Post on 06-Jul-2018
transcript
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
1/125
Síntesis digital y técnicas demodulación para
conversores estáticos depotencia y su aplicación en
el control de máquinas
Alberto Sánchez, PhD
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
2/125
Contenido
• Introducción: historia y antecedentes
• Conmutación electrónica de potencia
• Modulación PWM
• Consideraciones en el control diital decon!ersores de potencia"
• Control de la ma#uina DC: tor#ue y !elocidad
• Control escalar de la ma#uina de inducción
• Control !ectorial de la ma#uina de inducción
• Control de tor#ue directo $ D%C
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
3/125
Introducción: historia yantecedentes
&'isten muchos sistemas electromecánicos en loscuales es importante controlar de manera precisa eltor#ue, !elocidad y posición, como por e(emplo:
• ascensores,
• robots de ensambla(e,
• bombas y compresores)
y en otras aplicaciones aun mas a!anzadas dondeademás prima la e*ciencia tales como en
• eneración eólica,
• y !eh+culos elctricos e h+bridos"
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
4/125
Introducción: historia yantecedentes
• &n el pasado, muchas aplicaciones #ue re#uer+an un control preciso demo!imiento utilizaban motores DC por la -acilidad en su control"
• Con el ad!enimiento de nue!os procesadores #ue brindan una altacapacidad de procesamiento a altas !elocidades, los accionamientos de
ma#uinas DC están siendo remplazados por accionamientos dema#uinas AC"
• .os accionamientos de ma#uinas DC utilizan principalmentecon!ersores AC$DC y DC$DC para controlar el tor#ue, !elocidad yposición" &stos con!ersores utilizan principalmente tcnicas como
control de -ase directa e in!ersa, y modulación PWM"
• .os accionamientos de ma#uinas AC, utilizan primordialmentecon!ersores AC$DC y DC$AC) estos /ltimos con modulación PWM parasintetizar las ondas de !olta(e o corriente"
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
5/125
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
6/125
Conmutación de Potencia
• 5ormalmente se espera #ue las prdidas en elcon!ersor sean pe#ue6as, de tal manera #ue lae*ciencia sea la más alta posible"
• .as prdidas en el con!ersor aparecen como calor,por lo #ue es importante un dise6o adecuado dedisipadores"
• Para lorar una alta e*ciencia, se deben cumpliralunos re#uisitos, especialmente en lo relacionadocon los elementos semiconductores #ue realizan laconmutación en el con!ersor"
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
7/125
Conmutación de Potencia• Atributos de un interruptor de potencia ideal:
– .os tiempos de conmutación son instantáneos
– .a ca+da de !olta(e en el dispositi!o es cero
– .a corriente de -ua a tra!s del dispositi!o es cero
– .a capacidad de mane(o de potencia del dispositi!o es in*nita"
– .a capacidad de !olta(e re!erso es in*nita
– .a capacidad de mane(o de corriente directa es in*nita
– %otal aislamiento entre los circuitos de control y potencia
– Capacidad de blo#ueo de corriente y !olta(e en dos direcciones"
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
8/125
Conmutación de Potencia
• .a -recuencia de conmutación de losdispositi!os debe ser losu*cientemente alta de tal manera
#ue la cara no perciba de manerarepresentati!a estos cambios"
• &sto se lora cuando la cara tieneuna alta inercia 1. muy alta paracorriente, C muy alta para !olta(e2"
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
9/125
Conmutación de Potencia
• &n la realidad, la transición de los dispositi!ossemiconductores de un estado de conducción 1752 a unestado de no conducción 17442 o a re!s, toma un tiempo*nito"
• Debido a #ue el cambio de estado no es instantáneo,e'isten instantes durante los cuales hay una ca+da detensión en el dispositi!o y además e'iste una corrientecirculando a tra!s del mismo"
• &ste -enómeno produce prdidas, #ue se las conoce como: – Prdidas de Conmutación
– Prdidas Incidentales
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
10/125
Conmutación de Potencia
8" Cara 9 1so-t load2:Durante laconmutacion, lacorriente y el !olta(etienen una pendiente
sua!e"
" Cara 9. 1hard load2: ;asea el !olta(e durante el
apaado, o la corrientedurante el encendidotienen una pendientemuy pronunciada"
3ma'
Ima'
to
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
11/125
Conmutación de Potencia• &'isten circuitos #ue ayudan a la
conmutación de un interruptor, estos seconocen como %urn$7< o %urn$75 aids"
• 5ormalmente, el circuito de ayuda alapaado es mas importante #ue el deencendido ya #ue ayuda a controlar el pico
de !olta(e por el cambio s/bito en lacorriente"
• .a -unción de este circuito es el de e!itar uncambio s/bito en la corriente" Cuando SWabre, el capacitor C8 se cara a tra!s de laresistencia 9"
• &l uso de estos circuitos de ayudaincrementan las prdidas por conmutación"
L 1
R 1
S W
V1
R2
D1
C 1
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
12/125
Sa-e 7peration Area 1S7A2
.a reión de operación seura estadelimitada por la má'ima capacidad demane(o de potencia de un dispositi!o"
3ma'
Ima'
S7A
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
13/125
Disipación de Calor
Para #ue un dispositi!o opere dentrode su rano de temperatura normal, esnecesario #ue este pueda disipar esta
ener+a de una manera apropiada"
•
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
14/125
Semiconductores dePotencia
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
15/125
Semiconductores dePotencia
B!:
• .a !elocidad de conmutación esta limitada por la recombinación de los portadores"
• Dispositi!o controlado por corriente
• Debido a la recombinación, el dispositi!o tiene altas perdidas durante conmutación"
"#S$%!
• Alta !elocidad de conmutación"• Dispositi!o controlado por !olta(e
• Capacidad de paralela(e
• 7peración estable en rano amplio de temperatura
• Perdidas de conducción altas 19DSon2
• 5o tiene capacidad de blo#uear !olta(e in!ersos"
I&B! ' Insulate &ate Bipolar !ransistor
• Muy parecido al M7S4&% en su operación con la !enta(a de #ue tiene capacidad deblo#ueo re!erso"
• Se puede producir e-ecto a!alancha al iual #ue en un tiristor si la corriente del drena(ees e'cedida"
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
16/125
&ate(Drives
• >ate$dri!es son circuitos para la operación de los dispositi!os de potencia"
• &stos circuitos pueden ser relati!amente complicados a medida de #ue lapotencia del circuito de -uerza aumenta, especialmente por el uso de SC9s ylos circuitos de conmutación -orzada"
• &n el caso de M7S4&%s e I>?%s, la complicación de los circuitos yace en elmane(o de las compuertas #ue están en un ni!el de !olta(e superior al de lare-erencia de potencia 1ramal superior2"
• .os M7S4&%s e I>?%s son dispositi!os controlados por !olta(e #ue re#uieren unpulso positi!o para su encendido y normalmente un pulso neati!o de menor
manitud para acelerar su apaado"
• &n la actualidad, los ate$dri!es son ahora circuitos interados #ue simpli*cande ran manera el mane(o de los dispositi!os de potencia" 1i"e" I9@B,.M88B2
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
17/125
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
18/125
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
19/125
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
20/125
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
21/125
&ate(Drives
T1
T2
T3
T4
T5
D1
R 1
R 2
R 3
V1 15
V2 10
T7
V3 5
+ VG1
R 4 1 k
R 5 1 k
V4 50V
+
VM1 V F 1
T4 y T5 2N2222A
T2 y T3 TIP31A o TIP32A
T7 Opo!"op#!$o%
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
22/125
!iempos "uertos• .os >ate$Dri!es se encaran se encender y apaar los dispositi!os de acuerdo
una se6al de comando" Sin embaro, en con!ersores donde hay mas de undispositi!o por ramal, es posible #ue en al/n momento dos dispositi!os delmismo ramal estn acti!os, lo #ue causar+a un corto$circuito -ranco"
• Alunos >ate$Dri!es tienen ya interadas protecciones para e!itar #ue undispositi!o se encienda antes #ue otro se apaue, sin embaro, muchas !eces
esta precaución se la implementa tambin en so-tare"
• A estos tiempos se los conoce como tiempos muertos, y son tiempos de esperaprudentes antes de en!iar el comando de encendido de otro dispositi!o delmismo ramal"
• &l uso de tiempos muertos, crea un error en el !olta(e medio en la cara" &ste
error en el !olta(e medio en la cara es compensado en el lazo de corriente" Sieste e-ecto no es compensado, e'istirá un error en la trayectoria de la corrientedeseada 1distorsión en -orma de onda de la corriente2" &n las siuientessecciones se discutirá como alunos lazos de control de corriente son inmunes alos tiempos muertos mientras #ue otros no"
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
23/125
Conversores
• &l con!ersor de potencia tiene como*nalidad ampli*car las se6ales decontrol #ue inresan a la cara"
• &l proceso de enerar la se6aldeseada para alimentar a la cara se
conoce como s+ntesis de la se6al depotencia"
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
24/125
Conversores
• &n el caso mas eneral, cual#uier con!ersor depotencia, esta oranizado de manera (erár#uica"
• &n el ni!el mas ba(o, un controlador determina el
estado de los dispositi!os de potencia 1ate$dri!er2,y al realizar esta operación determina a su !ez el!olta(e en la cara"
• &ste ni!el se conoce como el modulador " .a -ormaen la cual lo dispositi!os conmutan a tra!s deltiempo se conoce como el Esquema deModulación"
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
25/125
"odulación P)"
• .a entrada al modulador es el set$point para el !olta(e medio en la cara,y es normalmente calculado o entreado por un lazo de control superior"
• &s posible tambin el realizar un control directo del !olta(e en la cara, eneste caso se dice #ue el sistema opera en lazo abierto) sin embaro estono es una practica com/n ya #ue no e'istir+a control sobre la corriente enla cara"
• &n eneral, siempre se !a a encontrar un lazo de control de corrienteencima del modulador"
• A su !ez, el lazo de control de corriente recibe su set$point de un lazosuperior o directamente por el usuario" ?a(o esta ultima condición, se dice#ue el sistema opera en modo de control de corriente, lo #ue sini*ca#ue el con!ersor se ha trans-ormado en una *uente de corriente"
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
26/125
"odulación P)"
• &l de*nir el es#uema de modulación es el primer paso en eldise6o del control de cual#uier con!ersor"
• &'isten !arios es#uemas de modulación para con!ersores 1i"ePulse Density Modulation, Pulse 4re#uency Modulation2) sinembaro, el #ue mas 'ito ha tenido es la EModulación porAncho de PulsoF 1PWM2"
• Alunas de las !enta(as mas sini*cati!as de PWM son:
– 4ácil implementación
– .a -recuencia de conmutación del con!ersor es constante
– Demodulación sencilla usando un *ltro pasi!o 1normalmente lacara2"
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
27/125
"odulación P)"
• &'isten !arias estrateias de PWM, y en eneral, ha sido unaparte central de in!estiación por los /ltimos B a6os"
• .as l+neas de in!estiación actuales en modulación PWM, sepueden centrar en tres cateor+as:
8" Modulación PWM para con!ersores DCGDC, lo cual es eneralmente lacomparación de una onda modulante con una portadora 1trianular odiente de sierra2"
" Modulación PWM para con!ersores resonantes 1so-t$sitched resonant
con!erters2"" Modulación PWM de -recuencia *(a 1hard$sitched con!erters2
• .a atención se centrara en los es#uemas 8 y #ue tienen unaaplicación directa con ma#uinas DC y AC"
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
28/125
"odulación P)"
• &l es#uema de modulación PWMpersiue en eneral ob(eti!osprincipales:
– Calcular los tiempos de encendido de losinterruptores para obtener el ni!el de
!olta(e o corriente deseado" – Disminuir la distorsión armónica"
– Disminuir las prdidas por conmutación
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
29/125
"odulación P)"
&'isten tres alternati!as para encontrar los tiempos deconmutación para operación con -recuencia *(a,
8" Conmutar en la intersección de una onda de re-erencia con
una portadora a alta -recuencia 1naturally sampled PWM2"
" Conmutar en la intersección de una onda muestreadareularmente con una portadora a alta -recuencia" 1reularsampled PWM2
" Conmutar de una manera tal #ue el área de la onda dere-erencia sobre el inter!alo de la portadora es iual alárea deba(o de la onda modulada"
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
30/125
"odulación P)"
• &'isten alunas !ariaciones de estas tcnicas de modulación,entre las #ue destaca S3PWM 1Space 3ector PWM2, #ue es enrealidad una !ariación del es#uema 9eular Sampled PWM"
• &n eneral un es#uema PWM de -recuencia *(a puede ser
e'plicado a tra!s de
– Determinación del ancho del pulso
– Determinación de la posición del pulso dentro del periodo de laportadora
– Secuencia de los pulsos"
• .a -recuencia de la portadora, no es en realidad determinante enel rendimiento de una estrateia PWM, ya #ue su e-ecto es en laubicación de las bandas laterales de las componentes armónicas"
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
31/125
"odulación P)"
• &s en eneral di-+cil e!aluar #uees#uema de modulación PWM esme(or debido a la cantidad de
-actores, entre ellos:
– Hna buena implementación -+sica del
hardare, – .os e-ectos de los tiempos muertos,
– y si es posible o no encontrar una
representación anal+tica para el
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
32/125
"odulación P)":"uestreo +atural ,naturally sampled-
T&'( )*+
0.00 1.00m 2.00m 3.00m
V o # ! , ( ) V
0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
T&'( )*+
0.00 1.00m 2.00m 3.00m
V o # ! ,
(
) V +
-20.00
-10.00
0.00
10.00
20.00
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
33/125
"odulación P)":Implementación .nalógica
.a relación entre m,t- y la relación detraba(o d es, 1 asumiendo m constantedurante un periodo de c2"
•
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
34/125
"odulación P)":Implementación .nalógica
• &l análisis espectral de estas ondas puede sermuy comple(o, y e'isten dos opciones:
– Htilizar una 44%, lo cual es un mtodo rápido y
práctico pero #ue puede tener errores de cálculo 1porredondeo u otros -actores #ue a-ectan a este mtodonumrico2"
– &ncontrar una e'presión anal+tica de la onda, la cuales una representación e'acta de la onda y suscomponentes armónicas, pero #ue puede ser muycomplicado dependiendo de la tcnica de modulación"
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
35/125
"odulación P)":Implementación .nalógica
• .os e-ectos de la modulaciónsobre el !olta(e y la corrientese pueden analizarconsiderando un in!ersor
mono-ásico como el #ue semuestra en la *ura"
• &ste in!ersor puede sermodelado 1de manerasimpli*cada2 con la siuiente-unción de trans-erencia,
•
T1
T2V1
V2
V 3
L1 R1
D 1
D 2
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
36/125
"odulación P)":Implementación .nalógica
• .a 4% tiene un solo polo en , por lo#ue para poder *ltrar las-recuencias superiores, la-recuencia de la portadora debeser mucho mayor a la -recuencia
de corte del *ltro 1cara2"
• .a corriente presenta pe#ue6as!ariaciones en su manitud, aestas se les conoce como EcurrentrippleF o rizado de corriente y
son producto del *ltrado no idealde la cara de las armónicas altasde la modulación"
•
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
37/125
"odulación P)":Implementación .nalógica
• &s posible eliminar el rizado a tra!sdel lazo de corriente"
• Hn aspecto importante de analizar, esla respuesta dinámica del moduladorPWM natural" Hn cambio de la
modulante se re0e(a inmediatamenteen el ancho de pulso de la se6almodulada"
" d l ió P)"
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
38/125
"odulación P)":Implementación Digital '
"uestreo /ni*orme• .os elementos
analóicos sonremplazados porelementos diitales"
• &l principio de
operación es iual #ueen el caso del PWMnatural"
Contador?inario
Comparador ?inario
Muestrade la
Modulante
9elo(
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
39/125
"odulación P)":Implementación Digital '
"uestreo /ni*orme
• .a -recuencia del relo( esta en elorden de los Mz, y la de muestreoen el orden de los cientos de Jz"
• &'isten dos problemas-undamentales en esta
implementación: – 5/mero de ?its
– 9espuesta dinámica del modulador"
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
40/125
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
41/125
"odulación P)":Implementación Digital '
"uestreo /ni*orme
.a modulante tiene un periodo demuestreo iual al de la portadora yademás es muestreada, de manerasincroni0ada1
%s
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
42/125
"odulación P)":Implementación Digital '
"uestreo /ni*orme
• &l proceso de eneración de la onda PWM, puederepresentarse, de manera simpli*cada, como unproceso de "uestreo2 3etención2 y Comparación1
• &l K7 tiene la siuiente -unción de trans-erencia,
•
K7PWMS
m1t2
%s
ms1t2
c1t2
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
43/125
"odulación P)":Implementación Digital '
"uestreo /ni*orme• .a -unción de trans-erencia total del sistema es,
• &l modulador tiene un retardo de -ase #ue esproporcional a la relación de traba(o D"
• &sto tiene el e-ecto de reducir el ancho de bandae-ecti!o del sistema) es decir, #ue el sistema decontrol en lazo cerrado no podrá responder de unamanera tan rápida como en el caso analóico"
•
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
44/125
"odulación P)":Implementación Digital '
"uestreo /ni*orme• &'isten otras !ariantes de la rampa de
comparación, estas muestran a continuación,con(untamente con la -unción de trans-erencia,
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
45/125
"odulación P)":Implementación Digital '
"uestreo /ni*orme
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
46/125
"odulación P)":Implementación Digital '
"uestreo /ni*orme
• Se puede compensar parcialmente el retardo,realizando el update 1muestreo2 de la modulantedos !eces cada ciclo de la portadora" 13an deSype, et al, BBL2
•
%s
%c
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
47/125
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
48/125
"odulación P)":Implementación Digital '
"uestreo /ni*orme• &'isten dos consideraciones importantes para
Multisamplin,
– &l *ltrado de las se6ales de control debido a la alta-recuencia" &sto es un tema actual de in!estiación, yse lo esta realizando con estimadores muyso*sticados"
– &l hardare utiliza 4P>As, el uso demicrocontroladores o DSPs ya no es posible por la-recuencia de operación"
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
49/125
Space 3ector Modulation
Consiste en sintetizar la ondare#uerida en la cara considerando lascombinaciones posibles de los estados
de los dispositi!os de potencia"
&n un in!ersor tri-ásico con @
interruptores se tienen N posiblesestados
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
50/125
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
51/125
Space 3ector Modulation
&l mtodo de modulación consiste enmantener estos estados acti!osdurante una -racción del periodo"
De esta manera se puede enerarcual#uier !olta(e en cual#uier sector"
•
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
52/125
Space 3ector Modulation
&ste tipo de modulación ha sido usadarecientemente para desarrollar controlespredicti!os conocidos como 4inite Set MPC"
&l principal problema de este es#uema demodulación es #ue no re#uiere de unmodulador 1comparación entre ondas2 porlo #ue el espectro de la se6al de salidacontiene componentes en todo el espectro"
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
53/125
Control de Conversores de Potencia:Control .nálogo de Corriente
• &l control de corriente es de !italimportancia en cual#uier con!ersor,con el ob(eti!o de reducir el rizado de
corriente"
• .a medición de corriente se puede
realizar utilizando interados de e-ectoall, trans-ormadores de corriente ocon resistencias de sensado"
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
54/125
Control de Conversores de Potencia:Control .nálogo de Corriente
Control 4ineal ( PI
Sensor de Corriente
IoIore-
>
Modelo del PWManaloicoControl PI
D: 9elaciónde %raba(o
m:modulante
C t l d C d
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
55/125
Control de Conversores dePotencia:
Control .nálogo de Corriente• &l dise6o del control PI se puede realizar utilizandotodas las tcnicas de Control Automático"
• &n la práctica es com/n realizar sintonización decontroles utilizando mtodos e'perimentales comolos de Kieler$5ichols, y Chien$rones y 9esicJ"
•Si se conocen los parámetros de la má#uina es máse*ciente el realizar un dise6o del control conmtodos anal+ticos como localización de polos,mtodos óptimos, Cohen$Coon u otros"
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
56/125
C l d l " i DC
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
57/125
Control de la "aquina DC:"aquina DC con e5citación
independiente
(
6
6
$
Ia
>8
Modelo delPWM
analóico
Control PICorriente
DM(
>
(
Wr
Control PI3elocidad
C t l d l " i DC
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
58/125
Control de la "aquina DC:"aquina DC con e5citación
independiente• Para el dise6o de este sistema de control, se debe
comenzar por dise6ar de manera anal+tica el
control de corriente, y lueo se sintoniza el controlde !elocidad"
• &l control de corriente reduce el rizado y mantienela corriente en ni!eles aceptables"
• .os controles PI deben tener mecanismos de anti$indup
C t l d l " i DC
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
59/125
Control de la "aquina DC:%structura del Control PID
• Hna de las -ormas de implementar un PID analoo es utilizandola siuiente e'presion,
• >eneralmente, se hace cQB para e!itar transitorios muyaresi!os por cambios repentinos en el Set$Point"
• &sto sin embaro, no se hace si el control es un PID encascada"
•
C t l d l " i DC
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
60/125
Control de la "aquina DC:.nti()indup ,Bac7(Calculation-
Actuador
Modelo delActuador
( 6
eQr$y
$y
C t l d l " i DC
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
61/125
Control de la "aquina DC:8iegler(+ichols93espuesta Paso
Controlador
!i !d !p ,Periodo deoscilacion transitorio del
la0o cerrado-
P
PI
PID
Controlador
!i !d !p ,Periodo deoscilacion transitorio del
la0o cerrado-
P
PI
PID
a
.
Control de la "aq ina DC
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
62/125
Control de la "aquina DC:8iegler(+ichols93espuesta de
$recuencia
Ru: >anancia a la cual oscila el sistema
%u: Periodo de oscilación
Controlador
!i !d !p ,Periodo deoscilacion transitorio del
la0o cerrado-
P
PI
PID
Controlador
!i !d !p ,Periodo deoscilacion transitorio del
la0o cerrado-
P
PI
PID
Control de la "aquina DC:
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
63/125
Control de la "aquina DC:Chien(;rones(3es? @>?
Controlador
!i !d !i !d
PPI
PID
C;3 3%C;.8# . P%3!/3B.CI#+%SSo=reimp
ulso>? @>?
Controlador
!i !d !i !d
PPI
PIDC;3 C."BI# D% S%!P#I+!
So=reimpulso
>? @>?
Controlador
!i !d !i !d
P
PI
PID
C;3 C."BI# D% S%!P#I+!
So=reimpulso
>? @>?
Controlador
!i !d !i !d
P
PI
PID
I t d ió l " i d .C
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
64/125
Introducción a las "aquinas de .C:Contenido
• %ipos de Má#uinas AC
• ?obinas sinusoidalmente distribuidas
• Campo mantico rotati!o 1entre$hierro2
• ?obinados tri-ásicos
• 3ectores de Campo
Introducción a las "aquinas de
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
65/125
Introducción a las "aquinas de.C
• Principales motoresde AC 1.os dostienen estatoressimilares perodistintos rotores2 – Motores de Inducción
– Motores AC de imánpermanentes1motores s+ncronos brushless2
Introducción a las "aquinas de
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
66/125
Introducción a las "aquinas de.C
5s es elnumeroe#ui!alente de
!ueltas,entonces
•
Introducción a las "aquinas de
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
67/125
Introducción a las "aquinas de.C
•
Introducción a las "aquinas de
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
68/125
Introducción a las "aquinas de.C
Si la má#uina tiene P polos,
.a !elocidad de rotación es,
•
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
69/125
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
70/125
"áquina de Inducción
• .a ma#uina de inducción es sin duda el e#uipo masutilizado en la industria y los hoares"
• Su rano de operación !a desde motores mono-ásicos depotencia -raccionaria #ue se encuentran com/nmente enimplementos del hoar 1i"e" re-rieradora, licuadora,la!adoras, secadoras, etcT2 hasta randes e#uipos #uemue!en molinos, bandas transportadoras y bombas"
• Aun#ue su uso ha estado tradicionalmente en-ocado comomotor, nue!as aplicaciones como en turbinas eólicasestán utilizando eneradores de inducción de doblealimentación" 1D4I> Double 4ed Induction >enerators2
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
71/125
"áquina de Inducción
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
72/125
"áquina de Inducción
"áquina de Inducción:
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
73/125
"áquina de Inducción:Principio de *uncionamiento
"áquina de Inducción:
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
74/125
"áquina de Inducción:Principio de *uncionamiento
"áquina de Inducción:
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
75/125
"áquina de Inducción:Principio de *uncionamiento
• &l campo mantico rotati!o creado por las corrientesdel estator inducirá corrientes en los bobinados delrotor 1en cortocircuito2"
• .as corrientes del rotor eneraran otro campomantico rotati!o #ue tratara de alinearse con el delestator"
• &l campo mantico del rotor no puede mo!erse a lamisma !elocidad #ue el del estator ya #ue se perder+ael e-ecto de inducción" &ste punto será discutido conmayor detalle en las siuientes secciones"
"áquina de Inducción:
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
76/125
"áquina de Inducción:Principio de *uncionamiento
4r
4s
θsr
4sr
"áquina de Inducción:
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
77/125
"áquina de Inducción:Principio de *uncionamiento
&l !ector de MM4 resultante seria,•
"áquina de Inducción:
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
78/125
"áquina de Inducción:Principio de *uncionamiento
.a intensidad de campo mantico es,
.a co$ ener+a promedio por unidad de!olumen alrededor del entrehierro sepuede calcular en -unción de la
intensidad de campo promedio como,
•
"áquina de Inducción:
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
79/125
"áquina de Inducción:Principio de *uncionamiento
.a co$eneria total se obtienemultiplicando el promedio por el!olumen del entre$hierro 1ap2,
entonces,
•
"áquina de Inducción:
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
80/125
"áquina de Inducción:Principio de *uncionamiento
&l tor#ue enerado en el rotor esentonces,•
"áquina de Inducción:
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
81/125
"áquina de Inducción:Principio de *uncionamiento
• Si θsr es positi!o, entonces % es
neati!o y el e#uipo opera comoenerador"
• Si θsr es neati!o, entonces % es
positi!o y el e#uipo opera como
motor"
"áquina de Inducción:
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
82/125
"áquina de Inducción:Principio de *uncionamiento
• &l tor#ue dependerá de las corrientesen los de!anados del estator y rotory del ánulo espacial entre las MM4
de los mismos"
• .a reulación de este ánulo, y de
las corrientes permitirá un controle-ecti!o del tor#ue al e(e de lama#uina"
"áquina de Inducción:
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
83/125
"áquina de Inducción:Principio de *uncionamiento
• Para #ue el e-ecto de inducción se mantena,el MM4r del rotor ira a una !elocidad distinta
de la MM4s del estator" .a !elocidad relati!a
del MM4s con respecto a la MM4r será,
• 5ormalmente, a esta relación se la e'presacon respecto a la !elocidad de la MM4s, y se
conoce como deslizamiento"
•
"áquina de Inducción:
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
84/125
"áquina de Inducción:%cuaciones Dinámicas
.as ecuaciones de la ma#uina en!ariables abc son, 1estator y rotor2•
"áquina de Inducción:
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
85/125
"áquina de Inducción:%cuaciones Dinámicas
.as concatenaciones de 0u(o se relacionan con lascorrientes a tra!s de,
.s y .r son las matrices de inductancias de
manetización y dispersión del estator y rotorrespecti!amente"
.sr es la matriz de inductancias mutuas entre el
estator y rotor"
•
"áquina de Inducción:
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
86/125
"áquina de Inducción:%cuaciones Dinámicas
•
"áquina de Inducción:
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
87/125
"áquina de Inducción:%cuaciones Dinámicas
.as !ariables del rotor se re*eren alestator utilizando la relación de !ueltasentre los de!anados del estator y rotor
y se identi*can con un apostro-e" &sas+ #ue,
•
%Aes de 3e*erencia
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
88/125
Aes de e e e c a.r=itrarios
• .os e(es de re-erencia arbitrarios -ueron desarrollados en !ariasetapas y para el análisis de ma#uinas sincrónicas y de inducción"
• &sta herramienta ha permitido el desarrollo de tcnicas de control!ectoriales en ma#uinas AC"
• Se emplea además en análisis de estabilidad de sistemaselctricos de potencia"
• 4a principal ventaAa del método es la de independi0ar las
inductancias mutuas del tiempo y la geometría1
• %l método tam=ién reduce el sistema a uno de segundoorden cuando se encuentra =alanceado1
%Aes de 3e*erencia
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
89/125
A.r=itrarios
• 9"" ParJ 18B2, introduce un cambio de !ariables para la má#uinasincrónica #ue re*ere las !ariables del estator a un e(e #ue se mue!e a la!elocidad del rotor"
• "C" Stanley 18B2, introduce una trans-ormación #ue re*ere las !ariablesdel rotor de una má#uina sincrónica a un e(e de re-erencia en el estator"
• >" Rron, introduce una trans-ormación #ue traslada las !ariables del rotory del estator de una má#uina de inducción a un e(e de re-erenciasincrónico 1!elocidad del campo mantico rotati!o2"
• D"S" ?rereton, et al" eneraliza la trans-ormada de ParJ para una má#uina
de inducción"
• P"C" Rrause et al" 18@2 establecen una sola trans-ormada de la cualtodos los anteriores son casos particulares"
%Aes de 3e*erencia
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
90/125
A.r=itrarios
•
%Aes de 3e*erencia
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
91/125
A.r=itrarios
elocidad
Interpretación aria=les
!rans*ormación
3ariables estacionarias re-eridas
a un e(e arbitrario3ariables estacionarias re-eridasa un e(e estacionario
3ariables estacionarias re-eridasa un e(e #ue rota a la !elocidaddel rotor
3ariables estacionarias re-eridasa un e(e #ue rota a la !elocidadsincrónica 1Campo manticorotati!o2
elocidad
Interpretación aria=les
!rans*ormación
3ariables estacionarias re-eridas
a un e(e arbitrario3ariables estacionarias re-eridasa un e(e estacionario
3ariables estacionarias re-eridasa un e(e #ue rota a la !elocidaddel rotor
3ariables estacionarias re-eridasa un e(e #ue rota a la !elocidadsincrónica 1Campo manticorotati!o2
%Aes de 3e*erencia .r=itrarios:
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
92/125
A!rans*ormación entre
eAes de re*erencia
•
%Aes de 3e*erencia .r=itrarios:
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
93/125
APotencia
&l !alor numrico de la potencia debeser independiente del e(e dere-erencia,
•
"áquina de Inducción:
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
94/125
q%cuaciones en %Aes .r=itrarios
•
"áquina de Inducción:
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
95/125
q%cuaciones en %Aes .r=itrarios
•
"áquina de Inducción:
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
96/125
qSimulación ,sin saturación-
•
"áquina de Inducción:
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
97/125
qSimulación ,sin saturación-
•
"áquina de Inducción:
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
98/125
qSimulación ,sin saturación-
•
"áquina de Inducción:
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
99/125
qSimulación ,sin saturación-
•
"áquina de Inducción:
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
100/125
qSimulación ,%*ectos de Saturación-
•
"áquina de Inducción:
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
101/125
Simulación ,%*ectos de Saturación-
•
Control de elocidad de la
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
102/125
"áquina de Inducción
• Del análisis anterior de la má#uina de inducción, esclaro #ue el control de !elocidad de esta má#uina esposible !ariando la -recuencia de alimentación, paraas+ poder !ariar la !elocidad del campo manticorotati!o"
• .a !ariación de la -recuencia de alimentación selora utilizando un con!ersor de potencia $ in!ersor"
• &'isten dos tipos de in!ersores: – 3SI 3oltae Source In!erter 1In!ersor de !olta(e2
– CSI Current Source In!erter 1In!ersor de corriente2
Control de elocidad de la
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
103/125
"áquina de Inducción
• &l 3SI a su !ez puede ser de dos
tipos – In!ersor de seis pasos 1Si' Steps2
– In!ersor PWM
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
104/125
Control de elocidad de la
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
105/125
"áquina de Inducción
• Considerando #ue el MI opera a-recuencia !ariable, el !olta(e -em delrotor re0e(ado en el estator es,
•
Control de elocidad de la
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
106/125
"áquina de Inducción
Si - es constante, entonces el 0u(o esproporcional al !olta(e de estator"
Si se reduce el !olta(e de estator, entonces se
tiene una operación con 0u(o reducido lo cuales poco e*ciente ya #ue se esta desperdiciandola capacidad mantica del n/cleo"
•
Control de elocidad de la
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
107/125
"áquina de Inducción
• Además, dado #ue el tor#ue es proporcional al 0u(o por lacorriente) para mantener el tor#ue habr+a #ue aumentar lacorriente"
• De manera similar, si se !aria la -recuencia manteniendo el
!olta(e constante, esto causar+a un aumento en el 0u(o #ue asu !ez causar+a un aumento indeseable en las perdidas pormanetización y además e-ectos de saturación"
• &s por estas razones, #ue la operación de la MI a -recuencia
!ariable re#uiere mantener la relación 3G4 constante"
• Si 3G4Qcte", entonces la inductancia de manetización .mpermanece constante"
Control de elocidad de la
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
108/125
"áquina de Inducción
Analizando el e-ecto de 3G4 en el circuito delestator,
Analizando los -actores de la ultima ecuación, el-actor, permanece constante independiente de la-recuencia, pero el termino aumenta a medida
#ue disminuye la -recuencia, por lo cual esnecesario dar un boost de !olta(e a ba(a-recuencia"
•
Control de elocidad de la
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
109/125
"áquina de Inducción
&s posible demonstrar de la ecuacióndel tor#ue #ue,
&s decir #ue el tor#ue tambinpermanece constante si la relación
3G-Qcte"
•
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
110/125
Control de elocidad de laá ó
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
111/125
"áquina de Inducción
• &l boost de!olta(e permiteademás
mantener eltor#ue má'imoconstante ya
#ue casocontrario hayunadisminución"
Introducción al Control ectorial
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
112/125
$ield #riented Control ,$#C-
&n la ma#uina DC, las MM4 del campo y laarmadura permanecen a B debido alaccionamiento del conmutador, y debido a esto laecuación del tor#ue es,
Dado #ue la corriente de armadura puede ser
controlada de manera independiente del campo,se puede tener un -ácil control del tor#ue en lama#uina"
•
Introducción al Control ectoriali ld i d l , -
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
113/125
$ield #riented Control ,$#C-
&n la ma#uina de inducción, es posible conseuirel mismo -enómeno, pero lamentablemente esmas complicado debido a #ue las interaccionesentre el estator y el rotor son libres y dependen de
las condiciones de operación"
Para el análisis se puede considerar #ue el rotorde la MI es análoo al campo de la ma#uina DC,
con la limitación de #ue este es inducido y por lotanto no es controlable directamente"
Introducción al Control ectorial$i ld # i d C l ,$#C-
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
114/125
$ield #riented Control ,$#C-
Con e'citación sinusoidal, el campo delrotor se mue!e a una !elocidad muycercana a la sincrónica"
Si se escoe el e(e de re-erenciasincrónico #dB tal #ue el e(e $d este
alineado con el campo del rotor,entonces no e'istirá la componente enel e(e$# 12"
•
Introducción al Control ectorial$i ld # i d C l ,$#C-
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
115/125
$ield #riented Control ,$#C-
&ntonces, 182
Con , la ecuación del tor#ue se reducea,
•
Introducción al Control ectorial$i ld # i t d C t l ,$#C-
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
116/125
$ield #riented Control ,$#C-
Si en esta ultima ecuación laconcatenación de 0u(o se mantieneconstante entonces el tor#ue puede ser
controlado directamente y de maneraindependiente con la corriente ) demanera muy similar al caso de lama#uina DC"
Si , entonces tambin debe cumplirse #ue
•
Introducción al Control ectorial$i ld # i t d C t l ,$#C-
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
117/125
$ield #riented Control ,$#C-
Por lo #ue la ecuación de !olta(e en elrotor en el e(e$# se reduce a,
12
•
Introducción al Control ectorial$i ld # i t d C t l ,$#C-
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
118/125
$ield #riented Control ,$#C-
Si además, como se di(o, no cambia, entonces su deri!ada tambindebe ser cero" 1&stado estable2
Htilizando esta condición, y la de #ue en la ecuación de !olta(e delrotor en el e(e$d,
; por lo tanto,
12
•
Introducción al Control ectorial$i ld # i t d C t l ,$#C-
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
119/125
$ield #riented Control ,$#C-
Htilizando 182, 12 y 12, se encuentra#ue,
&sta ultima condición, aseura #ue el
e(e$d del e(e de re-erencia estealineado con el campo mantico delrotor"
•
Introducción al Control ectorial$i ld # i t d C t l ,$#C-
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
120/125
$ield #riented Control ,$#C-
&(e #
&(e d
Introducción al Control ectorial$i ld # i t d C t l ,$#C-
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
121/125
$ield #riented Control ,$#C-
• &l ob(eti!o de cual#uier es#uema de control seráentonces,
"antener al uAo de rotor alineado con el eAe(d
• &sto es posible controlando las corrientes 1manitudy -ase2 de las corrientes del rotor, para lo cuale'isten dos es#uemas:
– Control Directo 1D47C2
– Control Indirecto 1I47C2
Introducción al Control ectorial$i ld # i t d C t l ,$#C-
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
122/125
$ield #riented Control ,$#C-
Control Directo de #rientación de Campo concontrol de corriente:
• &s claro de las ecuaciones anteriores, #ue el control
del campo se obtiene al manipular directamente lascorrientes del estator"
• &l mtodo de orientación directo re#uiere de lamedición del campo mantico del rotor ya sea atra!s de sensores de e-ecto all o con bobinas demedición) sin embaro, la medición del campo per sees muy problemática"
Introducción al Control ectorial$ield #riented Control ,$#C-
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
123/125
$ield #riented Control ,$#C-
• &l 0u(o medido en el entrehierro es el0u(o resultante de las interaccionesdel estator y rotor, por lo #ue es
necesario encontrar un mecanismopara calcular los 0u(os del rotor conla medición del 0u(o neto"
•
Introducción al Control ectorial$ield #riented Control ,$#C-
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
124/125
$ield #riented Control ,$#C-
• &l ánulo instantáneo entre el 0u(o yel e(e$d, se puede calcular como,
•
8/16/2019 Síntesis Digital - PhD Alberto Sánchez
125/125
"/C;.S &3.CI.S