desarrollo de un sistema de control por dsp para regular
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ESCUELA TNICA SUPERIOR de INGENIEROS de
MINAS Y ENERGA
Titulacin: GRADO EN INGENIERA DE LA ENERGA
PROYECTO DE FIN DE GRAGO
Departamento de Ingeniera Elctrica
ESCUELA T.S INGENIEROS INDUSTRIALES
DESARROLLO DE UN SISTEMA DE CONTROL POR DSP
PARA REGULAR GENERADORES SINCRONOS DE
IMANES PERMANENTES.
JOSE M ARAGAY IRAVEDRA JULIO2015
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TITULACIN: GRADO EN INGENIERIA DE LA
ENERGIA
DESARROLLO DE UN SISTEMA DE CONTROL POR DSP
PARA REGULAR GENERADORES SINCRONOS DE
IMANES PERMANENTES.
Realizado por
Jose M Aragay Iravedra
Dirigido por:
Carlos Veganzones
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NDICE GENERAL
NDICE DE FIGURASIV
NDICE DE TABLAS...VIII
RESUMEN...........IX
ABSTRACT.IX
DOCUMENTO N 1: MEMORIA
1. Introduccin3
1.1 Contexto histrico ..3
1.2 Objetivos del proyecto ...6
2. Descripcin y funcionamiento de los equipos constituyentes de un sistema SGFC...7
2.1 Maquina sncrona imanes permanentes..7
2.1.1 Descripcin Bsica....7
2.1.2 Principio de funcionamiento...10
2.1.3 Ventajas y desventajas....13
2.1.4 Usos MSIP.......13
2.2 Sistema de control....14
2.2.1 Sensor de posicin y velocidad...15
2.2.2 Sensores de tensin y corriente...17
2.2.3 Convertidores electrnicos......18
2.2.4 Procesador digital de seales...20
2.2.5 Mtodos de control.....21
2.2.5.1 Control escalar.22
2.2.5.2 Control Vectorial. Teora de vectores espaciales23
3. Eleccin y caracterizacin de la maquina sncrona de imanes permanentes...27
3.1 Especificacin de la MSIP..32
3.2 Ensayos de caracterizacin..32
3.2.1 Ensayo de vaco..32
3.2.2 Determinacin de R 35
3.2.3 Ensayo en carga. Determinacin de L .36
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3.2.4 Determinacin del flujo magntico generado por los imanes
permanentes..38
4. Desarrollo del programa de simulacin....41
4.1 Entorno de simulacin ..43
4.2 Estructura del modelo de simulacin del sistema .....45
4.2.1 Bloque MSIP.46
4.2.2 Etapa de alterna..50
4.2.3 Inversor..53
4.2.4 Etapa continua ...55
4.3 Desarrollo de la Estrategia de control.....57
4.4 Programacin del modelo del control....60
4.4.1 Subsistema IND1...67
4.4.2 Diagrama de bloques.70
4.4.3 Subsistema Isd, Isq/ Usd, Usq....73
4.4.4 Subsistema Clarke d,q/DXDY...75
4.5 Ajuste de PID.78
4.6 Pruebas de validacin del simulador.80
4.6.1 Comportamiento con resistencia trifsica.81
4.6.2 Comportamiento con puente de diodos90
4.6.3 Comportamiento con puente IGBTs. Control de velocidad.97
4.6.4 Comportamiento con variaciones de par y velocidad..104
5. Especificacin del equipo experimental109
5.1 Composicin de las bancada de pruebas (MSIP, MI regulada , MDC ..).111
5.2 Composicin del sistema de control..114
5.2.1 Microprocesador. DSP..114
5.2.2 Inversor..119
6. Conclusiones..122
7. Trabajos futuros.123
8. Bibliografa....124
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DOCUMENTO N2: Estudio Econmico
DOCUMENTO N3: ANEXOS
A1 DATASHEET DE MICROPROCESADOR
A2 Datos Maquina de imanes
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INDICE DE FIGURAS
DOCUMENTO N1: Memoria
Figura 1-1: Diagrama de aerogenerador convencional.3
Figura 1-2: Diagrama de SGFC....4
Figura 1-3: Curva Cp-landa..5
Figura 2-1: Rotor de imanes permanentes de dos pares de polos.7
Figura 2-2: Circuito equivalente MSIP...10
Figura 2-3: Curva caracterstica mecnica..12
Figura 2-4: Curva de estabilidad del par.12
Figura 2-5: Diagrama del sistema de control..14
Figura 2-6: Imagen descriptiva de encoder incremental.15
Figura 2-7: Imagen descriptiva circuito encoder....16
Figura 2-8: Desarrollo de las seales encoder16
Figura 2-9: Diagrama funcionamiento sensor de corriente.17
Figura 2-10: Sensor de corriente efecto Hall......17
Figura 2-11: Diagrama de un convertidor...18
Figura 2-12: DSP....20
Figura 2-13: Diagrama funcionamiento DSP.20
Figura 2-14: curva de Par-velocidad U/f=cte.22
Figura 3-1: MSIP27
Figura 3-2: Despiece MSIP.....28
Figura 3-3: Placa de caractersticas MSIP..28
Figura 3-4: Rotor (Izquierda) Estator (Derecha) MSIP..29
Figura 3-5: Circuito equivalente MSIP..29
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Figura 3-6: Encoder de la MSIP.30
Figura 3-7: Representacin seales A, B y Z Encoder...30
Figura 3-8: Circuito equivalente MSIP...32
Figura 3-9: Diagrama ensayo determinacin de R..35
Figura 3-10: Diagrama fasorial ensayo de carga.36
Figura 3-11: Circuito equivalente ensayo de carga ....36
Figura 4-1: Esquema de control (Simulink).........................................................45
Figura 4-2: Bloques (Simulink) MSIP....46
Figura 4-3: Configurador MSIP1 (Simulink).....47
Figura 4-4: Configurador MSIP2 (Simulink).....48
Figura 4-5: Salida informacin MSIP (Simulink) ....50
Figura 4-6: Adquisicin de datos opcion1 (Simulink)..50
Figura 4-7: Adquisicin de datos opcion2 (Simulink)..51
Figura 4-8: Configuracin Bloque Adquisicin de datos (Simulink)...52
Figura 4-9: Error en Bloque Adquisicin de datos MSIP (Simulink)..52
Figura 4-10: Inversor (Simulink) .53
Figura 4-11: Configuracin Inversor (Simulink)..53
Figura 4-12: Etapa de continua (Simulink)...55
Figura 4-13: Configuracin resistencia (Simulink)......56
Figura 4-14: Diagrama de bloques del control.....59
Figura 4-15: sistema de control (Simulink).....60
Figura 4-16: Tipos de PWM (Simulink).61
Figura 4-17: Configuracin PWM (Simulink)...62
Figura 4-18: Memoria (Simulink)...63
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Figura 4-19: Scope Consigna_u (Simulink)....64
Figura 4-20: Scope Cnsigna_u1 (Simulink).....64
Figura 4-21: Diagrama de control (Simulink)......65
Figura 4-22: Bloque salid o entrada de subsistema (Simulink)...66
Figura 4-23: Subsistema IND1 (Simulink)..67
Figura 4-24: Subsistema IND1 (Park) (Simulink)...68
Figura 4-25: Subsistema IND1 (Clarke) (Simulink)68
Figura 4-26: Clarke Q1 (Simulink)..69
Figura 4-27: Clarke Q2 (Simulink)..69
Figura 4-28: Lazo Id (Simulink)...70
Figura 4-29: Lazo velocidad (Simulink)..71
Figura 4-30: Lazo Iq (Simulink)..71
Figura 4-31: Entrada ngulo (Simulink)..72
Figura 4-32: Subsistema Isd. Isq/Usd, Usq(Simulink).....73
Figura 4-33: f(u)Usd / f(u)Usq (Simulink)...73
Figura 4-34: Subsistema Clarke d,q/DXDY ....75
Figura 4-35: Clarke DX/DY (Simulink)...75
Figura 4-36: Creacin tensiones trifsicas referencia (Simulink).76
Figura 4-37: Adaptacin de seales (Simulink)77
Figura 4-38: Diagrama ensayo resistencia trifsica (Simulink)....81
Figura 4-39: Ensayo resistencia trifsica con 1 Nm de par y resistencia de 10 82
Figura 4-40: Ensayo resistencia trifsica con 1 Nm de par y resistencia de 50 83
Figura 4-41: Ensayo resistencia trifsica con 2 Nm de par y resistencia de 10 84
Figura 4-42-: Ensayo resistencia trifsica con 2 Nm de par y resistencia de 50 85
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Figura 4-43 Ensayo resistencia trifsica con 2 Nm de par y resistencia de 100 .86
Figura 4-44: Ensayo resistencia trifsica con 3 Nm de par y resistencia de 10 ..87
Figura 4-45: Ensayo resistencia trifsica con 3 Nm de par y resistencia de 30 ..88
Figura 4-46: Circuito Prueba de validacin Diodos...90
Figura 4-47: Ensayo Puente de Diodos con 1 Nm de par y resistencia de 10 ....91
Figura 4-48: Ensayo Puente de Diodos con 1 Nm de par y resistencia de 50 92
Figura 4-49: Ensayo Puente de Diodos con 2 Nm de par y resistencia de 10 93
Figura 4-50: Ensayo Puente de Diodos con 2 Nm de par y resistencia de 50 94
Figura 4-51: Ensayo Puente de Diodos con 2 Nm de par y resistencia de 100 .95
Figura 4-52: Ensayo IGBTs con 1 Nm de par y resistencia de 10 98
Figura 4-53: Ensayo IGBTs con 1 Nm de par y resistencia de 30 99
Figura 4-54 Ensayo IGBTs con 1 Nm de par y resistencia de 50 100
Figura 4-55: Ensayo IGBTs con 2 Nm de par y resistencia de 50 1800.101
Figura 4-56: Ensayo IGBTs con 2 Nm de par y resistencia de 50 2450.102
Figura 4-57: Ensayo IGBTs con 1 Nm de par y resistencia de 100 2600 rpm103
Figura 4-58: Curva de velocidad...............................................................................104
Figura 4-59: Primer pulso105
Figura 4-60: Zona intermedia..106
Figura 4-61: Zona final107
Figura 5-1: bancada principal..110
Figura 5-2: bancada secundaria110
Figura 5-3: Placa caractersticas MI 1..111
Figura 5-4: MI 1111
Figura 5-5: Placa caractersticas MDC.112
-
Figura 5-6: MDC..112
Figura 5-7: Placa caractersticas MI 2..113
Figura 5-8: MI 2...113
Figura 5-9: DSP...114
Figura 5-10: Caractersticas DSP115
Figura 5-11: Algoritmo de control en C++ (1).117
Figura 5-12: Algoritmo de control en C++ (2)117
Figura 5-13: Algoritmo de control en C++ (3)118
Figura 5-14: Inversor... 119
Figura 5-15: Caractersticas Inversor...119
Figura 5-16: Diagrama 1 Inversor ...120
Figura 5-17: Diagrama 2 Inversor ...120
Figura 5-18: Diagrama 3 Inversor ..121
Figura 5-19: Inversor 2 ...121
NDICE DE TABLAS
Tabla 3-1: Ensayo de vaco..33
Tabla 3-2: F.e.m-velocidad..33
Tabla 3-3: Ensayo de Carga.....37
Tabla 4-1: Validacin resistencia trifsica.. 89
Tabla4-2: Validacion Diodos ..96
Tabla Analisis Economico
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RESUMEN
En el siguiente proyecto se va a llevar a cabo la simulacin en la plataforma Matlb
Simulink de una maquina sncrona de imanes permanentes (MSIP) en su
funcionamiento como generador, emulando un aerogenerador con tecnologa SGFC.
El generador tendr como variable de consigna la velocidad de giro del eje y se ajustara
el sistema de control para que sea capaz de seguir la seal de consigna ante cambios
bruscos del par.
Posteriormente se va a detallar y construir todos los elementos que se consideren
necesarios para, en proyectos futuros, llevar a la prctica en una maquina real este
sistema de control
ABSTRACT
The object of this Project is to carry a simulation in Matlab Simulink of a synchronous
permanent magnets machine (MSIP) in its operation as a generator, emulating a wind
turbine technology SGFC. The variable setpoint will be the rotational speed of the
shaft, the control system will fit so that it is capable of following the setpoint signal
before sudden changes of the pair.
Afterward the elements considered necessary for to put into practice this control
system in a real machine will be detailed.
-
2
DESARROLLO DE UN SISTEMA DE
CONTROL POR DSP PARA REGULAR
GENERADORES SINCRONOS DE
IMANES PERMANENTES.
DOCUEMENTO N1: MEMORIA
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3
1 Introduccin
En este capitulo vamos a hacer una pea introduccin histrica sobre el estado de la
tecnologa de aerogeneradores de velocidad variable y algunos datos de inters tales como
ventajas con respecto a la generacin anterior. Posteriormente plantearemos los objetivos
de este proyecto.
1.2Contexto histrico.
Durante los ltimos aos hemos asistido a una revolucin tecnolgica en el campo
de las energas renovables, especialmente en el mbito de la energa elica. En el ao
2000 el desarrollo era tan intenso, que el sector de la energa elica creca ms rpido que
el de los ordenadores personales y casi tanto como el sector de la telefona mvil.
La rama de desarrollo tecnolgico ms prometedora son los aerogeneradores de velocidad
variable, grandes compaas estn apostando por esta tecnologa creado aerogeneradores
de altas potencias y prestaciones basados en esta tecnologa.
Los aerogeneradores actuales estn compuestos por una caja multiplicadora y un
generador, sin ninguna electrnica de control entre el aerogenerador y la red.
Figura 1-1: Diagrama de aerogenerador convencional
-
4
Este sistema tiene muchos inconvenientes:
-Deben girar a una velocidad constante: esto supone que el aerogenerador no puede
adaptarse bien a los cambios en la velocidad del viento o a las rfagas lo que supone
ineficiencias en la extraccin de energa del viento y desgaste mecnico del conjunto.
-Caja multiplicadora: este conjunto de engranajes, transforma una velocidad baja de giro
de la turbina elica a una velocidad alta en el generador. Por su propia naturaleza no
responde bien a los transitorios de par ocasionados por variaciones en la velocidad del
viento. Esto supone que debe aguantar tremendas fuerzas en la etapa de baja velocidad.
Este elemento ocasiona prdidas tanto mecnicas como econmicas, ya que requiere
mucho mantenimiento, refrigeracin, un diseo costoso del resto de componentes del
aerogenerador y problemas enormes cuando hay que sustituirla.
-Generador: la unin entre el generador y la red es muy rgida por lo que responde mal
ante fallos en la red o en el propio generador, el control de la potencia activa es muy
limitado adems de no poder controlar la potencia reactiva. Todo esto hace que no puedan
servir adecuadamente para la gestin y el control de la red elctrica, un problema grave
en una fuente de energa que representa cada da ms porcentaje en la potencia generada.
La tecnologa de velocidad variable aparece para solucionar todos estos problemas.
Principalmente esta tecnologa se basa en un generador sncrono multipolar conectado
mediante un convertidor de potencia plena a la red o SGFC (por sus siglas en ingls
Sincronus Generator Full Converter)
Figura 1-2: Diagrama de SGFC
-
5
Las ventajas de esta tecnologia son:
-Generador sincrono multipolar: El generador esta acoplado por el eje solidario con la
turbina lo que de entrada elimina la caja multiplicadora y todo lo que ello significa. El
generador al tener varios pares de polos puede girar a velocidades muy bajas cercanas a
las de la turbina, no necesariamente debe producir una tensin 50hz (debido al
convertidor electronico) esto significa que el generador podra girar a la velocidad que
simbolice maxima potencia y eficiencia. Ademas la union directa turbina-generdor y la
elasticidad entre generador-red suponen que el sistema se adapta perfectamente a los
cambios de la velocidad del viento y a las rafagas. Estos generadores pueden ser:
sincronos tradicionales con excitacin (lo que implica maquinas enormes para tener
tantos pares de polos) o sincronos de imanes permanentes (objeto de este proyecto).
Estos ultimos son mucho mas pequeos y ligeros para el mismo numero de pares de
polos, debido a la densidad magnetica de los imanes. Su peso reducido resulta muy
interesante ya que permite reducir costes en otros componentes. Al no tener excitacin
eliminamos otra posibilidad de fallo y coste de mantenimiento e instalacion. El
problema con estos generadores es el alto precio de los imanes.
- Convertidor electronico: Este sistema representa una union flexible entre la red y el
generador. Es un convertidor de potencia plena Full-sixe, tranforma la corriente
alterna de baja frecuencia del generador en corriente continua y luego otra vez de
corriente continua a alterna de 50Hz para la red, de esta manera el sistema turbina-
generador puede absorver sin ningun problema los transitroios en la velocidad del viento
y las rafagas La primera etapa de rectificacion permite controlar el generador de manera
que vaya siguiendo la curva de potencia-velocidad del viento
Figura 1-3: Curva Cp-landa
-
6
De esta manera maximizamos el rendimiento del sistema. Ademas permitiria al
aerogenerador trabajar en el control de la red ya que permite controlar la potencia activa
y reactiva. Pudiendo de esta manera hacer frente a la curva de demanda y a los posibles
fallos que surjan en el sistema electrico.
Como se puede ver los aerogeneradores de velocidad variable resuelven todos los
problemas de los aerogeneradores tradicionales. Como inconveniente tenemos que se
necesita un complejo a la par que costoso generador multipolar, un convertidor
electrnico Full-Size muy costoso y complejo. Todos sus inconvenientes podrn ser
solucionados en los prximos aos a base del abaratamiento de la tecnologa
consecuencia de su masificacin.
1.1Obejtivos del proyecto
En la lnea de lo expuesto anteriormente, el objetivo de este trabajo es desarrollar
una plataforma para el anlisis del funcionamiento del grupo generador convertidor con
tecnologa del tipo SGFC.
Se realizara la simulacin de un generador sncrono de imanes permanentes, acoplado a
un convertidor en puente trifsico de IGBTs, as como un sistema de control que
permita controlar el grupo generador con el fin de que sea capaz de adaptarse a las
condiciones cambiantes del viento. As pues adecuaremos las especificaciones del
equipamiento experimental preciso para en un proyecto posterior construir un emulador.
-
7
2 DESCRIPCIN Y FUNCIONAMIENTO DE LOS
EQUIPOS CONSTITUYENTES DE UN SISTEMA
SGFC
En este captulo se pretende realizar un anlisis terico bsico de las maquinas
elctricas, componentes, sistemas y principios tericos que se han tenido en cuenta para
la realizacin tanto de la simulacin como de la bancada experimental.
Explicaremos su funcionamiento bsico, describiremos los componentes que los
forman y su funcin dentro del sistema de control. Todo esto est orientado a adquirir los
conocimientos necesarios sobre los elementos que vamos a emplear a lo largo de este
proyecto.
2.1 Maquina sncrona imanes permanentes
En este apartado vamos a hablar de la maquina sncrona de imanes permanentes o
MSIP, su composicin, su principio de funcionamiento y las principales caractersticas
de la misma, as como las ecuaciones que rigen su funcionamiento.
2.1.1 Descripcin bsica
Una generador sncrono tradicional se compone de dos partes principales, una
esttica denominada estator y una giratoria denominada rotor. Ambas partes estn
conectadas por medio de rodamientos o cojinetes. El hueco del aire que separa estator de
rotor se denomina entrehierro.
Figura 2-1: Rotor de imanes permanentes de dos pares de polos
-
8
-El estator de la maquina se sita en el exterior, est formado por el apilamiento de una
finas laminas cilndricas de acero al silicio (chapa magntica) aisladas entre s a las que
se les han realizado orificios o ranuras para situar en ellos los devanados trifsicos.
-El rotor de la maquina se sita concntrico con el estator, al igual que este, est formado
por el apilamiento de chapas magnticas. Dependiendo de la como este configurado
elctrica, magntica y mecnicamente el rotor podemos tener distintos tipos de mquinas;
la maquina es de polos salientes, de rotor cilndrico, de imanes interiores o de imanes
exteriores.
A parte de estas dos partes principales estas mquinas cuentan con ms elementos
mecnicos necesarios como una carcasa metlica de proteccin ventiladores acoplados al
eje para refrigeracin el eje para recibir o trasmitir potencia mecnica rodamientos, etc.
Hablando de la configuracin del rotor podemos tener cuatro tipos de mquinas sncronas
que explicaremos a continuacin.
Las mquinas de polos salientes tienen un devanado de excitacin en cada uno de los
polos del rotor. El camino del campo magntico no es uniforme en toda la circunferencia,
tiene un mejor camino en las extensiones polares que en las zonas interpolar donde hay
un entrehierro mayor. Para que la distribucin del campo magntico sea lo ms senoidal
posible las extensiones polares se hacen con un perfil determinado. Debido a estas
extensiones polares a la inercia que tendran, estas mquinas son utilizadas generalmente
en aplicaciones de baja velocidad.
Las mquinas de rotor cilndrico tienen el circuito magntico uniformemente distribuido
por todos los puntos. En estas mquinas el devanado de excitacin est distribuido de
forma que se crea un campo senoidal. Estas mquinas se utilizan en aplicaciones de alta
velocidad.
La principal desventaja que presentan este tipo de mquinas es el devanado de excitacin
ya que se encuentra en la parte mvil de la mquina, lo cual genera problemas para
acceder a l y alimentarlo. Habitualmente se utilizan escobillas o anillos rozantes lo que
conlleva a un desgaste de los mismos y a la necesidad de un mantenimiento peridico.
Hay diversas alternativas como puede ser utilizar un sistema de diodos giratorios pero
requiere de una segunda mquina para generar la tensin del devanado.
-
9
La utilizacin de imanes permanentes en el rotor surge como idea para solucionar los
problemas del devanado de excitacin. Los imanes generan intensos campos magnticos
sin la necesidad de alimentacin. Los niveles de induccin magntica son demasiado
elevados para imanes convencionales de ferrita. Por esto se utilizan imanes permanentes
de alta energa siendo los ms habituales lo de Neodimio-Hierro-Boro (Nd-Fe-B). Estos
imanes tienen un alto valor de fuerza coercitiva y de flujo remanente lo que los hace muy
adecuados para la tarea.
Existen dos configuraciones atendiendo a la distribucin de los imanes en el rotor de la
maquina:
Las mquinas de imanes superficiales son las ms sencillas en su construccin, ya que los
imanes estn pegados en la superficie del rotor. Esta configuracin est pensada para
mquinas de baja velocidad y su comportamiento magntico es muy similar a la mquina
de rotor cilndrico ya que la conductividad magntica de los imanes es similar a la del
aire considerando de esta forma constante el entrehierro en todo el rotor.
Las mquinas de imanes interiores son ms complicadas en su construccin los imanes
estn en el interior de la chapa del rotor. Esta configuracin es muy til para aplicaciones
de alta velocidad y su comportamiento magntico es similar al de una mquina de polos
salientes, debido a esto habr que tener en cuenta la diferencia del recorrido magntico
entre el eje directo y el eje en cuadratura.
-
10
2.1.2 Principio de funcionamiento
Para poder estudiar y comprender el funcionamiento de estas mquinas lo ms sencillo es
la utilizacin del circuito equivalente monofsico. La mquina que usaremos en el
proyecto ser una maquia sncrona de imanes exteriores y como tal su comportamiento y
circuito equivalente puede considerarse el mismo que el de una mquina de rotor
cilndrico.
Figura 2-2: Circuito equivalente MSIP
Las ecuaciones que rigen el comportamiento de la maquina son:
= 3
3
2
= 3
+
3
2 2 (
1
1
) 2
= 3
+
3 2
2 (
1
1
) 22
Donde:
-Q= potencia reactiva (VAr)
P = potencia activa (W)
Te= par de la maquina
U= tensin de la maquina (V)
-
11
I = corriente de la maquina (A)
Xd e Xq = inudctancia de la maquina eje directo y eje en cuadratura (H)
= velocidad del eje de la maquina en (rad/s)
Eo = f.e.m de la maquina (V)
La mquina puede funcionar en dos modos; en modo motor el par que proporciona la
maquina es generado por el acoplamiento del campo generado por las corrientes del
estator y el campo generado por los imanes permanentes. El campo creado en el rotor es
fijo, el acoplamiento con el campo del estator (50Hz) no es posible en el arranque ya que
la inercia de la maquina impide que el rotor sea capaz de seguir al estator. Es necesario
recurrir a mtodos alternativos como la electrnica de potencia para que este arranque sea
posible.
En su funcionamiento como generador tenemos un par mecnico que se ejerce sobre el
eje de la maquina acelerando de esta forma el rotor y al tener este un campo fijo generado
por los imanes permanentes se inducen en los devanados del estator un sistema trifsico
de tensiones, este sistema tendr la misma frecuencia que la velocidad de giro del eje, al
conectar este sistema a una carga tendremos un sistema trifsico de corrientes que
generaran un campo en el estator que seguir al de rotor manteniendo de esta manera fija
la velocidad y compensndose el incremento de par con incrementos de corriente.
-
12
Curva caracterstica mecnica
Como se ha comentado anteriormente las maquinas sncronas giran a la misma velocidad
que el campo magntico de las mismas. De modo que la curva caracterstica mecnica
de este tipo de maquina es completamente rgida, sea cual sea el punto de funcionamiento
la maquina trabajara siempre en el sincronismo como puede verse en la imagen.
Figura 2-3: Curva caracterstica mecnica
Si el par resistente supera al par magntico proporcionado por la maquina desaparecer
el acoplamiento magntico y se perder el sincronismo.
El par de la maquina depende del ngulo existente entre el campo magntico creado por
el devanado estatrico y el campo creado por los imanes del rotor. El par que es capaz
de aguantar la maquina es mximo cuando se encuentran desfasados 90 grados y seria 0
cuando ambos campos estuvieran alineados. Si el ngulo supera los 90 grados entraramos
en una zona de funcionamiento inestable, de esta forma el ngulo de trabajo mximo ser
menor de 90 grados y as poder tener un margen de seguridad para evitar una variacin
brusca del ngulo que desestabilizase la mquina.
Figura 2-4: Curva de estabilidad del par
-
13
2.1.3 Ventajas y desventajas
Las principales ventajas de la maquina sncrona de imanes permanentes son:
-No existe devanado de excitacin lo que elimina perdidas elctricas y aumenta el
rendimiento.
-Al haber eliminado las escobillas y anillos rozantes reducimos drsticamente el
mantenimiento de la mquina y la desaparicin de chispas.
-Se limitan los flujos de dispersin de imanes y distorsin armnica
-Reduccin del volumen de la mquina y aumento del par debido a la alta densidad de
potencia de estas mquinas.
-Se pueden construir maquinas lentas de muchos pares de polos ya que el tamao
superficial de los imanes no afecta a la capacidad de flujo de estos, reduciendo as
considerablemente el paso polar y consiguiendo ms polos en un espacio ms pequeo.
Las principales desventajas son:
-Mayor coste debido al alto coste de los imanes.
-No se puede regular el flujo magntico creado por el rotor, ya que el campo es creado
nicamente por los imanes.
-La regulacin y el control de estas mquinas es complejo ya que requiere de valores muy
precisos de la posicin del campo generado por los imanes.
2.1.4 Usos MSIP
Las maquinas sncronas de imanes permanentes al igual que cualquier maquina elctrica
pueden ser usadas como generadores o como motores. El uso como motor de esta clase
de maquina est muy extendido especialmente en los coche elctricos, que buscan un
motor potente, eficiente, pequeo y ligero. Otros usos como motor lo encontramos en
servomotores, maquinas herramienta e incluso podemos encontrarnos esta clase de
maquina funcionando como motor elctrico en algunos submarinos de ltima generacin.
Su uso como generador no est limitado a energa elica. Si bien es verdad que no hay
por el momento aplicaciones de alta potencia para esta clase de generador.
-
14
2.2 Sistema de control
El sistema de control lo forman todos los elementos y dispositivos necesarios para
poder llevar a cabo un adecuado control y regulacin de la maquina sncrona como
generador, que es el objetivo de este proyecto. A continuacin se explica someramente la
estructura sobre los principales elementos que forman este sistema de control.
En este apartado hablaremos de todos los componentes, sistemas y equipos necesarios
para el control del sistema SGFC as como de los principios tericos que rigen el control
de la mquina.
Figura 2-5: Diagrama del sistema de control
-
15
2.2.1 Sensor de posicin y velocidad Encoder
Figura 2-6: Imagen descriptiva de encoder incremental
Los sensores de velocidad y posicin son elementos que toman datos que nos permiten
conocer la velocidad, posicin o el ngulo girado por el eje de una maquina con respecto
a una referencia.
Estos dispositivos deben situarse en el eje de la mquina y deben estar perfectamente
alineados con el eje de la misma de manera que giren solidarios con el eje.
Existen distintos tipos de sensores de velocidad, los ms comunes son el resolver y el
encoder. El resolver se asemeja mucho a una maquina elctrica, es un tipo de
transformador rotativo con la peculiaridad de que al girar, sus devanados generan 2
seales senoidales desfasadas entre s. La posicin del eje se calcula interpretando estas
seales. Son unos robustos sensores que tienen su principal campo de aplicacin en
aplicaciones de mucha vibracin o movimiento.
El encoder es probablemente el tipo de sensor ms comn, consiste en un disco con varias
ranuras, a cada lado del disco se sitan un fototransistor y un fotodiodo, de manera que
cada vez que la ranura pasa por delante del fotodiodo el fototransistor recibe esa luz y la
transforma en un impulso elctrico en forma de seal. Si todas las ranuras producen la
misma seal entonces tenemos un encoder absoluto. Algunos de estos dispositivos
diferencian entre cada ranura, de forma que cada una de las seales que es recibida por el
receptor ser diferente al resto. Conociendo esto, se puede saber la posicin exacta y el
ngulo girado en cada instante.
-
16
Figura 2-7: Imagen descriptiva circuito encoder
La precisin del encoder se define por la cantidad de seales que genera por revolucin.
AL ser la salida de un encoder una seal digital, es habitual dar la presin de estos en
forma del nmero de bits de la seal de salida.
Simplemente con conocer la diferencia de posicin entre 2 medidas y el tiempo que ha
transcurrido entre ambas se obtiene la velocidad de giro.
Figura 2-8: Desarrollo de las seales encoder
-
17
2.2.2 Sensores de tensin y corriente
Los sensores de tensin y corriente nos permiten conocer la medida de la tensin entre
dos puntos y la corriente que circula por un conductor. Son esenciales en el sistema de
control para conocer estos parmetros en la mquina y poder corregir y calcular los
valores de consigna.
Los sensores ms habituales estn basados en una tecnologa llamada efecto Hall.
Figura 2-9: Diagrama funcionamiento sensor de corriente
Al circular la corriente por el conductor primario (rojo) en presencia de un campo
magntico perpendicular a la misma, se genera una diferencia de potencial en el cableado
secundario (verde), siendo esta tensin proporcional al valor de la corriente que circula
por el conductor rojo.
Cabe mencionar que en los sensores de corriente se dispone directamente de una seal de
corriente por el sensor, mientras que en los sensores de tensin es necesario convertir la
seal de tensin en una corriente para poder ser medida.
Figura 2-10: Sensor de corriente efecto Hall
-
18
2.2.3 Convertidores electrnicos
Se denomina convertidor electrnico a cualquier dispositivo capaz de convertir energa
elctrica en unas condiciones de tensin y frecuencia, a otra energa elctrica en diferentes
condiciones. Su principal uso es como convertidor de corriente alterna a continua o
viceversa.
Figura 2-11: Diagrama de un convertidor
Hay cuatro tipos fundamentales de convertidores electrnicos:
-CA/CC (rectificador) Transforma de corriente alterna a corriente continua
-CC/CC Transforma de un valor de corriente continua a otro valor de corriente continua
con aislamiento galvnico entre entrada y salida.
-CA/CA Regula el valor eficaz de la tensin alterna en la entrada. Muy utilizado en
arrancadores suaves para limitar la corriente que demande el motor en el arranque.
-CC/CA (Inversor) Transforma de corriente continua a corriente alterna de cualquier
tensin y frecuencia.
Los convertidores electrnicos que se van a usar sern el rectificador y el inversor.
Posteriormente vamos a explicar cmo funcionan y sus caractersticas.
Rectificador
Un rectificador es un componente electrnico con capacidad para transformar una seal
de corriente alterna de amplitud y frecuencia constantes en una seal de corriente
continua. Dependiendo de la tensin alterna a la entrada pueden ser monofsicos,
bifsicos, trifsicos, etc. Dependiendo ahora de la forma en que rectifiquen la seal
podemos tener rectificadores de media onda o de onda completa.
-
19
Por ultimo atendiendo a si tienen capacidad para ajustar la tensin a la salida pueden
distinguirse entre controlados o no controlados. Esta ltima distincin depender del tipo
de semiconductor que se est utilizando. Los parmetros a tener en cuenta en un
rectificador son el rendimiento y el rizado de la corriente de salida.
Los rectificadores estn compuestos por un puente de semiconductores, que podrn ser
diodos, tiristores o IGBTs dependiendo del rectificador. En el caso de la bancada de
experimentacin se utilizara un rectificador de diodos
-
20
2.2.4 Procesador digital de seales (DSP)
El ncleo de cualquier sistema de control es el procesador digital de seales o por sus
siglas en ingles DSP (Digital Signal Processor). Este microcontrolador se encarga de
recopilar la informacin emitida por los sensores y de dar las rdenes pertinentes a los
actuadores del sistema. La estructura de un DSP tiene bancos de memoria independientes
para instrucciones y datos, buses de transmisin separados para instrucciones y datos y la
posibilidad de leer al mismo tiempo un dato y una instruccin.
Figura 2-12: DSP
El funcionamiento bsico de un DSP est basado en la repeticin infinita de
interrupciones con una frecuencia fija o variable dentro de las cuales realiza un ciclo
completo de trabajo, completando todas las tareas antes de que empiece la siguiente
interrupcin.
Figura 2-13: Diagrama funcionamiento DSP
-
21
Las tareas ms habituales que llevara a cabo el DSP sern:
-Adquisicin de seales analgicas que vengan de un sensor de corriente o de tensin,
por ejemplo. Convertir estas seales en seales digitales que sean entendibles por el
microprocesador.
-Adquisicin de seales digitales que vengan de un sensor de posicin o de velocidad por
ejemplo.
-Ejecutar el algoritmo programado. Normalmente empleara seales obtenidas en las
entradas, funciones de transferencia, reguladores PID, etc.
-Generacin de seales PWM:
El DSP leer e interpretara las seales recogidas por los sensores de posicin tensin y
corriente, luego las filtrara y las usara como variables en el algoritmo de control.
Finalmente el algoritmo dar como resultado unas variables de control y el PWM generara
las seales adecuadas para que puedan ser entendidas por los IGBTs del inversor, para de
esta forma generar as las tensiones requeridas en el estator de la mquina.
2.2.5 Mtodos de control
Existen diversas estrategias para el control de mquinas elctricas. Para elegir la estrategia
adecuada hay que atender a las exigencias de la maquina a controlar y el objetivo del
control como la velocidad de respuesta, precisin, consumo, etc. Tambin hay que atender
a cul va a ser la variable a controlar: velocidad, par, corriente.
Podemos diferenciar las estrategias de control en 2 grandes grupos: control escalar y
control vectorial.
-
22
2.2.5.1Control escalar
El control escalar es el mecanismo ms bsico de control, es un mtodo robusto y sencillo
pero con una respuesta resulta lenta y poco precisa. Este control es el adecuado para el
control en el rgimen permanente de la maquina pero cuando analizamos el transitorio
percibimos muchos fallos. Este mtodo de control se utiliza cuando no hay necesidad de
una respuesta rpida.
Existen varios criterios de control, como el criterio de mximo rendimiento, el de mnima
corriente o el de ahorro energtico. El ms comn de todos ellos es el de tensin-
frecuencia o el criterio de flujo constante.
Este mtodo est basado en la idea de mantener una relacin contante tensin/frecuencia
en la mquina de manera que a cualquier velocidad trabaje a flujo mximo. Esto implica
que cuando se trabaja a velocidades menores que la nominal la frecuencia de alimentacin
ser menor y por lo tanto la tensin se reducir para mantener U/f=cte. Esta relacin de
proporcionalidad no es aplicable a velocidades superiores a la nominal ya que no se puede
subir la tensin por encima del valor nominal por razones de seguridad en los
aislamientos. Esto supone perder capacidad de par a velocidades superiores a la nominal
ya que la frecuencia subir pero la tensin se quedara en el valor nominal.
Figura 2-14: curva de Par-velocidad U/f=cte
-
23
2.2.5.2 Control vectorial. Teora de vectores espaciales
Esta estrategia de control est pensada para el rgimen transitorio, donde se puedan
controlar las variables de tensin y corriente en cada instante. Para poder llevar esto a
cabo se transforman estas variables en vectores espaciales, los cuales se proyectan sobre
una referencia (normalmente giratoria) donde se regulan ambas proyecciones de forma
independiente (eje q y eje d). Este control nos permite, en cada instante, situar la
referencia de tensin o corriente que sea necesaria en cada una de las fases para que de
esta forma la maquina responda conforme a la consigna que le hayamos indicado.
Para este control no recurrimos a las ecuaciones de la maquina en el equivalente
monofsico en rgimen permanente, por el contrario se utiliza la transformacin en
vectores espaciales que representan las variables de la maquina en cada uno de los instante
pudiendo as controlar la maquina en rgimen transitorio.
Un vector espacial es un vector utilizado para representar magnitudes, las cuales varan
de forma senoidal en el espacio. Est definido por un mdulo, que es proporcional al valor
mximo de la senoide, y por un argumento el cual coincide con la posicin en el espacio
donde este el valor mximo positivo. Trabajan con ngulos elctricos lo que genera el
termino fasor espacial, ms apropiado que vector espacial.
Cualquier sistema trifsico de tensiones o corrientes que este desfasado 120 en el tiempo
puede ser representado en vectores espaciales a travs de la siguiente transformacin:
Esta transformacin es un arreglo puramente matemtico con el fin de simplificar y
agilizar clculos posteriores para el control de una maquina elctrica.
-
24
El vector espacial que representa un sistema trifsico de tensiones puede ser
descompuesto en una referencia fija (estator) que es una componente real segn el eje X
y en una componente imaginaria segn el eje Y
Esta trasformacin de las 3 componentes trifsicas a las 2 componentes de referencia fija
espacial se denomina Transformada de Parke o transformada de 3 a 2:
Para simplificar los clculos y la ecuaciones de la mquina, el siguiente paso ser pasar
el vector espacial de la referencia fija de estator (en el que se encuentra) a una referencia
fija solidaria con el rotor de la mquina y que de esta forma gire junto a el flujo
magnetizante del rotor.
-
25
El cambio de referencia fija h a referencia mvil g se denomina transformada de
Clarke:
Despus de esta transformada tenemos el sistema trifsico definido como un vector
espacial descompuesto segn 2 ejes de referencia del flujo magntico del rotor de la
mquina. Estas componentes habitualmente se conocen como componente directa eje d
y componente en cuadratura eje q. A travs de ellas obtenemos las ecuaciones de la
maquina en rgimen transitorio, las cuales nos permiten realizar un control vectorial de
la maquina reduciendo al mnimo posible los clculos.
Con el fin de minimizar la carga terica y el desarrollo se va a mostrar de forma directa
las ecuaciones de la mquina de imanes permanentes exteriores en vectores espaciales
que sern las que se utilicen en este proyecto para controlar el generador en el rgimen
transitorio.
Si suponemos que el imn de la maquina puede asimilarse a una corriente ficticia If el
flujo f queda determinado por la inductancia Lmd:
La ecuacin del par quedara en funcin del nmero de pares de polos p:
= ( + )
La mquina se podra controlarse por debajo de la velocidad asignada si hiciramos que
Isd = 0 pero perderamos capacidad de par. Debido a que el par de reluctancia no es
despreciable.
-
26
Las ecuaciones representativas de la maquina quedaran as:
=
+
Usq =
+ +
Siendo:
-Rs= resistencia del estator ()
-Ls= inductancia de la maquina (H)
-= Flujo magntico (H*A)
- = velocidad del eje en rad/s
-U (sd-sq) = tensiones de la maquina (V)
-I (sd-sq) = corrientes de la maquina (A)
-
27
3 ELECCIN Y CARACTERIZACION DE LA
MAQUINA SINCRONA DE IMANES
PERMANENTES
En este captulo se van a realizar los diferentes ensayos de caracterizacin de la
maquina sncrona de imanes permanentes. Estos ensayos nos aportaran informacin sobre
los principales parmetros de la mquina que luego utilizaremos en el programa de
simulacin.
Haremos ensayos de vaco, de carga, determinaremos la resistencia de las fases y
evaluaremos cmo se comporta la mquina en diferentes condiciones.
3.1 Especificacin de la MSIP (Maquina Sncrona de Imanes
Permanentes)
La mquina que se va a evaluar y que va a ser objeto de simulacin de este proyecto
es una maquina sncrona de imanes permanentes, destinada en principio para ser utilizada
como motor pen aplicaciones industriales de baja potencia (400W) reversible, por lo tanto
utilizable como generador. Se trata del modelo EMJ-04 Series Servo Motor de la empresa
Anaheim Automation. Todas sus caractersticas, constructivas y elctricas se encuentran
en un documento en el apartado Anexos de este documento
Figura 3-1: MSIP
-
28
Esta mquina tiene dos partes principales, una es la maquina sncrona propiamente dicha
y la segunda parte es un encoder que viene acoplado a la mquina.
Figura 3-2: Despiece MSIP
En la placa de caractersticas de la maquina se muestra que la velocidad de giro es
3000rpm y contrariamente a lo que se pudiera pensar, esta mquina no tiene 1 par de
polos sino 4 (demostraremos y explicaremos esto en el siguiente captulo)
Figura 3-3: Placa de caractersticas MSIP
Es una mquina de imanes exteriores, se compone 8 imanes (4 pares de polos) Los imanes
son de (NdFeB) pegados de forma simtrica a lo largo de la superficie del rotor. Tiene un
envoltorio metlico no magntico alrededor de los imanes del rotor a modo de proteccin
para evitar que los imanes se despeguen debido a las fuerzas centrifugas, ya que esta
mquina est diseada para girar a una velocidad elevada de 3000rpm en la que hay riesgo
de que salgan despedidos y rompan la mquina.
-
29
Figura 3-4: Rotor (Izquierda) Estator (Derecha) MSIP
El comportamiento de esta mquina es equivalente al de un generador sncrono de rotor
liso debido a que la conductividad magntica de los imanes es muy similar a la del aire
por lo tanto podemos suponer constante el flujo magntico en todo el entrehierro.
Figura 3-5: Circuito equivalente MSIP
-
30
El estator de la maquina est formado por un devanado de trifsico conectado en estrella
a travs de un pequeo circuito impreso
La mquina viene con un encoder acoplado, de esta manera es muy sencillo medir la
velocidad y la posicin del eje en cualquier momento, algo esencial para el control de este
tipo de mquinas tanto si funcionan como generador como si lo hacen como motor.
Figura 3-6: Encoder de la MSIP
El encoder es de tipo incremental y genera 2500 pulsos por revolucin, tiene tres
secciones diferenciadas A, B y Z.
Figura 3-7: Representacin seales A, B y Z Encoder
A y B nos sirven para conocer la velocidad y el sentido de giro, sus seales estn
desfasadas 90 para conocer el giro el sentido de giro bastara con conocer que seal
recibimos primero, si se recibe primero A la maquina gira en sentido contrario a las agujas
del reloj, si recibimos primero B la maquina girara en el sentido de las agujas del reloj.
Para conocer la velocidad bastara por saber cuntos pulsos se reciben de A o de B en
cada revolucin y ajustarlo al tiempo en que se han recibido. Z nos sirve para conocer la
-
31
posicin de los imanes ya que en principio estar alineada con los imanes del rotor, de no
ser as tendramos que realizar varios ensayos y clculos para conocer su posicin exacta.
Tras algunos clculos con las seales recibidas conoceremos el ngulo de los imanes en
cada momento.
Durante la realizacin de los ensayos se pudo comprobar como la frecuencia de las
tensiones generadas de la maquina girando a 3000rpm eran de 200 Hz. Esto en una
primera evaluacin entra en conflicto con los datos de la placa de caractersticas. En un
primer anlisis pudiera parecer que al indicar en la placa de caractersticas una velocidad
de 3000rpm la maquina tendra un solo par de polos segn la ecuacin que relaciona la
velocidad con el nmero de pares de polos a travs de la frecuencia. Despus del ensayo
analizando la informacin obtenida nos damos cuenta que al aplicar la siguiente ecuacin
con 200Hz y 3000rpm el nmero de pares de polos debe ser de 4 y en consecuencia la
maquina tiene 8 imanes.
=60
Siendo:
-n = velocidad del eje de la maquina (rpm
-f = frecuencia de las tensiones y corrientes en el estator
-p = nmero de pares de polos, cada par de polos consta de 2 imanes
-
32
3.2Ensayos de caracterizacin
3.2.1 Ensayo de vaco
El ensayo de vaco se realiza con la intencin de evaluar la fuerza electromotriz
en funcin de la velocidad de giro del eje de la mquina. La manera de proceder en este
ensayo es conectar la maquina sin carga (con las bornas de salida sin conectar) se empieza
a arrastrar la maquina hasta la velocidad deseada y se va midiendo la tensin que se genera
en bornas de la misma. La peculiaridad que tienen estas mquinas es que al contrario que
los generadores sncronos tradicionales, no requieren de circuito de excitacin en el rotor,
por lo tanto no es necesario controla nada ms que la velocidad del rotor para generar
tensin en bornas de la maquia. Esta tensin aparece como resultado del movimiento de
los imanes del rotor. El campo magntico, generado por los imanes permanentes gira
solidario con el rotor, de esta forma las bobinas estatricas ven un campo magntico
variable, lo cual induce tensiones en ellas. Estas tensiones sern proporcionales a la
intensidad del campo magntico de los imanes, a la velocidad de giro del rotor, al nmero
de pares de polos y al entrehierro y la chapa metlica de la mquina que influyen
directamente en la induccin de los imanes en las bobinas estatricas.
Figura 3-8: Circuito equivalente MSIP
-
33
El ensayo se realiz a distintas velocidades utilizando un variador de frecuencia en la
maquina asncrona que arrastraba el generador sncrono de imanes permanentes
obtenindose los siguientes resultados:
Tabla 3-1: Ensayo de vaco
Tabla 3-2: F.e.m- velocidad
-
34
Como puede observarse la Fuerza electromotriz Eo es directamente proporcional a la
velocidad de giro de la maquina adems de serlo tambin la frecuencia de las tensiones
generadas. Ntese que esta mquina al tener 4 pares de polos, al llevarla a velocidades de
1000 o 3000 rpm genera frecuencias de 66.6Hz y 200Hz respectivamente, como debe ser
en una mquina de estas caractersticas.
Los datos obtenidos finales son:
= 3000 rpm = 1000 rpm
Eo = 93.5 V Eo = 30 V
F = 200 Hz f = 66.6 Hz
-
35
3.2.2 Determinacin de R
Para obtener los parmetros de la maquina necesarios para poder crear una
simulacin apropiada y un programa de control valido es necesario conocer la resistencia
elctrica del estator.
Para determinar la resistencia del devanado del estator de la maquina llevaremos a cabo
un sencillo ensayo. En nuestra maquina no tenemos acceso a los 2 extremos de cada fase,
la maquina tiene una configuracin de estrella en su devanado estatrico en la que no
podemos acceder al neutro. Por este motivo el procedimiento ser el siguiente:
Figura 3-9: Diagrama ensayo determinacin de R
Utilizando el polmetro mediremos la resistencia entre una de las fases (por ejemplo la
fase R) y otra (por ejemplo la fase S) y debido a la configuracin de nuestra maquina
estaremos midiendo la resistencia de 2 devanados en serie el de la fase R y la S
Reproduciremos el mismo procedimiento entre la fase R y T y entre las fases S y T para
garantizar que todos los valores son idnticos.
Una vez tengamos estos valores habr que dividir la resistencia medida en cada medida
entre 2 para conocer as la resistencia de cada fase individualmente. Realizaremos esta
operacin en todas para de esta forma garantizar y comprobar que son iguales.
=
2
=
2=
2
=2.15
Por lo tanto para el circuito monofsico equivalente se utilizara Rs=2.15
-
36
3.2.3 Ensayo de carga. Determinacin de L
Para la determinacin de la inductancia de la maquina L se recurre al ensayo en
carga. Esta mquina al ser de imanes permanentes es especialmente sensible a las
corrientes elevadas por el estator, estas corrientes podran desmagnetizar los imanes, por
lo que no es conveniente someterla a altos valores de corriente. La forma de determinar
el parmetro L ser a travs de un ensayo con una carga resistiva. En este ensayo se
trata de determinar la inductancia de la mquina, basndose en su diagrama fasorial,
Figura 3-10: Diagrama fasorial ensayo de carga
Como puede apreciarse en el diagrama fasorial no hay desfase entre la corriente y la
tensin, esto lo conseguimos colocando una carga resistiva pura en las tornas de salida de
la mquina (como puede apreciarse en el circuito equivalente)
Figura 3-11: Circuito equivalente ensayo de carga
De esta manera se trata de medir tensin y corriente en la maquina cuando se somete a
varias cargas resistivas puras. Mediremos tambin la velocidad de la maquina
consiguiendo as todos los parmetros necesarios para obtener la L a travs del diagrama
fasorial.
-
37
W (rad/s) 628,32
E fase (V) 26,616 L (H) 0,011
R () 2,15
U (V) I (A) U fase (V) RI XI XS L (H)
39,70 1,12 22,92 2,40 8,20 7,35 0,012
34,90 1,70 20,15 3,66 11,91 7,00 0,011
34,00 1,79 19,63 3,85 12,54 7,00 0,011
33,60 1,84 19,40 3,95 12,78 6,96 0,011
32,70 1,92 18,88 4,13 13,38 6,97 0,011
31,90 2,00 18,42 4,30 13,87 6,93 0,011
Tabla 3-3: Ensayo de Carga
Despus de obtener diversos puntos del ensayo vamos a proceder a calcular uno de los
puntos, haremos lo mismo con el resto para confirmar y verificar el valor de la inductancia
que debe ser el mismo para cualquier punto de funcionamiento.
Despejando la L en la ecuacin nos queda:
=2 ( + )
2
Siendo:
- = 2.15
- = velocidad del eje (rad/s)
-E= f.e.m a la misma de la ecuacin (V)
-U tensin de la maquina (V)
-I corriente de la maquina (A)
Obtenemos:
L = 0.011 Henrios
-
38
3.2.4 Determinacin del flujo magntico generado por los imanes
permanentes
Una vez que tenemos las caractersticas del circuito equivalente monofsico, lo siguiente
que debemos hacer es obtener la caracterstica magntica de nuestra mquina. Al no
disponer de un devanado de excitacin la caracterstica magntica depende
exclusivamente de los imanes instalados en el rotor.
Como explicaremos ms adelante, esta caracterstica puede ser incluida en el modelo de
varias formas distintas; dependiendo del parmetro de tensin inducida Kv, del parmetro
de par Kt y del parmetro de flujo establecido por los imanes. Todas ellas son
proporcionales entre s, de manera que teniendo solo una pueden obtenerse el resto.
El valor ms fcil de obtener es el parmetro de tensin inducida Kv.Este parmetro
representa el valor de la tensin pico de lnea en vaco a 1000rpm(/). De
esta forma Kv pude obtenerse a travs de la tensin eficaz de fase a 1000 rpm de la
siguiente forma:
=
=
(1000)321
Siendo en la ecuacin Vfe (1000rpm) la tensin de fase eficaz de la mquina de imanes
girando a 1000rpm obtenida en uno de los ensayos de vaco.
El flujo de los imanes es equivalente al flujo del devanado de excitacin.
=n*
De esta forma y a travs de la ecuacin fundamental de las mquinas elctricas, se
relacionan la constante de voltaje Kv con el flujo establecido por los imanes :
Eo=4.44*f* n* =4.44*f* =4.44*(
2*p)*
Podemos poner la FEM como funcin de la constante de voltaje:
3 2 = 1
=
6
-
39
Por lo tanto tenemos
6= 4.44 (
2
p)
Donde:
p= pares de polos (en nuestro caso 4)
= velocidad de giro del rotor en rad/s (correspondientes a 1000 rpm)
=6 4.44 1000
15
Kv=725.049*
= V*s
-
40
-
41
4 Desarrollo del programa de simulacin
En este captulo que vamos a plantear un modelo de simulacin capaz de emular
la maquina sncrona, respondiendo de la misma manera que la maquina real.
Primeramente se va a plantear la plataforma en la cual hemos desarrollado la simulacin
prestando especial atencin a las caractersticas que la convierten en la mejor opcin para
realizar la tarea de emular un sistema como el planteado en este proyecto. A continuacin
mostraremos la estructura de simulacin del sistema que debido a su complejidad se ha
decidido separarlo en cinco partes:
-Bloque MSIP
-Etapa de Alterna
-Convertidor
-Sistema de control
-Etapa de continua.
En cada uno de estos cinco apartados explicaremos de forma detallada, qu clase de
bloques componen cada uno de los sistemas y como configurarlos, aportando cuando sea
oportuno informacin acerca de los errores ms comunes.
El sistema de control presenta una especial complejidad debido a la gran cantidad de
clculos y de variables que en l se ejecutan. Por este motivo se ha decidido dedicarle un
apartado para poder explicar con todo el detalle la manera en que se ha puesto en
funcionamiento y de cmo se ha construido y configurado para que la simulacin sea
correcta.
Una vez hemos detallado cmo funciona el sistema de control en la plataforma Matlab
simulink vamos a pasar a la tarea de explicar porque se ha elegido ese algoritmo de
control y cules son los principios fsicos y tericos que se encuentran detrs de el mismo.
Despus de haber detallado la simulacin, de haber explicado el funcionamiento del
sistema de control y de la teora detrs del mismo, comienza la tarea de ajustar los
reguladores PI con el fin de conseguir que el sistema responda de la manera deseada.
Finalmente cuando ya tengamos toda la simulacin configurada y ajustada los parmetros
que hayamos decidido es el turno de validar que la simulacin se comporta de manera
-
42
correcta y de que sirve como un buen emulador de la que ocurrira en la realidad, para
ello se van a realizar diversas pruebas y ensayos en la simulacin. Desde su testeo con
una carga trifsica sin control alguno pasando por un ensayo con una carga en continua
utilizando un puente de diodos, para finalmente probar la simulacin con el convertidor
de IGBTs controlando la velocidad de la mquina. Mostraremos cmo se comporta la
maquina en los tres casos y confirmaremos la correcta ejecucin de la simulacin.
-
43
4.1 Entorno de simulacin
Para realizar la simulacin del programa de control se ha optado por utilizar la
plataforma Matlab Simulik ya que adems de proporcionarnos una capacidad de clculo
ms que suficiente para la simulacin de un sistema de la complejidad y caractersticas
que conlleva el control de un generador sncrono con un convertidor electrnico de
potencia plena (SGFC por sus siglas en ingls: Synchronous Generator Full Coverter)
contiene una gran cantidad de libreras y de sistemas que sern de gran ayuda y utilidad
a la hora de crear todos los bloques necesarios y de proporcionar todos los datos que
deseemos extraer.
Simulinik se define como un entorno de diagramas de bloques para la simulacin y
modelado multidominio, tambin admite el diseo y la simulacin a nivel de sistemas, la
generacin automtica de cdigos y las pruebas y las verificaciones continas de los
sistemas embebidos. Simulink nos ofrece un editor grfico para gestionar y crear sistemas
continuos y discretos, bibliotecas personalizadas de bloques, herramientas solvers para
simular los sistemas dinmicos,Scopes y data displays para poder ver los resultados
de una simulacin, y muchos otros. Est completamente integrado con Matlab, lo que nos
ofrece la posibilidad de incorporar algoritmos de Matlab en nuestros modelos y de poder
exportar los resultados obtenidos en simulacin al propio Matlab con el objeto de llevar
a cabo un anlisis ms detallado de nuestros resultados. Una de estas posibilidades es la
de crear un bloque en Simulink que funcione con un algoritmo programado en Matlab lo
nos abre un gran abanico de posibilidades. Como por ejemplo generar funciones
complejas para ser implementadas como bloques en la simulacin.
Tenemos una biblioteca predefinida en la que encontramos bloques predefinidos que
podemos combinar con el fin de crear un detallado diagrama de bloques. Tenemos a
nuestra disposicin herramientas de modelado jerrquico, gestin de datos y
personalizacin de subsistemas, que permiten representar complejos sistemas de una
manera precisa y concisa. Podemos distinguir 3 clases principales de bloques:
-Dinmicos, continuos y discretos, como Integration y Unit Delay
-Algoritmos, como Sum, Product y Lookup Table
-Estructurales como Mux, Switch y Bus Selector
-
44
Esta plataforma permite crear bloques personalizados e incorporarlos a la biblioteca,
adems tiene varios productos complementarios que nos permiten incorporar
componentes para aplicaciones especializadas tales como: Aeroespacial,
comunicaciones, control PID, lgica de control, procesamiento de seales, video, imagen
y otras muchas ms aplicaciones. Existen adems otros complementos para modelar
sistemas fsicos con componentes mecnicos, elctricos e hidrulicos.
La simulacin de un modelo nos permite emular el funcionamiento y comportamiento
dinmico de un sistema a la par que vemos los resultados del mismo conforme se va
ejecutando. Tambin podemos usar Simulink para la gestin de proyectos gracias a su
facilidad para gestionar archivos componentes y grandes cantidades de datos tiles en un
proyecto. Simulink nos brinda la oportunidad de conectar nuestro modelo a un hardware
para realizar pruebas en tiempo real y poder desplegar sistemas embebidos lo que podra
ser de gran utilidad en el caso de poder llevar el sistema simulado a la realidad.
Por todo ello y por la facilidad de los alumnos de obtener este programa, ya que es posible
adquirirlo a un bajo coste o utilizarlo en la multitud de ordenadores con licencia de los
que dispone la universidad es por lo que se ha decidido utilizar Simulink como el
programa clave para el desarrollo y programacin de un sistema que nos permita simular
con todo lujo de detalle el funcionamiento de un generador sncrono de imanes
permanentes y de su control.
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4.2 Estructura del modelo de simulacin del sistema.
En el siguiente diagrama mostramos el modelo de simulacin del sistema y vamos a
explicar cada una de sus partes paso por paso.
Figura 4-1: Esquema de control (Simulink)
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4.2.1 Bloque MSIP
Lo primero que se debe hacer es acceder a la librera de Simscape en particular a la de
SimPowerSystems. En esta librera encontraremos la mayora de los bloques que
necesitaremos para desarrollar esta simulacin. El primer bloque en implementar en la
simulacin y el primero a configurar ser la maquina sncrona a simular. Dado que la
mquina que vamos a simular es un generador sncrono de imanes permanentes
comenzaremos por seleccionar el bloque ms apropiado de entre los ofrecidos por
Simulink. En la librera de SimPowerSystems encontramos dos subapartados; Second
Generation y Third Generation donde se encuentran los siguientes bloques:
Figura 4-2: Bloques (Simulink) MSIP
El primero nos ofrece una mejor visualizacin y una mejor acceso y configuracin de los
parmetros esenciales de la mquina, tales como acceso por separado a las 3 fases, un
rpido y sencillo acceso a los datos proporcionados por la maquina como la velocidad, el
ngulo y par electromagntico. Finalmente un rpido y cmodo acceso al par de la
mquina, el proporcionado de forma externa a la mquina y el generado por ella misma.
Debido a esto se ha seleccionado este primer bloque como mquina para nuestra
simulacin.
Esta mquina puede funcionar como motor y como generador. La diferencia radica en por
donde aportemos la energa. Si alimentamos elctricamente a la maquina por las entradas
A, B y C, esta funcionara como un motor de imanes permanentes y por el conector Tm
tendremos acceso al par generado por este motor que ser positivo. Si por el contrario
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aportamos energa a la maquina en forma de par en el eje esta funcionara como generador,
produciendo corrientes y tensiones senoidales en las salidas A, B y C. Por el conector
Tm introduciremos un valor de par con signo negativo, de esta manera la maquina
interpretara que se trata de un para aportado en el eje y actuara en consecuencia como un
generador de imanes permanentes.
Para configurar correctamente la maquina necesitaremos los datos obtenidos en los
ensayos de vaco, carga y determinacin de la resistencia del estator.
Como se ha comprobado en anteriores apartados, esta mquina tiene 4 pares de polos y
los imanes estn pegados a la superficie del rotor, de esta manera y como se ha explicado
en apartados anteriores la maquina se comportara como si fuera de rotor cilndrico.
Figura 4-3: Configurador MSIP1 (Simulink)
Como podemos apreciar en la figura, hay 3 pestaas de configuracion interna de la
maquina. Procederemos entonces a explicar cada uno de ellos paso a paso.
En esta primera pestaa configuraremos caracteristicas contructivas de la maquina: el
numero de fases del estator que sera de 3, el tipo de onda que generara sera senoidal como
es lo habitual, el tipo de rotor sera cilindrico y la entrada sera el par como se ha comentado
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con anterioridad. Prescindiremos de la opcion Present Model ya que nos da la
posibilidad se seleccionar una maquina preconfigurada y en nuestro caso ya tenemos unos
parametros caracteristicos reales que implementar.
Aqu cambiaremos las caractersticas como el nmero de fases y el tipo de rotor de
nuestra mquina y cambiaremos el puerto Mechanical input a Torque Tm para poder
tener una entrada de par en la maquina a la que posteriormente conectaremos un bloque
que nos ira dando un par proporcional a la velocidad de giro de la maquina simulando un
sistema solidario, que ira con signo negativo para que el bloque del MSIP lo entienda
como par entrante.
Figura 4-4: Configurador MSIP2 (Simulink)
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-La resistencia de fase (+)
-La inductancia (+)
-Nmero de pares de polos (+)
-Condiciones iniciales (+)
Esta segunda pestaa se centra en los parmetros elctricos de la mquina, como puede
apreciarse. La resistencia de fase, La inductancia y el nmero de pares de polos se
configuraran de acuerdo a los valores obtenidos en los ensayos.
La ltima etapa de la configuracin es la ms importante ya que relaciona el flujo
magntico de los imanes con la f.e.m. Para configurar este apartado se ha optado por la
opcin Voltaje Constant (V_peak L-L /krpm). El dato de este apartado ha sido
demostrado y calculado con anterioridad en el apartado (3.2.4). El resto de datos los
dejaremos por defecto. Una vez completada la configuracin, haremos clik izquierdo
en el botn Apply y el programa calculara e implementara todas las variables de manera
que generador funcione de acuerdo con los datos introducidos.
Una vez configurada la maquina el siguiente paso ser encargarse de las salidas y
entradas de datos en el misma. Colocaremos un bloque MUX en la salida m de la
mquina. Por esta salida la maquina puede ofrecernos multitud de informacin, pero a
nosotros nos interesa solamente el par electromagntico Te, la velocidad del eje
expresada en radianes/segundo y el ngulo Theta. Las salidas de velocidad y del ngulo
irn directamente al sistema de control. Para poder visualizar el par electromagntico y la
velocidad del eje de forma directa colocaremos un Scope en sus salidas, pasando la
salida de la velocidad por un multiplicador que nos convertira los radianes/segundo en
rpm, un dato ms cmodo de visualizar. Finalmente como se ha comentado la entrada de
par de la maquina ser con signo negativo y utilizaremos el bloque Constant en el que
escribiremos el valor de par que queramos.
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Figura 4-5: Salida informacin MSIP (Simulink)
4.2.2 Etapa de alterna
En la etapa de alterna nos ocupamos de conectar las salidas A, B y C del generador al
inversor. El problema es que necesitamos obtener informacin sobre las tensiones y
corrientes de cada fase. Simulink nos ofrece diversas alternativas. En la librera de
SimPowerSystems tenemos la opcin de usar un ampermetro para cada fase:
Figura 4-6: Adquisicin de datos opcion1 (Simulink)
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As tomaremos las muestras de corriente de cada fase por separado y unos voltmetros
entre fase y fase de la misma forma. Esta solucin se plantea confusa a nivel visual ya
que tendremos multitud de aparatos y de lneas cruzndose entre s. Adems de ralentizar
el proceso de simulacin. Por suerte Simulink nos ofrece una alternativa ms sencilla a
nivel visual que facilita mucho el anlisis. Se trata de un bloque de adquisicin de datos
llamado Three-Phase V-I Measurement. Las 3 fases del generador se conectaran de
forma directa en este bloque y luego saldrn del mismo para acabar en el inversor. En
este bloque se miden las 3 corrientes Ia, Ib e Ic y las 3 tensiones Va, Vb y Vc. Estas
medidas de tensin y corriente son 2 salidas del bloque, las conectaremos por medio de
un bloque MUX a un Scope para poder monitorizarlas conjuntas o de forma
individual. En particular la salida de corriente ira tambin al sistema de control.
Figura 4-7: Adquisicin de datos opcion2 (Simulink)
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El bloque Three-Phase V-I Measurement viene configurado por defecto como se
muestra en la imagen, as que lo dejaremos como esta ya que nos interesa que las medidas
sean fase-neutro.
Figura 4-8: Configuracin Bloque Adquisicin de datos (Simulink)
Cabe mencionar la importancia de instalar una resistencia de 1 M en paralelo con el
sistema ya que de lo contrario la simulacin dar un error en el bloque Three-Phase V-I
Measurement y de esta forma solucionamos el error y permitimos al bloque trabajar
adecuadamente.
Figura 4-9: Error en Bloque Adquisicin de datos MSIP (Simulink)
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4.2.3 Inversor
El inversor es un bloque cable en la simulacin, recibir las seales de disparo del PWM
y las convertir en las consignas de tensin que se hayan calculado en el sistema de
control.
Figura 4-10: Inversor (Simulink)
Tenemos multitud de convertidores electrnicos a elegir, IGTs, diodos, mosfet, todos
ellos como bloques separados o el bloque Universal Bridge
Figura 4-11: Configuracin Inversor (Simulink)
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Para configurar el bloque del inversor dejaremos todos los parmetros del inversor por
defecto, tales como la resistencia, la capacitancia entre otros. Si nos encargaremos de
elegir el nmero de ramas del convertidor, en este caso sern 3 por tratarse de un sistema
trifsico. En el desplegable Power Electronic device se nos da la posibilidad de tener
un amplio abanico de convertidores, diodos, mosfet, IGBTs. Se utilizara un convertidor
de IGBT por tratarse de los nicos con capacidad suficiente como para controlar la
mquina de imanes con suficiente eficacia. Cuando se hayan seleccionado la opcin de
los IGBTS se har clik izquierdo una vez ms en Apply y ya tendremos el
convertidor perfectamente configurado.
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4.2.4 Etapa de continua
En esta parte del sistema es la ms simple de definir, se trata de tener una carga que
absorba la energa que se producida por el generador. Para esta tarea se ha optado por una
resistencia pura. Se podra haber utilizado una carga diferente con parte inductiva o
capacitiva pero nos interesa que la tensin y corriente estn fase para que el anlisis de
los resultados sea ms sencillo y para que a la hora de variar la carga para tomar medidas
los resultados sean mucho ms fciles de predecir. Mientras el programa este calculando
la simulacin no ser posible variar el valor de la resistencia, lo que nos obliga a tener
que correr una simulacin para cada carga.
Figura 4-12: Etapa de continua (Simulink)
En la etapa de alterna planteamos la posibilidad de utilizar ampermetros y voltmetros
para obtener las medidas de tensin y corriente, finalmente las acabamos descartando por
ser muy liosas a nivel visual y por existir mejores opciones. En el caso de la etapa de
continua, son la mejor opcin ya que nos permiten una lectura rpida y precisa de las
variables lo que convierte el circuito en una imagen muy sencilla y clara.
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Figura 4-13: Configuracin resistencia (Simulink)
La resistencia es fcilmente configurable. En inicio lo que tenemos es una carga que tiene
componente resistiva, inductiva y capacitiva, al configurarla se nos da la opcin de variar
entre combinaciones de las 3 y una vez seleccionada una configuracin podemos cambiar
el valor de cada componente de forma independiente. Luego para formalizar el resultado
como en el resto de bloques hacemos click izquierdo sobre Apply y lo tendramos
todo preparado.
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4.3 Desarrollo de la estrategia de control
El convertidor realiza el control de la tensin aplicada al generador. Para ello es preciso
que como se ha comentado anteriormente las seales para el encendido de los IGBTs se
generan a partir de las consignas de las componentes de tensin en el eje directo y en el
eje en cuadratura de la referencia cartesiana, determinada por la posicin del eje polar del
rotor. El proceso para generar estas seales consta de varios lazos con varias ecuaciones
que vamos a proceder a explicar.
Las ecuaciones que permiten relacionan las componentes directa y en cuadratura de
tensiones y corrientes del generador son las siguientes:
=
+
Usq =
+ +
Como se puede apreciar, existe un acoplamiento cruzado entre las componentes de
tensin y corriente. La tensin del eje directo necesaria para que la maquina consiga una
determinada tasa de crecimiento de la corriente de la corriente del eje directo depende
directamente del valor de la corriente del eje en cuadratura. La f.e.m de la maquina puede
ser considerada como una perturbacin si se mira desde el punto de vista de la regulacin.
Esta perturbacin puede ser conocida lo que nos permite crear un sistema de regulacin
con una mejor respuesta en los regmenes transitorios.
Para desarrollar un correcto sistema de regulacin expresamos el valor de cada
componente de tensin como suma de 2 trminos.
Usd= Usdtermino + Usdcompensacin
Usq = Usqtermino + Usqcompensacin
La componente que la tensin que hacen crecer cada una de las corrientes:
Usdtermino = -Rs*Id
Usqtermino = -Rs*Id
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Los trminos de compensacin de la f.e.m:
Usdcompensacin = Ls**p*Isq
Usqcompensacin = -Ls* *p*Isd +*
El regulador ms apropiado para utilizar en la generacin de los valores de referencia de
tensin partiendo del error entre la corriente medida de la mquina y la de consigna es del
tipo (Proporcional-Integral) PI. Esta clase de reguladores anulan el error en rgimen
permanente y no hacen lento el sistema, esto los hace los ms usados en la prctica.
La constante de tiempo que afecta a la dinmica de las corrientes es la misma, debido a
esto las constantes de los reguladores que generen las consignas de tensin en el eje
directo y en cuadratura sern las mismas.
De esta forma el sistema que vamos a generar constara de la creacin de los valores de
referencia de Isq e Isd a partir de las consignas de ambas.
Isd indica el valor de la componente reactiva de la potencia que deseamos generar, en
nuestro caso nos interesa que el valor de la componente reactiva sea 0 siempre y cuando
la maquina opere por debajo de su velocidad nominal. Por el contrario cuando la maquina
deba funcionar por encima de su velocidad nominal nos interesara que existiera
componente reactiva de la potencia para de esta manera debilitar el campo magntico
creado por los imanes y reducir en la proporcin adecuada la f.em para que en ningn
momento la maquina trabaje con una componente de la tensin superior a la nominal
Isq es un indicador del par de la mquina y como tal nos interesa controlarla debidamente.
La consigna de Isq ser entonces el resultado del comparador entre la velocidad real de
la mquina y la velocidad de consigna. Ya que modificando Isq es cmo conseguimos
modificar el par de la mquina alcanzando as un punto de equilibrio a la velocidad que
le estemos marcando al sistema. De esta forma la consigna de velocidad se transforma en
una consigna de Isq (Par) con su correspondiente PI regulando la salida del comparador.
Basndose en todo lo explicado en este apartado el diagrama de control de la maquina
sncrona de imanes permanentes regulada en velocidad quedara de la siguiente manera:
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Figura 4-14: Diagrama de bloques del control
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4.4 Programacin del modelo de control
Para la programacin del bloque de control necesitaremos de varios datos del sistema,
estos valores ya han sido obtenidos en anteriores etapas y ahora solo queda introducirlos
en el sistema de control.
Figura 4-15: sistema de control (Simulink)
Por un lado introduciremos la velocidad del eje en radianes y el ngulo, ambos datos los
obtenemos directamente del MUX de la mquina de imanes como se ha comentado con
anterioridad. Las corrientes Ia, Ib e Ic se obtendrn del bloque Three-Phase V-I
Measurement aunque al venir las 3 seales en una tendremos que descomponerlas
posteriormente de forma adecuada dentro del bloque de control. Finalmente necesitamos
introducir un valor de consigna de la velocidad. Este valor lo introduciremos en forma de
radianes/segundo pero para agilizar la entrada de datos y que sea ms cmoda la
realizacin de la simulacin, emplearemos un multiplicador para convertir la entrada
expresada en rpm a radianes/segundo. De esta forma quedaran especificadas las entradas
al bloque de control. Las salidas del bloque de control son las 3 tensiones de referencia
Ur_ref, Us_ref y Ut_ref. Aqu se presenta el problema de cmo convertir esas tres seales
de consigna en un dato que pueda ser entendido por los IGBTs. Para ello Simulink tiene
varias opciones dependiendo de lo que queramos controlar y como. En la librera de
SimPowerSystems en el apartado de Pulse & Signal Generator encontramos varios
bloques que pueden sernos de utilidad.
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Figura 4-16: Tipos de PWM (Simulink)
Los 2 inferiores los descartamos por no cumplir ninguno de los requisitos de nuestra
simulacin. Los 2 superiores son opciones viables, lo nico que los diferencia es el
nmero de seales que generan. Como hemos elegido un convertidor con 6 IGBTs se
requiere un PWM capaz de generar 6 seales de disparo para controlar cada uno de los
IGBTs. El bloque PWM Generator (2-Level) genera estas 6 seales para un sistema
trifsico por lo que ser el bloque que utilicemos.
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Una vez hayamos seleccionado el bloque PWM vamos a proceder a configurarlo.
Figura 4-17: Configuracin PWM (Simulink)
Lo primero que haremos ser seleccionar la opcin de 6 pulsos ya que es la nica que nos
sirve para nuestro convertidor. El modo de operacin del PWM ser Unsynchronized.
La frecuencia la dejaremos en su valor configurado por defecto y el tiempo de muestreo
tomaremos un 30% mas que la frecuencia para ir sobre seguro y no tener ningn
problema.
(60*50)*130% = 4000
1/4000 =25e-6
Finalmente para formalizar el resultado, como en el resto de Bloques, hacemos click
izquierdo sobre Apply y lo tendramos todo listo.
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Este bloque requiere bastante capacidad de clculo as que para no ralentizar en exceso la
simulacin una de las opciones a nuestra disposicin es instalar una memoria entre las
seales de referencia y el PWM de esta manera reduciremos considerablemente el tiempo
de simulacin manteniendo la eficacia y la funcin de todos los bloques inalterable.
Como las seales de referencia que genera el bloque de control son tres y el PWM solo
acepta una nica entrada ser necesario instalar un bloque DeMUX. El color del bloque
pasara a azul debido a que simulik lo interpreta como una seal digital.
Figura 4-18: Memoria (Simulink)
Con este bloque DeMUX convertimos las 3 seales de referencia en una sola para que
la interprete el PWM una vez hecho esto todo el sistema de control funcionaria
correctamente. Hemos colocado 2 Scopes uno antes del PWM y otro despus para
monitorizar el funcionamiento. Efectivamente podemos comprobar como el PWM
convierta las seales senoidales del sistema de control en pulsos de apertura y cierre de
los IGBTs
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Figura 4-19: Scope Consigna_u (Simulink)
En la imagen superior apreciamos las 3 seales senoidales de referencia, mientras que en
la imagen superior podemos apreciar los 6 pulsos. Con un anlisis detallado puede
apreciarse que siempre hay 1 pulso complementario a otro debido a que no se pueden
abrir 2 IGBTs de la misma rama porque se producira un cortocircuito.
Figura 4-20: Scope Cnsigna_u1 (Simulink)
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Figura 4-21: Diagrama de control (Simulink)
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Ahora que ya hemos explicado los sistemas y bloques externos al bloque de control vamos
a proceder a explicar en detalle cmo se ha creado, configurado y puesto en
funcionamiento este bloque de control.
Lo primero que se debe hacer es crear un subsistema en Simulik. Para ello basta con
seleccionar un par de bloques hacer click derecho y seleccionar la opcin de Create
subsystem from selection. Con el subsistema creado hacemos doble click izquierdo
sobre l y accedemos a dentro del mismo. Dentro nos encontraremos a parte de los
bloques que hayamos metido dentro con unas entradas y salidas:
Figura 4-22: Bloque salid o entrada de subsistema (Simulink)
Estos pequeos bloques pueden configurarse como salidas o entradas al sistema y pueden
crearse mas entradas o salidas fcilmente, bastara con copiar y pegar uno de ellos.
Para este sistema de control solo requerimos de 3 salidas, Ur_ref, Us_ref y Ut_ref.
Necesitaremos tambin de 4 entradas, W_eje, W_ref, ang y Iabc.
Vamos a proceder a explicar cada uno de los subsistemas dentro del Bloque de control de
forma separada para despus entrar a explicar la configuracin de los lazos,
comparadores, PI, Scopes, multiplicadores y dems.
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4.4.1 Subsistema IND1
Como se ha explicado en el apartado 4.3 Desarrollo de la estrategia de control para el
sistema de control necesitamos transformar las corrientes Ia, Ib e Ic en Isq e Isd, para ellos
crearemos otro subsistema dentro donde se realizaran las transformadas de Park y Clarke.
Figura 4-23: Subsistema IND1 (Simulink)
Lo primero que se debe hacer es descomponer la seal Iabc (entrada del bloque) en las 3
corrientes Ia, Ib e Ic. Seguidamente se realizara la transformacin de Ia, Ib, Ic a IsDx e
IsDY mediante la transformacin de Park. Para esta trasformacin se ha decidido crear
otro subsistema con el fin de tener el diagrama lo ms ordenado posible.
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Figura 4-24: Subsistema IND1 (Park) (Simulink)
Los bloques utilizados para esta parte son muy sencillos no son ms que un sumador y un
bloque que multiplica el valor a la entrada y lo enva a su salida. El diagrama obedece a
las ecuaciones de la trasformada de park que se explic en captulos anteriores.
Teniendo ya IsDX e IsDY toca ahora realizar la transformada de Clarke, para ello se
requiere del ngulo que es otra de las entradas del sistema.
Figura 4-25: Subsistema IND1 (Clarke) (Simulink)
Lo que haremos aqu ser instalar 2 bloques f (u) como los vistos en la figura que lo
que hacen es tomar valores de variables llamadas u y operarlas dentro de ellos como
nosotros decidamos ya que se nos permite realizar casi cualquier operacin.
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Figura 4-26: Clarke Q1 (Simulink)
Figura 4-27: Clarke Q2 (Simulink)
Una vez realizadas las transformaciones solo nos queda enviar a la salida del bloque las
seales de Isq e Isd para que sean utilizadas en el algoritmo de control.
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4.4.2 Diagrama de bloques
En este apartado vamos a tratar la configuracin del algoritmo en Simulink y la
generacin de las seales. Siguiendo la configuracin definida en el apartado 4.3 la
elaboracin de este apartado ser ms sencilla.
Para empezar elaboraremos el lazo de Isd puesto que es el ms simple y tiene menor
complejidad. Comenzaremos por colocar un bloque comparador muy fcil de encontrar
en Simulink, al cual conectaremos en su parte negativa la salida Isd del bloque ind1. En
la parte positiva colocaremos mediante un bloque de constante la Id de consigna que como
se ha explicado en el apartado 4.3 ser 0. A la salida del comparador instalramos un
bloque PID obtenido en la librera Simulink en el apartado Continuous
Figura 4-28: Lazo Id (Simulink)
Con el fin de monitorizar las salidas colocaremos diversos Scopes en los puntos
importantes, antes y despus del comparador y despus del PI.
Para elaborar el lazo de Isq necesitamos la salida del controlador de velocidad por lo tanto
vamos a explicar esta rama en primer lugar.
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Para el lazo de