N° tesis: jcb
PROYECTO FIN DE CARRERA
Presentado a
LA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
Para obtener el título de
INGENIERO ELÉCTRICO
por
Camilo Andrés Sarmiento López
Simulación y control en tiempo real de motores de reluctancia conmutada
Sustentado el día mes de año frente al jurado:
Composición del jurado
- Asesor: Gustavo A. Ramos López, Profesor Asociado, Universidad de Los Andes
Control y simulación en tiempo real de motores
de Reluctancia conmutada
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Contenido
1 RESUMEN EN INGLÉS ... 5
2 RESUME EN ESPAÑOL ... 5
3 INTRODUCCIÓN ... 5
4 OBJETIVOS ... 6
4.1 Objetivo General ... 6
4.2 Objetivos Específicos ... 7
4.3 Alcance y productos finales ... 7
5 DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO ... 7
6 MARCO TEÓRICO, CONCEPTUAL E HISTÓRICO ... 8
6.1 Marco Teórico ... 8
6.1.1 Torque característico: ... 11
6.1.2 Sistemas de control: ... 11
6.1.3 Esquema de Simulación en tiempo real ... 13
6.2 Marco Histórico ... 14
7 DEFINICION Y ESPECIFICACION DEL TRABAJO ... 15
7.1 Definición ... 15
7.2 METODOLOGÍA DEL TRABAJO ... 16
7.2.1 Plan de trabajo ... 16
7.3 Búsqueda de información ... 16
7.3.1 Sistema de Tracción Vehicular: ... 17
8 TRABAJO REALIZADO ... 18
8.1.1 Análisis del modelo: ... 18
8.1.2 Resultados del modelo ... 21
8.2 Control de Corriente ... 21
8.3 Control de velocidad por corriente controlada... 22
8.4 Control de velocidad por voltaje controlado. ... 23
8.5 Caso de estudio ... 24
8.6 Descripción del Resultado Final ... 26
9 VALIDACIÓN DEL TRABAJO ... 27
9.1 Validación de los resultados del trabajo ... 27
9.2 Evaluación del plan de trabajo ... 29
10 CONCLUSIONES ... 29
11 REFERENCIAS ... 29
12 Anexos ... 31
12.1 Anexo A: ... 31
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de Reluctancia conmutada
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Índice de Figuras
1 Modelo de SRM-Inversor de una sola fase ... 8
2 Perfil de inductancia en función de la posición del rotor ... 8
3 Curva caracterísica Torque-Velocidad ... 9
4 Modelo circuital del SRM ... 10
5 Características de magnetización del SRM ... 11
6 Topología del conersor asimétrico de una fase ... 12
7 Modelo de aplicación SRM SimPowerSystems ... 18
8 Conversor asimétrico ... 15
9 Modelo interno del motor ... 18
10 Curva característica de magnetización Corriente vs Flujo-Posición ... 27
11 Curva caracteerística de magnetización. Torque vs Corriente-Posición ... 29
12 Resultados del comportamiento inicial ... 29
13 Conmutaciones debidas al control por histéresis ... 22
14 Sistema de control de velocidad por manipulación de corriente ... 29
15 Torque generado por la máquina bajo el control de velocidad por corriente ... 29
16 Diagrama de sistema de control de velocidad por voltaje ... 29
17 Conversor de voltaje tipo buck ... 29
18 Control utilizado ... 29
19 Modelo Final ... 29
20 Curva de velocidad. Referencia 500 Rpm. Escala 16:500 ... 29
21 Torque generado. Referencia 500 Rpm ... 29
22 Corriente de salida. Referencia 400 Rpm. Real Time ... 29
23 Torque de salida Referencia 400 Rpm. Real Time ... 29
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Índice de tablas
1 Tabla 1: Características del modelo del motor ... 12
2 Tabla 2: Características del vehículo ... 12
3 Tabla 3: Característica Torque-Velocidad ... 14
4 Tabla 4: Características del conversor ... 22
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RESUMEN EN INGLÉS
Switched reluctance motors, unlike most motors, have no windings or magnets on the rotor, actually it is just a piece of steel or iron which rotates due to its own trend of being aligned with the flux through it. As current flows through stator windings torque is generated because of the attraction exerted over the rotor. Continuous torque is achieved by synchronizing excitation of the stator phases with rotor position. Research about use of switched reluctance motor becomes this machine a really important alternative, given its characteristics of efficiency, torque, speed, cost and operation. This research pretends to analyze machine performance under load condition besides a closed loop control. Load condition reproduces a vehicular traction operation system, whose objective is to design a closed loop speed control. Computational model is available in Simulink, which allows giving the research an advanced approach by using OPAL4500 platform which permits real time simulation.
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RESUMEN EN ESPAÑOL
Un motor de reluctancia conmutada, a diferencia de la mayoría de los motores, no cuenta con bobinas o imanes en el rotor, este es solo una pieza de hierro o acero que gira gracias a la tendencia del mismo a alinearse con la dirección del flujo a través de él. Mientras la corriente fluye por los devanados del estator, se genera torque gracias a la atracción que se ejerce sobre el rotor. La generación de torque de manera continua se logra sincronizando la excitación de las fases con la posición del rotor. Los estudios acerca del uso de motores de reluctancia conmutada en aplicaciones industriales, lo perfilan como una alternativa muy importante dadas sus características de eficiencia, torque, velocidad, costo y operación. Este estudio busca analizar el desempeño de la máquina bajo condición de carga junto con un sistema de control en lazo cerrado; la condición de carga emula la operación de un sistema de tracción vehicular, para el cual se busca diseñar un controlador de velocidad. El modelo computacional utilizado para el desarrollo del proyecto corresponde al modelo disponible en simulink, lo que abre la posibilidad de dar al desarrollo del estudio un enfoque más avanzado utilizando la plataforma OPAL4500 que permitirá simular el sistema en tiempo real.
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AGRADECIMIENTOS
A mis padres que han luchado tanto a lo largo de estos años y han deseado para mí lo mejor. A mi hermano quien me ha acompañado y apoyado durante los momentos más importantes de mi vida. A mi asesor de proyecto de grado, el profesor Gustavo Ramos, por estar dispuesto a acompañar el desarrollo del proyecto, así como por sus muchas enseñanzas a lo largo de mi formación profesional. A Miguel Hernández y Miguel Ortiz, quienes se mostraron atentos y prestos a solucionar inconvenientes. A mis compañeros de carrera que me apoyaron y ayudaron a conseguir este objetivo: Jorge Malo, Nicolás González, Cristian Castellanos, Manuel Trujillo, Daniel Fernández, Hernando Wills, Juan Dvera, Eric Blandón, Daniel Jaramillo, Daniel Caldas, Daniel Sepúlveda, Daniel Castellanos, Jaime Garzón y a todos los demás.
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INTRODUCCIÓN
Los motores de reluctancia conmutada o variable, son máquinas que han venido adquiriendo importancia en campos de investigación y desarrollo que requieren equipos de alta eficiencia, operación robusta, altos índices de torque y velocidad, entre otros. La operación de este tipo de motor depende de la conmutación constante de los dispositivos de control, esta es la razón por la cual este tipo de máquina ha despertado interés de la mano del avance de la electrónica de potencia de alto desempeño.
El modelamiento y diseño de dispositivos eléctricos para uso industrial requiere rigurosas pruebas de desempeño, el uso de motores de reluctancia conmutada no es la excepción; sin embargo, las pruebas en máquinas reales demandan un esfuerzo económico alto, lo que lleva a los investigadores a buscar maneras eficientes para realizar estudios de funcionamiento y caracterización. Herramientas de simulación en tiempo real permiten analizar el comportamiento de motores y demás dispositivos eléctricos, bajo la misma condición temporal de un modelo físico. De manera específica, provee una manera adecuada de simular características pertinentes al comportamiento efectivo del sistema. En este caso, el uso de este tipo de plataforma plantea una forma muy favorable de estudiar las características de comportamiento de un motor de reluctancia conmutada bajo condiciones de operación deseadas.
Este proyecto pretende aprovechar las ventajas de la simulación en tiempo real para promover el desarrollo de aplicaciones usando motores de reluctancia conmutada. Simplificando el proceso de investigación y caracterización, mediante el uso del modelo creado en la plataforma de tiempo real. En ese sentido, el desarrollo de una aplicación se simplifica, verificando que la carga y el motor se adaptan al modelo que se tiene. Se estudia el desempeño del motor bajo una condición de carga, desarrollando un sistema de control de velocidad mediante la manipulación del voltaje de exitación, diseñado a partir del modelo disponible en simulink diseñado por Hoang Le Huy [8]
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OBJETIVOS
5.1 Objetivo General
Analizar el desempeño de un motor de reluctancia conmutada bajo una condición de carga dada. Para esto, se busca hacer uso de herramientas de simulación en tiempo real, que permiten mejorar características de la simulación, tales como duración, interacción y manipulación, además de la posibilidad de obtener salidas analógicas que describan características del modelo
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5.2 Objetivos Específicos
Comprender el modelo teórico del motor de reluctancia conmutada, usando como base el modelo diseñado por Hoang Le-Huy, que provee el ambiente de simulación de simulink (SimPowerSystems).
Diseñar un sistema de control de velocidad para la operación del motor, teniendo en cuenta características de carga de un vehículo eléctrico.
Implementar el modelo desarrollado y analizar su comportamiento por medio de la plataforma de simulación en tiempo real, buscando conocer de manera más clara la operación del motor.
5.3 Alcance y productos finales
El alcance de este proyecto busca conocer las capacidades de los motores de reluctancia conmutada y reproducir una condición de carga para la cual el uso de estos resulte favorable.
Sistema de control de velocidad en lazo cerrado mediante control de voltaje de excitación, que consta de un conversor dc-dc de modo controlado.
Modelo computacional de simulación en tiempo real del motor operando bajo condición de carga.
Aprovechamiento de las ventajas de la simulación en tiempo real como medio para evaluar las funciones del modelo.
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DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL
TRABAJO
Dado el amplio margen de requerimientos industriales, en los cuales se usan motores eléctricos. Resulta preciso estudiar las características, comportamiento, ventajas y desventajas de los motores de reluctancia conmutada como alternativa eficiente para aplicaciones industriales.
Teniendo en cuenta que en la industria colombiana la presencia de estas máquinas es muy escasa; se busca llevar a cabo estudios que permitan introducir este tipo de motor en la industria nacional, dada la necesidad de aumentar la eficiencia de consumo energético en este sector.
Gracias al desarrollo actual de la electrónica de potencia, es posible diseñar controladores que mejoran la operación del motor SRM, a pesar de que el rizado de torque es alto, la operación es muy sencilla y la construcción del motor muy simple, lo que lo hace una máquina robusta, de bajo costo y fácil de operar, además del alto índice de velocidad que alcanza.
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MARCO TEÓRICO, CONCEPTUAL E HISTÓRICO
7.1 Marco Teórico
Los motores de reluctancia conmutada son máquinas que generan potencia mecánica gracias a la fuerza que ejercen los devanados del estator sobre los polos salientes del roto. El hecho de que sea una máquina doblemente saliente, contribuye a aumentar la generación de torque, el cual se produce debido a la tendencia de alineación entre los polos del rotor y el estator. El rotor tiende a la posición en la cual se minimice la reluctancia, lo cual hace que aumente la inductancia de la fase del motor.
La cantidad de polos en el estator por lo general es distinta a la cantidad de polos en el rotor, para asegurar la posibilidad de tener torque de arranque. La figura 1 muestra un SRM 8/6 (8 polos en el estator y 6 en el rotor), el cual cuenta con cuatro fases, una de ellas conectada a un inversor asimétrico de un solo ramal.
Dado que la construcción del rotor resulta muy simple, pues este consta de piezas de hierro o acero laminadas con polos salientes, los motores de reluctancia conmutada ofrecen una alternativa confiable y de bajo costo.
Fig 1. Modelo de SRM-Inversor de una sola fase [17]
La figura 2 muestra el perfil de inductancia en función de la posición del rotor con respecto al estator:
Fig 2. Perfil de inductancia en función de la posición del rotor [17]
Θs representa el ángulo para el cual el rotor empieza a moverse para alinearse con la fase excitada del estator, θ1 por su parte, representa el ángulo para el cuál el rotor se alinea completamente con la fase excitada del estator. Cuando los polos del estator se
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encuentran en el punto más alejado, la inductancia se denomina Lu (Unaligned); por otra parte, La corresponde al punto en que los polos del rotor se encuentran perfectamente alineados con la fase del estator. Estos puntos en el perfil de inductancia son referencias importantes para el desarrollo de un modelo analítico. La producción de torque se relaciona directamente con la derivada del perfil de inductancia, por lo cual cuando esta decrece, el torque producido por esa esta fase es negativo. Al igual que todas las máquinas eléctricas, el funcionamiento se ve limitado por la saturación magnética, por lo cual debemos ser cuidadosos en proceso de modelado y análisis. La curva característica torque-velocidad se ha divido en tres regiones: Torque constante potencia constante y caída de potencia, tal como se muestra en la figura 3
Fig. 3 Curva característica torque- velocidad. [17]
ωb representa la velocidad a la cual se maximiza el torque, este parámetro varía en función de la corriente y las características de magnetización del motor. Antes de esta velocidad, el torque puede mantenerse constante o controlarse a través del control de la corriente. Ya que esta depende del valor de la inductancia, el control de torque debe hacerse teniendo en cuenta la posición del rotor. A medida que aumenta la velocidad, un ángulo de encendido de las fases debe ser considerado para mantener el avance del motor, sin dejar de lado, el control de corriente.
Modelo analítico del SRM
El modelo simplificado del motor, consta de una inductancia y una resistencia serie, despreciando efectos de saturación, flujo en los bordes de los polos, flujo ligado y acople mutuo entre fases. El circuito equivalente se muestra en la figura 4.
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Fig. 4 Modelo circuital del SRM [17]
Las ecuaciones que rigen este modelo son las siguientes:
Ecuación de voltaje:
𝑉 = 𝑅𝑖 +𝑑𝜆(𝜃, 𝑖)
𝑑𝑡
Donde R es la resistencia de la fase, i es la corriente que fluye por ella.
Ecuación de movimiento:
𝑇 = 𝐽𝛿𝑊
𝛿𝑡 + 𝐷𝜔 + 𝑇𝐿
Donde 𝑇𝐿 es el torque de la carga, 𝑇𝑒 es el torque electromagnético, J es la inercia del rotor, 𝜔 es la velocidad angular del rotor y es el coeficiente de fricción.
Ecuación de torque electromagnético
𝑇𝑒= 𝛿𝑊′
𝛿𝜃
Una vez planteado el modelo circuital del SRM, el diseño de una estrategia de control para la operación del motor, se deben tener en cuenta las características y la región de operación planteadas anteriormente.
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Fig. 5 Características de magnetización del SRM. [17]
7.1.1 Torque característico:
El torque mecánico de la maquina se debe a la fuerza ejercida por el devanado excitado sobre lo polos salientes del rotor, que tienden a alinearse, las características más importantes que afectan el comportamiento de esta variable de la máquina son la geometría, la cantidad de fases, la cantidad de polos del rotor, y la duración de la corriente de excitación.
Por lo general, demandar un torque promedio alto, implica tolerar un alto rizado del mismo, de acuerdo con [20], la operación de SRM con un torque promedio bajo, implica un rizado bajo, sin embargo al aumentarse la necesidad de torque promedio, aumentará también el rizado. Las principales causas del alto porcentaje de rizado de torque de esta máquina son las características geométricas, es decir, la distribución de los polos del rotor, y el ángulo de separación entre estos, es por esto, que el porcentaje disminuye a medida que aumenta la cantidad de fases y polos con los que cuenta el motor.
Otros problemas de operación de la máquina relacionados con la manera de excitación de corriente son las vibraciones y el ruido audible.
7.1.2 Sistemas de control:
El control de las variables de salida de la maquina se hace mediante la excitación conmutada de las fases del estator, el modelo más sencillo, consta de un conversor asimétrico
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En la figura 6, se muestra el conversor asimétrico que controla la excitación de una fase del estator del motor, este cuenta con dos interruptores controlados, que se activan de acuerdo a la posición del rotor, al desactivarse, los diodos D1 y D2 se polarizarán de manera que el voltaje en la bobina se invierte
Existen muchas estrategias y sistemas de control de torque basados en esta topología, entre las cuales se busca: reducir la cantidad de interruptores, acelerar la excitación, acelerar la demagnetización, aumentar la eficiencia, aumentar el factor de potencia, entre otras.
Los requerimientos básicos de un conversor para un SRM son:
Cada fase debe poder conducir de manera independiente.
Debe ser capaz de excitar la fase antes de que el torque negativo provoque que la máquina entre en modo de generación.
Debe permitirse que se solapen las fases.
Un conversor eficiente debe poder usar la energía de la fase saliente en la fase entrante o hacerla retornar a la fuente.
Para reducir el tiempo de conmutación, el conversor debe generar un voltaje suficientemente bajo y reducir la duración de la demagnetización.
Para reducir las pérdidas por histéresis y conmutación, el conversor debe contar con dispositivos de libre giro, para reducir la frecuencia de conmutación.
En orden de aumentar la potencia de salida del motor, el conversor debe ser capaz de generar voltajes de excitación muy altos.
El conversor debe contar con circuitos resonantes con el objetivo de aplicar zero-voltage y zero-current, reduciendo así las pérdidas por conmutación
7.1.2.1
Control de Torque:
Una de las características más llamativas de los SRM es la eficiencia a altas velocidades, sin embargo el rizado en la señal de torque tiene una influencia significativa en el comportamiento del motor. Para mitigar estos problemas, y tener un buen porcentaje de eficiencia a altas velocidades, el ángulo de disparo y el voltaje de excitación deben controlarse de manera instantánea. El ajuste en el ángulo de disparo a medida que avanza la operación del motor se hace por medio de retroalimentación de la señal de velocidad, para mantener las condiciones de eficiencia.
Control del ángulo de conmutación:
Es importante sincronizar la excitación de las fases del estator con la posición del rotor, lo cual deriva en uno de los conceptos más importantes para caracterizar el comportamiento del SRM, el cual es sincronizar la corriente de excitación de cada fase con la posición del rotor.
Control de pulso sencillo:
En los rangos de bajas velocidades, la producción de torque se ve condicionada solo por la corriente, la cual puede ser regulada por un PWM o por un método de control
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instantáneo, a medida que la velocidad se incrementa, el voltaje es insuficiente para regular la corriente, por lo cual, el torque puede ser controlado solo mediante la inyección controlada de los pulsos de corriente.
7.1.2.2
Control de corriente:
Voltage chopping:
Este método consiste en comprar una señal de control, con una señal PWM, con el objetivo de modular las señales de conmutación. Esto permite controlar el voltaje DC promedio de la señal de salida, es decir, de excitación de las fases. Este tipo de control permite manipular cada fase de manera independiente, además permite que estas se sobrelapen.
Control por histéresis:
Este método genera una señal de corriente plana, debido a la naturaleza de su funcionamiento. Sin embargo es el método más sencillo de aplicar, pues solo cuenta con tres umbrales (Δ𝐸, 0, −Δ𝐸). En orden de reducir la frecuencia de conmutación, y por tanto las pérdidas de potencia, sólo un interruptor se abre o cierra a la vez.
Para mantener el torque constante, la fase entrante se mantiene en estado 1, mientras que la fase saliente cambia de estado.
7.1.3 Esquema de Simulación en tiempo real
En ingeniería, el diseño de un producto de uso industrial, requiere que este garantice la operación correcta dentro de las restricciones establecidas, El diseño de un motor para cualquier aplicación compete la caracterización del dispositivo en términos, eléctricos, mecánicos, térmicos, dimensionales, etc. Los costos de llevar a cabo estudios rigurosos sobre la viabilidad del motor no son solo económicos, también comprenden tiempo y personal capacitado. En la búsqueda de soluciones ingenieriles, el desarrollo de dispositivos ha encontrado en la simulación en tiempo real una alternativa muy viable, capaz de reducir costos y tiempos de diseño, ofreciendo una fidelidad bastante alta respecto al comportamiento real del dispositivo a diseñar.
Dicho de manera general, una plataforma de tiempo real permite efectuar numerosas pruebas de diseño y desempeño, facilidad para emular condiciones de operación, aumentar la observabilidad del sistema haciendo más fácil la detección de fallas y errores de diseño.
La plataforma OPAL-RT 4500 es un sistema computacional de hardware y software de alta eficiencia, que permite simular sistemas y dispositivos eléctricos, mecánicos, físicos, entre otros, ofreciendo ventajas que acercan el diseño y modelamiento a sus correspondientes reales.
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7.2
Marco Histórico
Los motores de reluctancia conmutada fueron inventados en el siglo XIX, sin embargo no es sino hasta la segunda mitad del siglo XX, tras la invención del tiristor, y las iniciativas alrededor del mundo de mejorar la eficiencia del consumo de energía; que despertaron realmente el interés de académicos e industriales. Investigadores de la universidad de Leeds y la universidad de Nottingham fueron pioneros en el desarrollo de estas máquinas. Actualmente, sus características permiten que sean utilizados en una gran gama de aplicaciones, sin embargo su uso todavía se encuentra sujeto a estudios.
Gracias a sus características de potencia de salida constante se han convertido en una de las alternativas más viables de motores BLDC [7]
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DEFINICION Y ESPECIFICACION DEL TRABAJO
8.1 Definición
Se busca explorar la capacidad operacional de los motores de reluctancia conmutada, con base en el modelo desarrollado por Hoang Le Huy, disponible en SimPowerSystems. Las características de este motor se listan a continuación.
Tabla 1 Características del modelo del motor
Fases 3
Polos Estator 6
Polos Rotor 4
Potencia Nominal 60 [kw] Resistencia de Estator 0.72 [Ω]
Fricción 0.01 [Nms]
Inercia 0.0082 [kgmm]
Corriente Máxima 725,3731 [A] Torque Máximo 259,0754 [Nm]
Velocidad 4097 [Rpm]
Ángulo Encendido 31° Ángulo Apagado 72.25°
Voltaje 231 V
La aplicación escogida para el análisis del sistema es un vehículo eléctrico, cuyas características y condiciones de entorno se listan a continuación
Tabla 2 Características del vehículo
Características del vehículo
Masa 200 [kg]
Distancia CG-Eje Frontal 1.4 [m] Distancia CG-Eje Trasero 1.6 [m] Altura de CG desde el suelo 0.5 [m]
Área Frontal 1.2 [m^2]
Coeficiente de arrastre 0.4
Densidad de masa del aire 1.2 [kg/m^3] Radio de la rueda 0.279 [m]
La caracterización del modelo del vehículo, se basa en un modelo matemático del mismo que asume ciertas propiedades de operación. La característica torque-velocidad se encuentra a partir de un modelo pasivo de carga, es decir, que se reproduce la carga necesaria para que el vehículo alcance una velocidad determinada.
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De esta manera, el enfoque del proyecto, se ha centrado en desarrollar un sistema de control de velocidad para este motor, que permita ser aplicado a las características de carga que presentará el vehículo durante su operación conjunta. Dado que el motor es el núcleo del sistema de tracción, este debe contar con un control de velocidad que le permita seguir un perfil de desempeño deseado referente a esta variable. Teniendo en cuenta características de comportamiento regulares de un sistema de tracción vehicular. Finalmente, el desarrollo del proyecto, busca aprovechar las ventajas de la plataforma de simulación en tiempo real, lo que permitirá analizar el comportamiento del modelo desde un punto de vista menos académico, más industrial y aplicado.
8.2
METODOLOGÍA DEL TRABAJO
8.2.1 Plan de trabajo
El primer paso en el desarrollo de este proyecto es conocer el funcionamiento de un motor de reluctancia conmutada, entender principios físicos y matemáticos clave, a partir de los cuales se pueda comprender el modelo proporcionado por simpowersystems. Se realizó una revisión de la literatura referente a este tipo de máquinas [1-3] así como de la base de datos de IEEE en busca de conocer el estado del arte del desarrollo de motores de reluctancia conmutada, principales aplicaciones, inconvenientes, métodos de desarrollo, entre otros.
El siguiente paso es comprender el funcionamiento del modelo computacional, para ello se tiene en cuenta principalmente el diseño y las especificaciones del mismo, proveídas por su diseñador original [17]. Además de las características y el funcionamiento del modelo en un sistema de lazo abierto y operación sin carga. Lo anterior permite una visión amplia de la operación del motor, concibiendo restricciones, funcionalidades y potenciales aplicaciones.
A partir de todo lo anterior se manipula el modelo, reproduciendo en simpowersystems las condiciones bajo las que operará el motor en el caso de tracción vehicular, a partir de esto, se busca diseñar un sistema de control en lazo cerrado que cumpla los requerimientos de esta.
Finalmente, se busca simular en modelo en un ambiente de simulación de tiempo real, aprovechando las principales ventajas de este y dar al proyecto un enfoque más cercano al desarrollo real.
8.3
Búsqueda de información
La fuente más importante de información corresponde a A versatile nonlinear switched reluctance motor model in simulink using realistic and analytical magnetization characteristics [8], en este artículo se documenta el desarrollo del modelo computacional, los parámetros de configuración, las restricciones, las características físicas despreciables y la configuración del motor.
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Por otra parte, las fuentes de información acerca de estudios y aplicaciones para motores de reluctancia conmutada corresponden a fuentes extraídas de la base de datos de IEEE, en los cuales se describen los procesos de adquisición y procesamiento de información, esquemas de control y objetivo principal de cada aplicación. A partir cada trabajo documentado, se puede obtener información valiosa acerca del uso del motor.
Para comprender las bases físicas más teóricas del comportamiento del motor se utilizan principalmente las fuentes [1] y [17] a partir de las cuales se obtienen los conocimientos sobre las curvas de magnetización, comportamiento de la inductancia del rotor, comportamiento del flujo y la manera en que estas características inciden en la operación.
8.3.1 Sistema de Tracción Vehicular:
Se tiene como objeto de uso, una aplicación de tracción vehicular, considerando la importancia del desarrollo de vehículos eléctricos. La referencia [7] Desarrolla la caracterización de un vehículo eléctrico para motor de reluctancia conmutada utilizando el modelo computacional provisto por Simpowersystems.
A partir de la cual se caracteriza el torque necesario para que el vehículo alcance la velocidad deseada, la siguiente tabla muestra la relación torque velocidad modelada:
Tabla 3 Característica Torque-Velocidad
Torque [Nm]
Velocidad
[km/h] Velocidad [Rpm]
5 18 171
10 25 241
15 31 292
20 36 342
25 40 382
30 44 418
35 47 450
40 51 483
50 57 540
60 62 592
70 67 639
80 72 683
90 76 725
100 80 764
Finalmente, se utilizará el módulo de salidas análogas de la plataforma OPAL-RT 4500, para representar en tiempo real las funciones torque y velocidad del desempeño del motor.
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TRABAJO REALIZADO
Una vez se cuenta con una base teórica suficiente sobre el funcionamiento y manejo de motores de reluctancia conmutada, se desarrolla el análisis del modelo y se ejecutan la caracterización y las estrategias de control en busca de la consecución de los objetivos planteados
9.1 Análisis del modelo:
La figura muestra la topología del modelo utilizado, los bloques que los constituyen son:
Banda de histéresis
Conversor Asimétrico
Modelo de SRM 6/4
Sensor de posición
Fig. 7 Modelo de aplicación SRM. SimPowerSystems. [17]
El funcionamiento del modelo se basa en la excitación de las fases del estator dependiendo de la posición del rotor, teniendo en cuenta la corriente de referencia, las variables de salida del motor son:
Voltaje en los devanados
Flujo
Corriente
Torque mecánico
Velocidad del rotor
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Al conocer la velocidad, y por ende la posición del rotor, podemos manipular el instante en que se cierran los interruptores, utilizando un ángulo de disparo fijo. De esta manera se lleva al motor a una condición de estado estable.
La figura 8 muestra el modelo del conversor utilizado:
Fig. 8 Conversor Asimétrico [17]
Este modelo corresponde al presentado anteriormente.
La figura 9 muestra el esquema que recrea el comportamiento dinámico del motor.
Fig. 9 Modelo interno del motor. [17]
El modelo se basa en un sistema eléctrico y un sistema mecánico, que representan la dinámica del motor y las características de la carga. Las entradas son los voltajes medidos en la conexión de cada fase y el valor de torque de carga al que está siendo sometido el motor; el flujo en la máquina es obtenido a través de funciones implementadas en tablas (look-up tables), estas contienen las curvas que caracterizan la respuesta del motor, corresponden a: Corriente como función del flujo y la posición del rotor; Torque como función de la corriente y la posición del rotor. Las curvas de magnetización se muestran en las figuras 10 y 11.
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Fig. 10 Curva característica de magnetización. Corriente vs Flujo-Posición. [17]
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9.1.1 Resultados del modelo
La figura 13 muestra los resultados del modelo actual, para el cuál, la velocidad nominal es de 4700 rpm. La corriente oscila alrededor de 25 A y el torque lo hace alrededor de 10 Nm.
Fig. 12 Resultados del comportamiento del modelo inicial
Las señales mostradas en la figura 12 corresponden respectivamente a:
Flujo
Corriente
Torque de salida
Velocidad
9.2 Control de Corriente
El sistema de activación y desactivación de fases se basa en un sistema de control de corriente por banda de histéresis, una vez encendida cada fase, se verifica que la corriente de esta se encuentre dentro del rango permitido, de lo contrario se abren los interruptores que alimentan la fase y el camino de conducción se completa por medio de los diodos del inversor, lo que hace que la alimentación de la fase sea negativa, invirtiendo el crecimiento de la corriente, este proceso se repite durante el tiempo de conducción, es decir, mientras que el polo del rotor se encuentra dentro de la zona de influencia correspondiente a la fase excitada del estator. Una vez el rotor alcanza la posición correspondiente al ángulo de cierre, la fase siguiente entrará en conducción y se realizará el mismo proceso. Este comportamiento se muestra en las siguientes figuras.
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Fig. 13 Resultados del comportamiento del motor. Conmutaciones debidas al control por histéresis
Las señales mostradas en la figura 12 corresponden respectivamente a:
Voltaje en los devanados
Corriente
Flujo
9.3 Control de velocidad por corriente controlada
El esquema de control de velocidad para operación sin carga, fue el primer paso para el diseño del sistema. La velocidad se lleva hasta el valor de referencia por medio de un controlador PI.
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Fig. 14 Sistema de control de velocidad por manipulación de corriente
Este esquema permite ajustar la velocidad a un punto deseado en muy pocos segundos. El uso del controlador PI es ideal para reducir el error de estado estable y refinar la señal de velocidad, por medio de una retroalimentación al conversor, el motor alcanza la velocidad deseada.
El esquema consta de un sistema de lógica que compara la orden de encendido del controlador, con la orden de encendido del sistema de control de corriente por histéresis. Permite controlar la velocidad del motor para un rango e velocidades entre 0 y 750 rpm. Sin embargo, el desempeño de la máquina bajo la operación de este sistema no es apropiado, pues las características de control y la naturaleza no lineal de la máquina hacen que sea insuficiente para la operación regular. El torque generado por el motor es el siguiente.
Fig. 15 Torque generado por la máquina bajo el control de velocidad por corriente
9.4 Control de velocidad por voltaje controlado.
Al tener en cuenta que el voltaje de excitación de los devanados del estator puede variar, e incidir sobre el comportamiento del motor, se realizó un análisis del sistema bajo esta condición. Este tipo de control limita la operación del motor a bajas velocidades. [17]
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El voltaje de excitación permite controlar fácilmente la velocidad máxima del motor, manteniendo el torque de salida dentro de un rango de operación tolerable de acuerdo a la operación de la máquina. El estudio detallado de este sistema de control se realizó directamente en el caso de estudio.
9.5 Caso de estudio
En busca de un sistema que permita manejar la operación de la máquina y ajustar su velocidad a una referencia deseada, se ha adoptado el caso de estudio enunciado como método de caracterización de aplicación, reproduciendo la condición de carga encontrada en este. De acuerdo con la estrategia de control de velocidad, se creó un sistema que varía el voltaje de excitación de los devanados, dando como resultado un ajuste a la velocidad de referencia por medio de modulación de ancho de pulso.
El diagrama de bloques del modelo es el que se muestra en la figura anterior, el modelo del sistema de control a través es el siguiente.
Fig. 17 Conversor de voltaje tipo buck
Las características físicas de este conversor son las siguientes:
Tabla 4 Características del conversor
Vs 240 [V]
C 4,7 [mF]
L 22 [mH]
R 0.72 [Ω]
F max 5 [kHz]
El esquema de control de voltaje consiste en la manipulación del error de la señal de velocidad por medio de un controlador proporcional-integral, cuya respuesta se compara con la señal portadora para obtener la señal de conmutación del interruptor, logrando así el voltaje
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necesario en el devanado para que la velocidad concuerde con el valor de referencia que se desea
Fig. 18 Conversor de voltaje tipo buck – Control utilizado
Finalmente, se tiene un sistema para el cual la corriente no excede los límites establecidos, y la velocidad del motor se controla a través del voltaje de excitación de los devanados, este varía debido a que el torque eléctrico generado por la alineación de la reluctancia depende del voltaje de excitación, así mismo el rizado de torque es menor y la operación de la máquina se puede adaptar a la necesaria.
El sistema de control de velocidad por voltaje fue implementado bajo condición de carga, para una corriente de referencia de 200 amperios, los resultados obtenidos fueron los siguientes:
Tabla 5 Relación de excitación. Voltaje-Velocidad
Torque [Nm] Velocidad [Rpm] Voltaje [V]
5 171 27,5
10 241 42
15 292 52,5
20 342 60
25 382 72,5
30 418 82,5
35 483 87,5
40 540 120
50 592 132,5
60 639 147,5
Este sistema ajusta la velocidad al valor de referencia en poco tiempo, gracias a esto, se puede aplicar de manera rápida el cambio en los ángulos de encendido y apagado, lo que permite controlar el torque generado por la máquina para llevar el rizado a un punto aceptable.
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9.6 Descripción del Resultado Final
Finalmente, al caracterizar el conversor y el sistema de control, la operación del motor se ajusta a la curva Torque-Velocidad dada por [7]. La figura 18 muestra el sistema de simulación final, implementado en la plataforma OPAL-RT4500
Fig. 19 Modelo final.
A continuación se muestran curvas de velocidad y torque correspondientes a la operación del motor bajo el sistema de control diseñado.
Fig. 20 Curva de velocidad. Referencia 500 Rpm. Escala 16:500
La señal de velocidad se encuentra escalada, ya que corresponde a la señal de prueba del sistema de simulación en tiempo real, el objetivo de esta es ser comparada con la salida análoga del sistema. La velocidad final del motor corresponde a 500 Rpm
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Fig. 21 Torque generado. . Referencia 500 Rpm
La figura 19 muestra las características de torque del motor para la curva de velocidad mostrada anteriormente, claramente se aprecia el alto rizado de la señal antes de alcanzar la velocidad de referencia y aún durante este estado, sin embargo, al cambiar los ángulos encendido y apagado de las fases, este valor disminuye considerablemente; lo que resulta muy conveniente ya que una aplicación de tracción vehicular, demanda un torque de salida lo más liso posible. Los valores escogidos para realizar esta operación son 47.5 y 82.5, permitiendo de esta manera que la excitación de fases se solape y así el rotor siempre estará sometido a un torque eléctrico.
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VALIDACIÓN DEL TRABAJO
La reproducción del modelo que corresponde a la curva Torque-Velocidad se hace mediante una tabla de datos (look up table), por medio de la cual se hace corresponder un valor de carga con cada velocidad que debe alcanzar el motor.
Ya que la plataforma Opal Rt funciona con base en simpowersistems, es posible llevar a cabo la simulación del modelo a partir del desarrollado en Simulink. Dado el modo de operación de esta plataforma, no es posible manipular el modelo durante la simulación, sin embargo, es posible controlar los ángulos de operación y la velocidad de referencia a través de la interfaz de usuario que ofrece.
El tiempo de muestreo escogido para la validación del funcionamiento del sistema es de 20 µs. La frecuencia de conmutación del sistema de control no excede 5kHz, dado que el
sistema de control de velocidad se basa en modulación de ancho de pulso de la señal de voltaje de excitación, la frecuencia de conmutación aumenta para velocidades bajas.
10.1 Validación de los resultados del trabajo
A continuación se presentan los resultados obtenidos de la simulación en tiempo real, por medio del módulo de salidas análogas del sistema opal-rt, el cual reproduce mediante una señal de voltaje las señales de salida del modelo. Se realizaron pruebas para velocidades de
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referencia entre 100 y 500 Rpm, lo cual para el modelo utilizado, corresponde a velocidades entre 10 y 55 kms/h.
Las figuras 22 a 24 muestran los resultados en tiempo real del comportamiento del modelo cuando la velocidad de referencia es 400 Rpm. Las demás pruebas se encuentran en la seción de Anexos al final de este documento.
Fig. 22 Corriente de salida. Referencia 400 Rpm – Real time
Fig. 23 Torque de salida. Referencia 400 Rpm- Real Time
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10.2 Evaluación del plan de trabajo
El proyectó logró comprender el funcionamiento de motores de reluctancia conmutada, a partir de esto, se reprodujo de manera aceptable la condición de caracterización Torque-velocidad. La operación del motor se ajusta a lo esperado y controla eficazmente la velocidad, teniendo en cuenta la carga generada por el sistema a medida que la esta aumenta.
Por otro lado, la simulación en tiempo real, ofrece muchas ventajas en cuanto al análisis de desempeño de la máquina, ya que es posible observar el periodo de estabilización en y dar un enfoque más versátil al ambiente de simulación.
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CONCLUSIONES
El sistema de control de velocidad por control de voltaje permite mantener la operación de la máquina dentro de un rango aceptable, esta puede operarse bajo un régimen restrictivo, que se adapte a las características ofrecidas.
Mantener el sistema de control de corriente por histéresis, permite que el motor mantenga su referencia inicial de operación, a la vez que se controla la velocidad por medio de la variación de voltaje.
El rizado de torque se logró reducir de manera considerable al cambiar los ángulos de encendido y apagado, lo cual sugiere que una estrategia más profunda de control de estos ángulos mejoraría la operación respecto a esta característica.
La máquina se adaptó muy bien a las características de carga emuladas, más allá de los inconvenientes intrínsecos de operación que esta pueda presentar. Estudios futuros pueden centrarse en estrategias más adecuadas de control de torque, de acuerdo a las características de la aplicación.
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[22] Quick Field, A new approach to fiel modelling. http://quickfield.com/advanced/switched_reluctance_motor.htm
13
Anexos
13.1
Anexo A:
Modelo vehicular Simulink
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13.2
Anexo B
Simulaciones adicionales en RT-Lab
Curva de velocidad; Ref: V=100 Rpm Corriente de fase; Ref: V=100 Rpm
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Torque generado; Ref: V=100 Rpm Curva de velocidad; Ref: V=200 Rpm
Corriente de fase; Ref: V=200 Rpm Torque generado; Ref: V=200 Rpm
Curva de velocidad; Ref: V=300 Rpm Corriente de fase; Ref: V=300 Rpm
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Corriente de fase; Ref: V=400 Rpm Torque generado; Ref: V=400 Rpm
Curva de velocidad; Ref: V=500 Rpm Corriente de fase; Ref: V=500 Rpm
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Torque generado; Ref: V=500 Rpm
