CONTROL VECTORIAL INDIRECTO Iqs e iqd se controlan separadamente para controlar el par y el flujo respectivamente. El flujo puede estimarse desde los terminales de tensión o de corriente (Modelo de U), o desde la corriente y la velocidad (Modelo de corriente). La variación de los parámetros de la máquina afecta el rendimiento estático y dinámico de la máquina.

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