El control de la velocidad de motores de corriente alterna

El control de la velocidad de motores de corriente alterna (ca) ha adquirido gran auge en los últimos años, debido a las ventajas de este tipo de motores y al desarrollo de algoritmos de control cada vez más potentes. El uso de procesadores digitales de señales (DSP) para el desarrollo de modernas técnicas de control brinda a los sistemas gran eficiencia y resolución. El sistema diseñado en este trabajo de tesis está basado en las técnicas de control vectorial o control por campo orientado [1], muy usadas en la actualidad en este tipo de motores. El trabajo se realiza sobre la base de un procesador digital de señales (DSP), de la familia TMS320C2xx de Texas Instruments, específicamente el TMS320F240. Estos procesadores presentan una serie de características optimizadas para aplicaciones de control de motores lo cual da al sistema una gran flexibilidad.

El trabajo de tesis incluye una explicación teórica del control por campo orientado, las características y funcionamiento del hardware y el software del sistema, así como las pruebas realizadas y los resultados obtenidos. Con este fin se ha estructurado el mismo en los siguientes capítulos:

El Capítulo 1 ofrece una descripción general del trabajo a realizar, la definición del problema a resolver, los objetivos propuestos con el mismo y su justificación tanto docente como desde el punto de vista de investigación. Se ofrece además una panorámica del estado del arte en esta rama con un resumen de los trabajos más relevantes en el área de control de motores en los últimos años.

El Capítulo 2 brinda el marco teórico necesario para comprender el funcionamiento de un sistema de control vectorial o por campo orientado, explicando el funcionamiento de esta técnica y la fundamentación matemática de la misma.

El Capítulo 3 describe el hardware del sistema de control, explicando el funcionamiento de cada uno de los bloques que lo integran. Se ofrece además una breve explicación del funcionamiento de la tarjeta evaluadora (kit) del DSP utilizada en el trabajo así como de las características, arquitectura y funcionamiento de los principales componentes del procesador TMS320F240.

El Capítulo 4 explica el esquema general del software del sistema, la función de cada bloque y la estructura del programa propuesta.

El Capítulos 5 ofrece los detalles de implementación del software del sistema, comenzando por la etapa de entrada, a continuación los módulos que forman la etapa de control por campo orientado y finalmente el diseño de la etapa de salida.

El Capítulo 6 expone las principales pruebas realizadas, tanto desde el punto de vista de simulación, como en la programación del algoritmo de control de velocidad en el DSP, brindando los principales resultados experimentales alcanzados con las mismas.

Por último se muestran las conclusiones y recomendaciones del trabajo, la bibliografía utilizada y un conjunto de anexos que comprenden los diagramas funcionales y eléctricos de los principales módulos del sistema, así como el listado completo de los programas elaborados en el trabajo.

CAPÍTULO 1

Descripción y objetivos del trabajo de tesis

INTRODUCCIÓN

Este capítulo presenta una descripción general del trabajo de tesis, la definición del problema a resolver, así como los objetivos, justificación y antecedentes del mismo.

• Descripción general del trabajo.

En los últimos años, los motores de corriente alterna han adquirido gran auge en muchas aplicaciones industriales. El desarrollo alcanzado en los convertidores electrónicos de potencia (inversores, excitadores, etc.), los microprocesadores, así como las nuevas técnicas de control, permiten enfrentar los problemas de control de motores con métodos novedosos de procesamiento digital de señales, muy difíciles de llevar a la práctica unos años atrás.

El control vectorial o por campo orientado [1,2] y el uso de procesadores digitales de señales (DSP) para la realización de estos algoritmos, son temas reportados continuamente en la literatura especializada. Los laboratorios y centros de investigación dedicados al desarrollo de sistemas de control de motores, deben poseer la infraestructura tecnológica necesaria para asumir los retos de investigación y docencia en este campo.

Este trabajo está enmarcado en un proyecto de investigación y desarrollo de la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación en Ingeniería Eléctrica de la Escuela Superior de Ingeniería Eléctrica y Mecánica (SEPI-ESIME), del Instituto Politécnico Nacional (IPN), encaminado al desarrollo de un sistema de control vectorial de la velocidad de un motor de inducción usando una tarjeta de evaluación (kit) del procesador digital de señales TMS320F240.

Para realizar un análisis de la problemática a resolver en este trabajo de tesis, debemos partir de las siguientes interrogantes:

• 1- ¿Por qué controlar motores de corriente alterna?

• 2- ¿Por qué el uso del control vectorial o por campo orientado?

• 3- ¿Por qué el uso de los procesadores digitales de señales (DSP) en este campo?

La respuesta a la primera pregunta radica en las ventajas que ofrecen los motores de corriente alterna (ca), asincrónicos o de inducción sobre los de corriente directa (cd) entre las cuales se encuentran las siguientes:

1- Menor costo.

2- Menor volumen, tamaño y peso.

3- Menor inercia del rotor.

4- Mayores niveles de voltaje.

5- Mayor eficiencia.

6- Mayor velocidad del rotor.

7- Menores niveles de ruido.

8- Menor mantenimiento.

9- Posibilidad de utilización en cualquier tipo de medio.

Por estas razones los motores de inducción han ido desplazando a los de corriente directa en una gran cantidad de aplicaciones entre las cuales se pueden mencionar:

1- Electrodomésticos (lavadoras, ventiladores, equipos de aire acondicionado, etc.).

2- Aplicaciones industriales (inversores, robots, servomecanismos, etc.).

3- Industria automotriz y otras.

Sin embargo, durante muchos años, el control de motores de inducción, se dificultaba considerablemente debido a que los mismos presentan los siguientes inconvenientes [3]:

• 1- Estructura de control no lineal que da lugar a ecuaciones matemáticas complejas las cuales hacen difícil la programación de algoritmos de control.

• 2- Oscilación de parámetros eléctricos en saturación que dependen de la influencia de la temperatura.

3- Control multivariable, es decir, dependiente de varias condiciones simultáneamente.

4- Alto grado de acoplamiento entre el flujo magnético y el par (torque), a diferencia de los motores de corriente directa, donde estos dos vectores al ser ortogonales están perfectamente desacoplados, facilitando su control.

El control vectorial o por campo orientado, respondiendo la segunda interrogante, ha ofrecido soluciones a los problemas anteriores mediante modelos y ecuaciones que permiten obtener un comportamiento dinámico del motor de inducción similar al de un motor de corriente directa.

La base del control por campo orientado consiste en transformar el modelo dinámico de un motor de ca, de un marco de referencia trifásico estacionario, el cual está caracterizado por ecuaciones no lineales complejas, a un marco de referencia bifásico rotatorio en un plano imaginario llamado d,q, en el cual se puede realizar el control de las variables del motor mediante un modelo más simple (modelo de campo orientado), logrando un comportamiento dinámico semejante al de un motor de cd. La explicación teórica del control por campo orientado y la fundamentación matemática del mismo será explicada en el capítulo 2.

Aunque los fundamentos del control vectorial fueron enunciados en la década de los años 70, es en los últimos años donde han adquirido mayor auge, debido en lo fundamental a que hasta entonces la tecnología electrónica y de cómputo existente, no permitía la realización de estos algoritmos con los requerimientos de velocidad y capacidad de cálculo requerida.

El uso de los DSPs, respondiendo a la tercera interrogante, ha permitido entre otras las siguientes ventajas en los sistemas de control [3]:

• 1- Posibilidad de trabajo en tiempo real, dada la velocidad de procesamiento de estos dispositivos.

• 2- Mayor potencialidad y resolución en cálculos matemáticos complejos, muy difíciles de lograr con procesadores convencionales.

• 3- Permite el desarrollo de algoritmos de control sin sensores, reduciendo considerablemente el número de componentes de los sistemas.

• 4- Utilización de arquitecturas de DPSs optimizadas para control de motores que incorporan entre otras prestaciones, la generación de señales de modulación por ancho de pulso (PWM), para el control de inversores trifásicos, la utilización de unidades de captura para el cálculo de posición y velocidad de rotores y las unidades de adquisición de datos incorporadas al chip.

Otras aplicaciones avanzadas de control usando DSPs son:

• 1- Uso de técnicas de control inteligente, como las redes neuronales y el control difuso, para controles multivariables y sistemas complejos.

• 2- Control adaptivo, es decir, la posibilidad de generar algoritmos que se adapten en tiempo real al comportamiento del sistema y lo controlen.

• 3- Uso de las técnicas de análisis espectral que permitan control de vibraciones mecánicas y predicción de fallas.

• Definición del problema.

Teniendo en cuenta las respuestas dadas en el epígrafe anterior, este trabajo de tesis debe resolver entonces la siguiente problemática:

¿ Cómo implementar un algoritmo de control vectorial de la velocidad de un motor de inducción usando un procesador digital de señales (DSP)?

La solución a este problema permitirá disponer de una infraestructura tecnológica, no existente en estos momentos en la SEPI-ESIME para el desarrollo de algoritmos de control de motores de inducción con fines tanto docentes como de investigación.

• Objetivos generales y específicos.

1.3.1 Objetivo general.

Desarrollo y puesta en marcha de un sistema de control de velocidad de motores de inducción usando procesadores digitales de señales (DSPs), mediante técnicas de control vectorial o por campo orientado, con propósitos de investigación y docencia en este campo.

1.3.2 Objetivos específicos.

1- Diseño, montaje y puesta en marcha de un sistema de control de la velocidad de un motor de inducción basado en una tarjeta de evaluación del DSP TMS320F240.

2- Programación del método directo[1] de control por campo orientado en la tarjeta de evaluación del DSP.

3- Verificación de resultados experimentales mediante la comparación con los obtenidos por técnicas de simulación, utilizando la herramienta "Simulink" de Matlab.

• Justificación.

1- Necesidad de asimilación de una tecnología de punta en el campo del control de motores y en general de la electrónica de potencia.

2- La literatura especializada en el tema de control de motores, reporta constantemente resultados experimentales que avalan los algoritmos que se proponen, lo cual hace imprescindible contar con la infraestructura necesaria para desarrollarlos.

3- Necesidad de disponer del equipamiento necesario para labores de investigación y docencia en esta área.

• Antecedentes.

El control vectorial de motores de inducción ha sido un tema muy referenciado en la literatura especializada desde la década de los años 70. El desarrollo de la microelectrónica y en especial de los microprocesadores, ha permitido la validación de forma experimental de muchos algoritmos de control vectorial que hasta entonces, debido a las limitaciones de velocidad, memoria y potencialidad de los sistemas de cómputo, no se habían podido implementar en forma práctica.

En este epígrafe se analizan algunas soluciones dadas en esta área en los últimos años. Las fuentes bibliográficas fundamentales que sirvieron de base a la realización de este trabajo son las siguientes:

• 1- Publicaciones de IEEE/IAS los cuales reportan lo más novedoso en esta temática, basados en los eventos internacionales más relevantes de esta organización.

• 2- Página WEB de Texas Instruments (www.ti.com), en la cual se pueden encontrar tanto los manuales de usuario de los DSPs, como un conjunto de reportes y notas de aplicación de gran utilidad.

• 3- Trabajos de tesis relacionados con el tema realizados anteriormente en la SEPI-ESIME.

Los antecedentes más importantes en este campo pueden agruparse en las siguientes temáticas:

1- Control de motores de inducción sobre la base de microprocesadores de propósito general (década del 70- 80).

2- Control de motores usando DSPs.

3- Técnicas de medición sin sensores ("sensorless").

4- Control difuso aplicado al control de motores de ca.

A continuación se mencionan algunos trabajos relacionados con el tema, los cuales reflejan la utilización de los microprocesadores de distintas generaciones en la programación de algoritmos de control vectorial de motores, realizándose en cada caso una valoración de los mismos.

1- Título: Sistema de control vectorial para motores de inducción, basado en microprocesadores, con funciones de identificación de la constante de tiempo del rotor [4 ].

Autores: Koyama. K., IEEE/IAS , Reunión Anual pp 564-569, 1985.

El trabajo expone el diseño de un sistema de control vectorial de motores de inducción sobre la base de un microprocesador de 16 bits de INTEL (80186). Se realiza una investigación de los métodos para estimar el vector de flujo del rotor, así como para el control de la corriente cuando existe saturación de la fuente de voltaje. El trabajo muestra los resultados experimentales alcanzados al desarrollar estos algoritmos en el sistema presentado.

Este trabajo tiene como principal logro la validación de los resultados teóricos en un sistema basado en microprocesadores. Su principal inconveniente es que debido a la fecha de realización, el procesador utilizado no ofrece todas las posibilidades necesarias para realizar algoritmos más complejos, con mayores requerimientos de hardware, velocidad y posibilidad de procesamiento en tiempo real.

2- Título: Control de motores de ca de tipo inducción usando el principio de Voltaje/Frecuencia Constante y la técnica de PWM con vectores espaciales con TMS320C240. Reporte de aplicación: SPRA284A. Texas Instruments [5].

Autores: Zhenyu Yu y David Figoli.

Este trabajo ofrece un sistema completo de control de motores de inducción usando un procesador de la familia TMS320C2xx. Aunque las técnicas de control y generación de PWM usadas en el mismo no son las que se utilizan en la tesis, la explicación teórica brindada, el diseño del trabajo y los resultados experimentales obtenidos fueron de gran utilidad para el desarrollo del trabajo.

3- Título: Soluciones de procesamiento digital de señales para motores de ca de tipo inducción. Nota de aplicación: BPRA043. Texas Instruments [3].

Este artículo brinda una panorámica general del uso de los DSPs de la familia TMS320C2xx en el control de motores, además de proponer un sistema de control de motores de inducción usando el principio de campo orientado, explicando de forma simple todo el fundamento matemático de esta técnica.

• 4- Trabajo de tesis: Simulación digital del control vectorial de velocidad de un motor de inducción [6].

Autor: Pedro Ponce Cruz. Estudiante de la SEPI-ESIME.

Este trabajo realiza la simulación del control por campo orientado usando un programa confeccionado en lenguaje C. El marco teórico expuesto y los resultados obtenidos constituyen una base importante para la realización de este trabajo, ya que muchos de estos resultados logrados en simulación sirven de fuente de comparación con los obtenidos en la programación usando un DSP, que propone este trabajo de tesis.

Este capítulo expuso la problemática a resolver en este trabajo de tesis, así como los objetivos, justificación y antecedentes del mismo. En el siguiente capítulo se brinda el marco teórico del control vectorial de motores de corriente alterna.

CAPÍTULO 2

Generalidades sobre control vectorial de motores de inducción

INTRODUCCIÓN

Este capítulo explica la base teórica y la fundamentación matemática del control vectorial o por campo orientado. Se brinda una clasificación general de los motores eléctricos y sus tipos de control, los principios y ecuaciones del control vectorial, la formulación de las transformaciones de planos coordenados, así como una explicación de los métodos directo e indirecto de control por campo orientado.

2.1 Clasificación de los motores eléctricos.

La figura 2.1 muestra una clasificación general de los motores eléctricos [3].

Figura 2.1 Clasificación de los motores eléctricos.

Este trabajo está orientado al control de motores de corriente alterna (ca), específicamente motores asincrónicos o de inducción, entre los cuales el más conocido es el de tipo "jaula de ardilla". Estos motores son más robustos y baratos, debido fundamentalmente a que no se necesita una fuente de corriente externa al rotor para crear un campo magnético en éste.

Las fases del estator crean un campo magnético en el entrehierro, el cual rota a la velocidad de la frecuencia del estator ((e). Este campo induce una corriente en la jaula, que provoca la formación de un segundo campo magnético alrededor del rotor. Como consecuencia de la acción de estos dos campos, el rotor comienza a girar en la dirección del campo del estator, pero a una velocidad menor ((r). Si el rotor gira a la misma frecuencia que el estator, entonces el campo del rotor pudiera estar en fase con el campo del estator y no se produciría la inducción de las corrientes del rotor. La diferencia entre la frecuencia del estator y la del rotor se denomina frecuencia de deslizamiento ((slip=(e-(r).

Existen varias formas de controlar un motor de inducción en base al par, a la velocidad o a la posición y pueden ser agrupadas en dos grandes categorías, el control escalar y el control vectorial [3].

El control escalar se basa en que las variables son controladas sólo en magnitud. Entre los métodos conocidos de control de un motor de inducción, uno de los más utilizados es el de Voltaje/Frecuencia [5], el cual consiste en que, variando el voltaje del estator en proporción con la frecuencia, el par (torque) se mantiene constante. Este método tiene como inconvenientes la baja eficiencia y un tiempo de reacción elevado para variaciones de la carga.

El control vectorial, por su parte, se basa en que las variables son controladas tanto en magnitud como en fase. Las variables a controlar son representadas por matrices y vectores y se toma en cuenta no sólo el comportamiento del motor en estado estable, sino las ecuaciones matemáticas reales que lo caracterizan. Como resultado se obtiene un mejor comportamiento dinámico para variaciones de par en un rango de velocidad más amplio.

Algunas de las ventajas del control vectorial son:

• 1- Capacidad completa del par (torque) del motor a baja velocidad.

• 2- Mejor comportamiento dinámico.

• 3- Alta eficiencia para cada punto de operación en un amplio rango de velocidad.

• 4- Desacople del flujo y el par.

Aunque los motores de inducción tienen una estructura simple, su modelo matemático es complejo debido al grado de acoplamiento entre un gran número de variables y el comportamiento no lineal de las mismas. El control vectorial proporciona un método para resolver esos problemas con una alta eficiencia y sin alterar su comportamiento dinámico. El epígrafe siguiente explica los fundamentos básicos de este tipo de control.

• Introducción al control vectorial [1,2,3,6].

El control vectorial o por campo orientado (FOC), tuvo su origen en la década de los años 70 con los trabajos desarrollados por Hass [7] y Blaschke [8]. Este control se basa en la transformación de un sistema trifásico estacionario, representado por las corrientes de fase del estator (ia, ib, ic), en un sistema bifásico rotatorio representado en un plano imaginario d,q que gira a la velocidad de rotación del rotor o velocidad síncrona. En este plano se obtienen las corrientes isd e isq, alineadas con los ejes ortogonales d y q respectivamente.

La obtención de este nuevo marco de referencia conduce a un modelo cuyo comportamiento es igual al de una máquina de corriente directa (cd). La figura 2.2 muestra la analogía entre la estructura de una máquina de cd y el control vectorial de una máquina de inducción.

Figura 2.2 Analogía entre el motor de CD y el control vectorial del motor de inducción.

La expresión de par electromagnético (torque) en una máquina de cd., despreciando el efecto de saturación y de reacción de armadura está dada por:

donde Ia es la corriente de armadura, If la corriente para el devanado de campo y Kt es una constante de proporcionalidad. Las variables Ia e If son las variables de control en una máquina de corriente directa y pueden ser consideradas como vectores ortogonales o desacoplados. En condiciones normales, la corriente If es mantenida constante e igual a su valor nominal, por lo que el par será proporcional a la corriente de armadura Ia. De esta forma existe un desacople entre If, que representa el flujo magnético e Ia que representa el par.

En un motor de inducción, sin embargo, estos dos vectores están fuertemente acoplados (no ortogonales). En un marco de referencia bifásico d,q, que gira a la velocidad síncrona , las componentes de corriente obtenidas (isd, isq), son las componentes de corriente del estator, en los ejes directo y de cuadratura respectivamente. Si la componente de corriente isd, se hace coincidir en fase con el flujo magnético del rotor o con la componente de corriente que lo genera (figura 2.3), se puede establecer una analogía entre la componente isd en coordenadas de campo y la corriente de campo (If) en el motor de corriente directa, así como entre la componente isq y la corriente de armadura (Ia). De esta forma el par en una máquina de inducción se puede expresar como:

por lo que, manteniendo el flujo magnético isd constante, se puede realizar el control del par del motor, mediante la corriente isq, ya que ambos vectores son ortogonales y están por lo tanto desacoplados, pudiéndose variar independientemente sin afectar la componente ortogonal.

2.3 Ecuaciones del control por campo orientado [1,2,6].

Un diagrama fasorial del control vectorial se muestra en la figura 2.3.

Figura 2.3 Diagrama fasorial del control por campo orientado.

Este diagrama fasorial muestra las magnitudes y ángulos de los vectores involucrados en el control por campo orientado y constituye la base para la obtención de las ecuaciones fundamentales del control vectorial.

El valor instantáneo del par electromagnético del motor de inducción en coordenadas del estator, se puede hallar de la ecuación siguiente:

Esta expresión general del par muestra la dificultad de controlar un motor de inducción jaula de ardilla, debido a que no se tiene acceso directo al vector corriente del rotor, y tiene que ser controlado indirectamente a través de los voltajes y las corrientes del estator.

Para sustituir el término irej( por una cantidad equivalente que pueda ser medida en los terminales del estator o en la flecha de la máquina se pueden utilizar diferentes alternativas, como por ejemplo, medir el flujo mutuo del entrehierro, el cual es una medida de la corriente magnetizante y puede ser detectado a través de sensores de efecto Hall o de bobinas en el estator

M: Inductancia mutua del motor.

Sustituyendo la ecuación (2.9) en (2.7), se obtiene la ecuación de par electromagnético siguiente:

Esta ecuación es una de las que caracteriza el modelo del motor de inducción en el control por campo orientado. En la misma se observa como el par electromagnético (T), desarrollado por el motor, es proporcional al flujo del rotor, representado por el vector de corriente magnetizante modificado (imr), y a la corriente en coordenadas de campo isq, que es proporcional al par. De esta forma si se mantiene el flujo del rotor constante se puede variar el par del motor actuando sobre la componente de corriente isq.

La ecuación 2.10 es semejante a la ecuación de par de una máquina de cd con excitación independiente, donde el par es proporcional al flujo y a la corriente de armadura.

Si se separa el resultado en parte real y parte imaginaria, quedan las ecuaciones en coordenadas de campo siguientes:

Para completar el modelo matemático en coordenadas de campo del motor de inducción, a las ecuaciones (2.10), (2.13) y (2.14), se le añade la ecuación de movimiento del accionamiento eléctrico:

De esta forma el modelo de campo orientado de un motor de inducción queda caracterizado por las ecuaciones siguientes:

Estas ecuaciones serán utilizadas en el modelo de corriente, explicado en el capítulo 5, así como en las simulaciones realizadas usando la herramienta Simulink de Matlab en el capítulo 6.

• Transformaciones de planos de coordenadas. Ecuaciones de Clarke y Park [9,10].

Como se explicó anteriormente, para implementar el control por campo orientado, el modelo del motor de inducción en un marco de referencia trifásico, es transformado a un marco de referencia bifásico rotatorio, con ecuaciones más sencillas, que describen un comportamiento análogo al de una máquina de corriente directa, facilitando considerablemente el control del motor y mejorando su comportamiento dinámico.

Las transformaciones de planos coordenados se realizan tanto en forma directa (sistema trifásico a bifásico rotatorio), como de forma inversa, para volver a obtener los valores de corrientes de fase una vez realizado el control, como se muestra en la figura 2.4.

Figura 2.4 Transformación de planos de coordenadas.

Cada transformación se realiza en dos etapas:

1-) Transformación de las corrientes de fase trifásicas (ia, ib, ic), a un sistema bifásico estacionario (isalfa, isbeta). (Transformada de Clarke).

2-) Transformación del sistema anterior a un marco de referencia bifásico rotatorio (isd, isq). (Transformada de Park).

La obtención de este marco de referencia rotatorio (coordenadas de campo d,q) se logra mediante un proceso de rotación vectorial, tomando como base el vector unitario lo cual se puede expresar matricialmente de la siguiente forma:

De igual forma las transformaciones de Clarke y Park inversas, tienen como objetivo llevar los valores obtenidos en el plano imaginario d,q (isd*, isq*), que representan los valores de par y flujo del rotor obtenidos producto del control, a un sistema de referencia trifásico (ia*,ib*,ic*).

A continuación se presentan las ecuaciones de transformación de Clarke y Park usadas en el desarrollo de este trabajo:

2.5 Método directo e indirecto de control por campo orientado [1,2,6].

La implementación del control por campo orientado requiere de la adquisición del vector flujo del rotor, expresado por la magnitud y el ángulo de la corriente magnetizante Los métodos de adquisición de este vector se clasifican en directos e indirectos.

La diferencia fundamental entre ambos métodos es que en el caso de los métodos directos se calcula la magnitud del vector flujo del rotor, mientras en los métodos indirectos se obtiene la posición del vector sin necesidad de calcular su valor. A continuación se explican las características, ventajas e inconvenientes de ambos métodos.

• Método directo.

El algoritmo del método directo requiere la medición o cálculo del vector flujo del rotor. Existen varias formas de lograr lo anterior como son:

• 1- Colocación de sensores de flujo (sensores de efecto Hall) en el entrehierro.

Esta medición permite obtener el vector corriente magnetizante (), que representa el flujo en el entrehierro, el cual combinado con la señal de corriente en el estator permite generar el vector corriente magnetizante modificada (), según la ecuación 2.5. Esta técnica tiene la desventaja de requerir de una modificación en el motor de inducción para la colocación de los sensores, además de que estos son frágiles y sensibles a los cambios de temperatura.

• 2- Colocación de bobinas en el estator.

Este método permite también la adquisición del vector y el cálculo del vector Su principal inconveniente es que las bobinas no pueden ser utilizadas a frecuencias menores de 1Hz, debido a los problemas que surgen con la integración analógica, desvirtuando considerablemente la medición a velocidades bajas.

• 3- Modelos de flujo.

Los modelos de flujo se basan en modelos matemáticos de estimación del flujo del rotor a partir de señales más sencillas de medir como las corrientes de fase y la velocidad del rotor.

La solución a este problema radica en la utilización de técnicas de "adaptación de parámetros en línea" que permitan con el motor en funcionamiento, calcular la constante de tiempo del rotor de acuerdo a los parámetros reales de operación del motor, en un momento dado.

En el método directo de campo orientado, es necesario realizar la medición o el cálculo del vector flujo del rotor, y orientar el vector de la componente de corriente del estator (isd) con el vector flujo del rotor (figura 2.3).

Este trabajo utiliza un método directo de control por campo orientado usando un modelo de flujo, el cual calcula la posición del flujo del rotor a partir de las corrientes de entrada y la velocidad del motor desarrollando las ecuaciones de campo orientado 2.13 y 2.14, explicadas en el epígrafe 2.3. La descripción general del software del sistema sobre la base del método directo se explica en el capítulo 4, el esquema general de este método se muestra en la figura 4.1, mientras los detalles específicos de programación del modelo de flujo se exponen en el capítulo 5

• Método indirecto.

Los métodos indirectos tienen la ventaja de ser más simples de implementar, ya que eliminan la necesidad de la medición o el cálculo computacional del vector flujo del rotor. Sin embargo, para su realización requieren determinar la posición exacta del mismo en un instante dado, por lo que se hace imprescindible la utilización de sensores de posición muy precisos. Estos métodos también involucran a la constante de tiempo del rotor y son generalmente más sensibles a las variaciones de los parámetros durante la operación del motor.

La figura 2.5 muestra el esquema general de un sistema de control por campo orientado usando el método indirecto.

La ecuación de deslizamiento puede ser desarrollada en el control por campo orientado sin que sea necesario realizar la medición exacta del vector flujo del rotor, siendo esta la base del método indirecto de campo orientado, también llamado, método de control de la frecuencia de deslizamiento.

Figura 2.5 Método indirecto de control por campo orientado

Este capítulo abordó toda la base teórica necesaria para comprender un sistema de control vectorial de un motor de inducción. El siguiente capítulo brinda los detalles de diseño del hardware del sistema de control.

CAPÍTULO 3

Hardware del sistema de control

INTRODUCCIÓN

Este capítulo describe el funcionamiento del hardware del sistema de control. Se brinda una descripción general del funcionamiento del sistema, explicando el trabajo y las especificaciones de cada uno de los bloques que lo integran.

3.1 Esquema general y funcionamiento del hardware del sistema de control.

Un esquema general del hardware del sistema de control se muestra en la figura 3.1.

Este sistema controla la velocidad de un motor de corriente alterna de tipo inducción. El esquema muestra el diseño de un lazo de control de las corrientes de fase (ia, ib, ic) de un inversor trifásico que alimenta al motor.

Las variables de entrada a este sistema son las siguientes:

• 1- Corrientes de fase ia e ib. La corriente ic no se mide y se calcula matemáticamente, dado que en un sistema trifásico sin neutro la suma de las corrientes de fase es igual a cero.

• 2- Velocidad del rotor: Se calcula dentro del sistema a partir de la señal que entrega un sensor de posición ("encoder"), colocado en la flecha del motor.

Las corrientes de fase son medidas usando sensores de efecto Hall, los cuales entregan un nivel de voltaje proporcional a la corriente sensada. Este voltaje es desplazado en un valor fijo ("offset"), usando un circuito de tierra virtual de Texas Instruments (TLE2425C), con el objetivo de adaptarlo a los requerimientos de entrada del conversor analógico/digital (A/D), incorporado dentro del procesador en la tarjeta de evaluación del DSP.

La tarjeta de evaluación (kit) del DSP TMS320F240, recibe los valores de las corrientes de fase y la señal del sensor de posición("encoder") y debe realizar el algoritmo de control de la velocidad del motor usando las técnicas de control por campo orientado, explicadas en el capítulo anterior. Las características de funcionamiento y especificaciones de esta tarjeta se explican en el siguiente epígrafe, mientras los detalles de implementación del software de control se exponen en los capítulos 4 y 5.

La salida del sistema de control genera señales de modulación por ancho de pulso (PWM), necesarias para el control de las corrientes de fase del inversor. Las seis señales PWM (dos por cada fase), son entregadas a los bloques excitadores ("drivers"), a través de circuitos optoacopladores, que se encargan de aislar la salida del sistema de control de los excitadores, evitando que los altos niveles de voltaje que se generan en el inversor puedan dañar los circuitos de control.

A continuación se explican las características de funcionamiento y las especificaciones fundamentales de los principales módulos de este sistema.

Etapa de entrada.

Esta etapa la constituye una fuente de corriente directa, diseñada específicamente para el trabajo, formada por un puente rectificador, un conjunto de filtros y una red de descarga de los capacitores. Esta fuente recibe la corriente alterna trifásica de la red y entrega un voltaje de corriente directa de 320V, necesarios para alimentar toda la electrónica de potencia del sistema.

Módulos Inteligentes de Potencia (MIP) [15]

La etapa de electrónica de potencia de este trabajo esta constituida por el módulo inteligente de potencia PM30RSF060, de la firma "POWEREX, INC". Estos módulos fueron adquiridos especialmente para este trabajo y están formados por los siguientes elementos:

– Excitadores ("drivers").

– Inversor trifásico de tipo IGBT.

– Circuitos de protección contra temperatura, bajo voltaje, sobrecorriente y cortocircuito.

Excitadores ("drivers").

Estos circuitos tienen la función de entregar al inversor trifásico los voltajes necesarios para el control de los transistores, provenientes del bloque de generación de señales PWM de la tarjeta del DSP.

Inversor trifásico

Un esquema del inversor trifásico se muestra en la figura 3.2. El inversor está compuesto por seis transistores (dos por cada fase de corriente) de tipo IGBT ("Isolated Gate Bipolar Transistor"), una combinación de transistor bipolar y MOSFET, controlado por el voltaje de compuerta que se aplica al mismo. El inversor debe convertir la corriente directa en corriente alterna trifásica, necesaria para la excitación de cada una de las fases del motor. Las señales aplicadas a las compuertas de cada uno de los seis transistores son de tipo PWM y permiten controlar el tiempo de conmutación de los transistores, variando con ello los niveles de corriente que se entregan al motor en cada instante.

Figura 3.2 Esquema de un inversor trifásico

A continuación se explican algunas de las especificaciones más importantes de este módulo [15]:

• 1- Corriente: 30 A

• 2- Voltaje: 600V

• 3- Frecuencia de operación: hasta 20 Khz.

Un esquema eléctrico de conexión de este módulo, así como sus especificaciones eléctricas y mecánicas más importantes se brindan en el anexo 7

Optoacopladores [15]

Estos circuitos constituyen la etapa de aislamiento entre la electrónica de potencia y la etapa de control. Las salidas PWM generadas en el DSP y usadas en el control de los transistores del inversor trifásico son aisladas de la etapa de potencia a través de estos dispositivos. Este trabajo utiliza los optoacopladores HCPL-4504 de "Hewlett Packard", los cuales cumplen con las especificaciones fundamentales requeridas para este diseño e impuesta por los módulos inteligentes de potencia, descritos anteriormente. Algunas de estas especificaciones son:

El diagrama funcional de este dispositivo, así como una descripción de sus características técnicas, se muestra en el anexo 7.

Motor de inducción.

El motor usado en este trabajo es de tipo "jaula de ardilla". Las características de funcionamiento de este tipo de motor fueron explicadas en el epígrafe 2.1. Algunas de sus especificaciones más importantes son:

• 1- Potencia de salida: 1.5 HP.

• 2- Velocidad nominal: 1725 rpm.

• 3- Velocidad máxima: 6000 rpm.

• 4- Voltaje de fase: 230v – 460v.

• 5- Corriente nominal: 5A/230V, 2.5A/460V.

• 6- Corriente de magnetización: 4A

• 7- Frecuencia nominal: 60Hz.

8- Número de polos: 4

9- Resistencia del rotor: 7.74(

10- Resistencia del estator: 2.789(

11- Reactancia magnetizante del estator: 57.628(

12- Reactancia del rotor: 3.516

13- Inercia del rotor: 0.005063 Kg m2

Estos parámetros serán utilizados a lo largo de trabajo en el diseño de los diferentes módulos del sistema de control.

Sensores de Efecto Hall.

Estos dispositivos se sitúan a la salida del inversor y a la entrada del motor a controlar, su función fundamental es entregar un voltaje proporcional a la corriente de cada fase. En este trabajo se utilizan los sensores SX-10D que entregan un voltaje de +/- 2V para una corriente de entrada de +/- 10A.

Tierra Virtual (TLE2425C).