Práctica 8. Simulación Control Escalar y Vectorial FOC

LABORATORIO DE CONTROL DE MÁQUINAS

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL Campus Politécnico "J. Rubén Orellana R."

FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA DEPARTAMENTO DE AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL INDUSTRIAL Carrera de Ingeniería Electrónica y Control

L ABORATORI AB ORATORIO O DE CONTROL CONTROL DE MÁQUINAS MÁ QUINAS PRÁCTICA N°8 1. TEMA SIMULACIÓN DE ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE PARA MÁQUINA ASÍNCRONAS CONTROL ESCALAR Y VECTORIAL FOC

2. OBJETIVOS 2.1. Analizar las técnicas de modulación para motores trifásicos de inducción. 2.2. Analizar el funcionamiento del control escalar y vectorial FOC en un motor trifásico de inducción. 2.3. Realizar la simulación del control escalar y vectorial FOC en una máquina trifásica de inducción y analizar los resultados respectivos.

3. INFORMACIÓN Modulació n SPWM SPWM (Sinus (Sinus oidal Puls e Width Width Modulatio n) Consiste en la comparación de una señal portadora (triangular) con tres señales moduladoras sinusoidales desfasadas 120° como se muestra en la Figura 1. De esta manera se determinan los instantes de conmutación de los respectivos semiconductores de potencia del inversor, y por consiguiente, consiguiente, el ancho del pulso resultante. Vcarr

Vs

Vr

Vt

1

0.5

0

-0.5

-1

1 .0 6 8

1 .0 7

1 .0 7 2

1 .0 7 4

1 .0 7 6

1 .0 7 8

1 .0 8

1 .0 8 2

1 .0 8 4

Time (s)

Figura 1. 1. Señales portadora y moduladoras

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Producto de esta comparación se generan las señales SPWM que permiten disparar los IGBTs o MOSFETs del puente inversor (Figura 2). Las formas de onda para la comparación de la señal moduladora de la fase A, la salida de voltaje fase-neutro (del inversor) CO y la salida de voltaje fase-fase BC se muestra en la Figura 3.

A O

B C

COMPARACIÓN PORTADORA Y MODULADORAS

Figura 2. Puente Inversor

Señal Portadora

Señal Moduladora

1

0.5

0

-0.5

-1 Vco

Vco

VLL

VBC

60 40 20 0 -20 -40 -60

100

50

0

-50

-100 0.165

0.17

0.175

0.18

Time (s)

Figura 3. Señales de Salida Modulación SPWM Dirección: Ladrón de Guevara E11-253


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Regulación de la Velocidad en motores de inducción La ecuación 3.1 muestra la relación entre la velocidad de rotación de una máquina asíncrona y la velocidad de sincronismo: 

2 f s

p

1  s 

3.1

Como se puede apreciar las variables sobre las que se puede actuar para modificar la velocidad en estado estable son:   

El número de polos La frecuencia de la fuente de alimentación El deslizamientos “s” de la máquina

En el caso de la técnica de control escalar se debe trabajar sobre la frecuencia de la fuente de alimentación utilizando convertidores estáticos de potencia (inversor). En la Figura 4, se puede observar cómo al aplicar esta técnica de control se consigue desplazar de izquierda a derecha la curva torque-velocidad lográndose mantener el torque máximo para diferentes velocidades en el rango de 30Hz a 50Hz (En esta curva se considera 50Hz como la frecuencia nominal de trabajo del motor). [1]

Figura 4. Curvas torque-velocidad de un motor asíncrono para V/f constante en el rango entre 30 y 50 Hz [1]

Se debe tomar en cuenta que al variar la frecuencia se debe variar también la amplitud del voltaje según la relación V/f=cte, dado que el flujo magnético es proporcional a la fuerza contra-electromotriz e inversamente proporcional a la frecuencia como se muestra en 3.2. m ~

E1 f 1

3.2,

entonces, en ciertos rangos cercanos a la velocidad nominal (30Hz-50Hz) se garantiza flujo con la relación V/f=cte, sin embargo a bajas velocidades o cercanas a cero el voltaje de entrada no es suficiente para garantizar la corriente mínima de magnetización, por lo tanto es necesario realizar una compensación de torque. A velocidades mayores a la nominal tampoco es aplicable ya que el voltaje se mantiene al máximo pero la frecuencia Dirección: Ladrón de Guevara E11-253




sigue aumentando, entonces entra en debilitamiento de campo por lo que es necesario realizar sobremodulación. En la Figura 5 se muestra las curvas de torque-velocidad para un amplio rango de frecuencias manteniendo V/f=cte. Como se puede apreciar para frecuencias menores a 30Hz el torque máximo se cae drásticamente por caída de flujo magnético de magnetización y a frecuencias mayores a la nominal, el torque máximo se cae debido al debilitamiento de campo.

Figura 5. Curvas torque – velocidad de un motor asíncrono para V/F constante para diferentes frecuencias.

4. TRABAJO PREPARATORIO 4.1. Consultar acerca del control escalar en motores trifásicos de inducción: principio de funcionamiento, hardware (circuito de carga y descarga del capacitor del bus DC, puente inversor trifásico, etc.) compensación de torque a bajas velocidades, sobre modulación en región de debilitamiento de campo, entre otros. 4.2. Simular en SIMULINK un inversor trifásico a partir de la red trifásica que alimente un motor de inducción con modulación SPWM.

Figura 6. Control de motor trifásico de inducción en lazo abierto Dirección: Ladrón de Guevara E11-253




4.3. Consultar la técnica de modulación para inversores trifásicos SVM (Space Vector Modulation). Explicar detalladamente en qué consiste. 4.4. Consultar acerca del control vectorial por orientación de campo (FOC por sus siglas en inglés) en motores trifásicos de inducción: Principio de funcionamiento  Prestaciones,  Transformación de coordenadas a-b-c, a --0 y a d-q-0,  Modelo de corrientes,  Modelo de voltajes.  4.5. Simular en SIMULINK un inversor a partir de la red trifásica que alimente un motor de inducción. Las técnicas de control aplicadas para el control deberá ser Control Vectorial FOC, identificar y explicar cada uno de los bloques, así como presentar y explicar las formas de onda de salida de los mismos (Figura 2). NOTA: El circuito de potencia debe considerar a. Circuito automático de carga del condensador b. Drivers de control de IGBTs c. Modulación SPWM y SVM.

Figura 2. Control de motor trifásico de Inducción en lazo cerrado





5. EQUIPO Y MATERIALES Software de Simulación MATLAB/SIMULINK

6. PROCEDIMIENTO 6.1. Simular cada una de las etapas del sistema trifásico de control del motor de inducción (Figura 1): a. Carga y descarga del capacitor del BUS DC. b. Modulación SPWM 6.2. Utilizando los circuitos simulados del trabajo preparatorio, los estudiantes deberán realizar un control escalar del motor trifásico de inducción y comprobar la respuesta del motor a diferentes velocidades, tanto a bajas velocidades, velocidades cercanas a la nominal, así como velocidades mayores a la nominal. 6.3. Utilizando los circuitos simulados del trabajo preparatorio para control vectorial FOC (tanto con SPWM como con SVM), los estudiantes modificarán los mismos de acuerdo a las indicaciones del instructor y comprobarán la respuesta de la corriente i q a diferentes cambios de velocidad, es decir en aceleración como en desaceleración (considerar o generar rampas en la referencia de velocidad, o referencia de velocidad tipo escalón con filtro pasa-bajos para generar la rampa de referencia de velocidad), así como la respuesta de i q ante perturbaciones en el torque (entrada y salida de torque de carga). En todos los casos monitorear el control de la corriente de magnetización i d (se debe mantener pseudoconstante). 6.4. Verificar y comparar formas de onda de voltaje de alimentación al motor para SPWM y SVM para la operación a velocidad constante, comente los resultados (realizar un zoom-in en mismo punto para comparar los dos tipos de modulación). Utilizar un filtro pasa bajos en el voltaje de salida del inversor para determinar la forma de onda de la componente fundamental y comparar y comentar los resultados para SPWM y SVM.

7. INFORME 7.1. Presentar y analizar las formas de onda y el circuito final simulado en la práctica. 7.2. Realizar una simulación donde se demuestre la eliminación de armónicos utilizando una de las técnicas consultadas. 7.3. Consultar los criterios de selección de la razón de modulación (Carrier Ratio) en una modulación SPWM. 7.4. Consultar técnicas de modulación para inversores que permitan la eliminación de armónicos. Así mismo consultar técnicas de eliminación de armónicas a la salida de los inversores. 7.5. Consultar técnicas de modulación para inversores trifásicos (por ejemplo SVM Space Vector Modulation, entre otras).





7.6. Consultar aplicaciones industriales de máquinas eléctricas trifásicas de inducción comandadas con control escalar. 7.7. Indicaciones adicionales que solicite el instructor. 7.8. Conclusiones y Recomendaciones 7.9. Bibliografía Realizado por: M.Sc. Nataly Pozo Viera Revisado por: Dr.-Ing. Marcelo Pozo P. Fecha: Julio, 2017




Práctica 8. Simulación Control Escalar y Vectorial FOC

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