N° tesis: 5
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
Miguel Angel Ortiz Padilla
Simulación y Control de Motores de Reluctancia Conmutada
Sustentado el 5 de Diciembre de 2013 frente al jurado:
Composición del jurado
- Asesor: Gustavo Ramos Lopez
- Jurados : Esperanza Torres
2
Simulación y Control de Motores de Reluctancia
Conmutada
Contenido
1 Introducción ... 5
2 Objetivos ... 6
2.1 Objetivo General ... 6
2.2 Objetivos Específicos ... 6
2.3 Alcance y productos finales ... 6
3 Problemática y Justificación del Trabajo ... 7
4 Definición y Especificación del Trabajo ... 8
4.1 Definición ... 8
4.2 Especificaciones... 8
4.2.1 Restricciones ... 8
4.2.2 Funciones ... 9
5 Metodología del Trabajo ... 9
5.1 Plan de trabajo ... 9
5.2 Búsqueda de información ... 10
6 Motores de Reluctancia Conmutada: Estado del Arte. ... 11
6.1 Marco Histórico ... 11
6.2 Marco Teórico ... 12
6.2.1 Características de la máquina ... 12
6.2.2 Principio de Operación ... 13
6.2.3 Modelo de la Máquina ... 15
6.2.3.1 Circuito Equivalente ... 15
6.2.3.2 Características del Flujo Ligado... 16
6.2.3.3 Estimación del Torque ... 17
6.2.3.4 Modelo dinámico ... 19
6.2.4 Conversor ... 19
6.2.5 Control ... 20
6.3 Marco Conceptual ... 22
7 Simulación y Control de un SRM 6/4 ... 23
7.1 Sistema de Control de Corriente para un SRM 6/4: Co-Simulación LabVIEW – Multisim ... 24
7.1.1 SRM Model... 24
7.1.2 Converter ... 25
7.1.3 Control ... 26
7.1.4 Phases Sequence ... 27
7.2 Resultados ... 27
7.2.1 Gráficas de Corriente... 27
7.2.2 Gráficas de Flujo ... 28
7.2.3 Gráficas de Voltaje ... 28
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Conmutada
3
7.2.5 Gráficas de Velocidad ... 29
7.2.6 Interpretación de los resultados. ... 30
7.2.7 Cotización ... 31
8 Validación del Trabajo ... 31
8.1 Validación de los resultados del trabajo ... 31
8.1.1 Paso de Simulación ... 31
8.1.2 Circuito en Multisim ... 31
8.1.3 Control por Histéresis ... 32
8.2 Evaluación del plan de trabajo ... 32
9 Discusión ... 32
10 Conclusiones ... 33
11 Agradecimientos ... 34
12 Referencias ... 34
13 Apéndices ... 36
13.1 Propuesta inicial del proyecto ... 36
13.1.1 Caracterización del problema ... 36
13.1.2 Marco Teórico ... 36
13.1.2.1 Antecedentes externos ... 36
13.1.2.2 Antecedentes locales ... 36
13.1.3 Caracterización del proyecto ... 37
13.1.4 Objetivos generales ... 37
13.1.5 Objetivos específicos ... 37
13.1.6 Alcance ... 37
13.1.7 Contexto del proyecto y tratamientos ... 38
13.1.7.1 Suposiciones ... 38
13.1.7.2 Restricciones ... 38
13.1.7.3 Factores de Riesgo ... 38
13.1.8 Recursos ... 38
13.1.9 Cronograma ... 39
13.1.9.1 Identificación y descripción de hitos ... 39
13.2 Software utilizado ... 41
13.2.1 Simulink® ... 41
13.2.2 LabVIEW ... 41
13.2.3 Multisim ... 41
13.3 Datos utilizados para la simulación ... 42
13.3.1 Perfil de Corriente ... 42
13.3.2 Perfil de Torque ... 43
13.4 .Cotización ... 44
13.4.1 Proceso de Compra de un SRM 12/8 de Easy Life Center Co. Ltda. ... 45
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Simulación y Control de Motores de Reluctancia
Conmutada
13.4.2.1 Parámetros de la máquina: Dimensiones ... 46 13.4.2.2 Características ... 46
Simulación y Control de Motores de Reluctancia
Conmutada
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1
Introducción
Con una antigüedad de más de 150 años, el Motor de Reluctancia Conmutada (Switched Reluctance Motor, SRM) representa uno de los diseños de motor eléctrico más viejos que existen [2]. Hacia los años 80’s, las presiones en el sector industrial para mejorar la calidad de los productos, la flexibilidad y velocidad de los procesos, y aumentar la eficiencia en la utilización de la energía, generaron esfuerzos a nivel mundial para explotar la tecnología de los semiconductores de potencia [3]. En consecuencia, el desarrollo de los dispositivos de control para aplicaciones de electrónica de potencia (principalmente variadores de velocidad) generó un creciente interés en las máquinas de reluctancia conmutada.
Figura 1. Motor de Reluctancia Conmutada 6/4 (Tomado de [11])
El nombre “reluctancia conmutada” [2] describe las dos principales características de la máquina: (a). reluctancia – su diseño de máquina doblemente saliente hace que los polos del estator y del rotor funcionen como circuitos magnéticos de reluctancia variable; (b). conmutada – la máquina debe ser operada en un modo continuo de conmutación, que es la razón por la que se desarrolló sólo cuando los semiconductores de potencia alcanzaron un desempeño aceptable.
En el año 2001, el Congreso de la República de Colombia aprobó la ley 697 mediante la cual se fomenta el Uso Racional y Eficiente de la Energía (URE) [16]. Esta ley refleja el interés del Gobierno Nacional por la creación de programas para asegurar el abastecimiento energético, la competitividad de la economía colombiana y la promoción del uso de energías no convencionales de manera sostenible. Uno de los puntos sobre los que se fundamentan estos programas consiste en sustituir los motores obsoletos que aún se utilizan en la industria, por máquinas de alta eficiencia, escenario donde los SRM pueden encontrar una participación significativa.
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Simulación y Control de Motores de Reluctancia
Conmutada
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Objetivos
2.1
Objetivo General
Simular y validar un sistema de control para motores de reluctancia conmutada mediante la técnica de co-simulación computacional utilizando los programas LabVIEW y Multisim de National Instruments.
2.2
Objetivos Específicos
- Conocer y comprender los conceptos básicos relacionados con los motores de reluctancia conmutada: principio de operación, modelamiento matemático, control y aplicaciones1.
- Implementar un sistema de control de corriente para un SRM 6/4 mediante la técnica de co-simulación computacional utilizando los programas LabVIEW y Multisim2.
- Validar los resultados de las simulaciones con el ejemplo
“power_SwitchedReluctanceMotor.mdl” de Hoang Le-Huy (Laval University), disponible en Matlab, Simulink3.
- Presentar el precio y especificaciones de un motor de reluctancia conmutada comercial4.
2.3
Alcance y productos finales
En el presente proyecto se hace entrega del Estado del Arte de Motores de Reluctancia Conmutada, el cual presenta los conceptos básicos relacionados con el funcionamiento y control de esta máquina. Los resultados y análisis presentados corresponden a las simulaciones realizadas durante el desarrollo del proyecto, cuyos archivos ejecutables se adjuntan con el documento. Al final del documento (Apéndice 13.4) se anexa la cotización de un motor de reluctancia conmutada.
1 Se limitaron algunos aspectos de estudio como las configuraciones del conversor y el diseño de
la máquina debido a su complejidad y límite de tiempo para la entrega del documento.
2 Se decidió implementar un control de corriente basado en el ejemplo de Hoang Le-Huy [13]
para facilitar la validación de resultados.
3 La validación de los resultados se basará en la comparación del comportamiento del motor a
partir de sus principales parámetros: corriente, flujo, velocidad y torque.
4 Debido a la poca información obtenida para propósitos académicos sobre precios y
especificaciones técnicas, la metodología de selección y cotización de un motor de reluctancia conmutada tuvieron que ser omitidas.
Simulación y Control de Motores de Reluctancia
Conmutada
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Tabla 1. Alcances del Proyecto
Alcance Nivel de Satisfacción Estado del Arte de Motores de Reluctancia Conmutada que incluya los
conceptos básicos relacionados con el principio de operación, modelo
matemático, control y aplicaciones Deseado Archivos de simulación del sistema de control y modelo de la máquina
(archivos de LabVIEW .vi) y conversor del motor (archivo de Multisim .ms) Deseado Resultados y análisis de las simulaciones Deseado Cotización Motor de Reluctancia Conmutada Aceptable
3
Problemática y Justificación del Trabajo
Los SRM han venido ganando mucha atención por parte de los académicos a nivel mundial, principalmente en el ámbito de las aplicaciones industriales. Este creciente interés obedece a la necesidad de aumentar la eficiencia del consumo energético, el cual se ha convertido en un asunto de interés para los gobiernos que actualmente implementan políticas de desarrollo sostenible.
El Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible (MADS) publicó en 2012 la Resolución Número 0186 de 2012 [16] por medio de la cual se adoptan Metas Ambientales relacionadas con los elementos, equipos o maquinaria que son objeto de certificación para la exclusión de IVA (literal j del artículo 6° del Decreto 2532 de 20015) y/o deducciones por inversiones en control y mejoramiento del medio
ambiente (literal e del artículo 4° del Decreto 3172 de 20036). Estas metas están
enmarcadas en el Plan de Acción Indicativo 2010-2015 para desarrollar el Programa de Uso Racional y Eficiente de la Energía y demás Formas de Energía no Convencionales, PROURE, creado con la ley 697 de 2001 [15].
Una de las metas ambientales del MADS consiste en alcanzar un ahorro de energía eléctrica de 3.43% hacia el año 2015 [16] en el sector industrial. Es por esto que el Plan de Acción Indicativo 2010-2015 del PROURE crea un subprograma para la optimización del uso de la energía eléctrica para fuerza motriz, cuya línea de acción es promover la sustitución de los motores actuales por motores de alta eficiencia. Bajo este escenario, los Motores de Reluctancia Conmutada encontrarían una oportunidad en el ámbito nacional para ser implementados.
5 República de Colombia. Decreto 2532 de 2001. Diario Oficial 44632. 1, Diciembre, 2001. 6 República de Colombia. Decreto 2532 de 2001. Diario Oficial 45368. 11, Noviembre, 2003.
8
Simulación y Control de Motores de Reluctancia
Conmutada
El presente proyecto se presenta con el objetivo de introducir los Motores de Reluctancia Conmutada desde un punto de vista conceptual básico (Teoría-Simulación). La principal motivación es fomentar la investigación e implementación en el corto plazo de estas máquinas en el ámbito nacional con aras a mejorar la eficiencia tanto en el consumo como en los procesos en el sector industrial.
Gracias a sus características, los SRM son una opción atractiva para aplicaciones que van desde la industria aeroespacial hasta aplicaciones domésticas. Por su economía, construcción y amplio rango de posibilidades al momento de diseñar su control, el impacto a mediano y largo plazo de esta tecnología podría beneficiar significativamente la competitividad de la industria colombiana.
4
Definición y Especificación del Trabajo
4.1
Definición
Los Motores de Reluctancia Conmutada son un tema relativamente novedoso en Colombia. A diferencia de los motores eléctricos convencionales, el diseño de un SRM y su controlador es específico para cada tipo de aplicación. Esto implica que para su implementación de manera eficiente se requiere comprender su principio de funcionamiento y modelamiento. En consecuencia, el uso de simulaciones es necesario para estimar el desempeño de un SRM a partir de sus características y parámetros de construcción, modelo matemático, topología del conversor y estrategia de control.
El trabajo presentado tiene como objetivo servir de base para futuros trabajos a nivel nacional y de la Universidad, en los cuales se requiera diseñar o implementar estrategias de control para un SRM utilizando el software LabVIEW. La investigación en este tema podría fomentar la adquisición y futura construcción de estas máquinas en el pais, las cuales podrían ofrecer beneficios en el sector industrial en términos de economía y eficiencia.
4.2
Especificaciones
El trabajo desarrollado podrá ser usado como referencia para un acercamiento básico a los Motores de Reluctancia Conmutada y facilitar el desarrollo e implementación de estrategias de control para estos motores en el software de simulación LabVIEW.
4.2.1 Restricciones
- Durante el desarrollo del trabajo no se contó con un SRM para realizar pruebas. - La asesoría relacionada con el funcionamiento del motor y su control fue
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Conmutada
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publicaciones disponibles en las bases de datos a las cuales tiene acceso la universidad. Otras referencias utilizadas fueron revisadas para contextualizar el tema.
- Los datos utilizados para el desarrollo del trabajo y su posterior validación
fueron tomados del trabajo de Hoang Le-Huy (Laval University), el cual se encuentra en Matlab/Simulink.
4.2.2 Funciones
- Se presenta un Estado del Arte que facilita la comprensión del funcionamiento
de un SRM junto con algunos temas que se están trabajando.
- Se realiza entrega de archivos de simulación en los cuales se validó el modelo
dinámico y el funcionamiento de un control de corriente para un SRM 6/4, comparando los resultados obtenidos en LabVIEW con los de Hoang Le-Huy en Simulink.
- Se presenta una cotización de un SRM comercial.
5
Metodología del Trabajo
El trabajo realizado se basó en la consulta de libros y publicaciones académicas relacionadas con el principio de funcionamiento y control de los SRM. Los modelos de simulación fueron tomados de [13] y la cotización realizada fue hecha a través de correo electrónico.
5.1
Plan de trabajo
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Simulación y Control de Motores de Reluctancia
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Durante el desarrollo del proyecto se informó al asesor sobre los avances y dificultades del trabajo y se recibió asesoría en la estructuración del trabajo en sesiones de consulta realizadas de forma semanal y quincenal. Las etapas críticas del trabajo fueron la búsqueda de referencias y documentación y las actividades relacionadas con el modelamiento y simulación del motor.
5.2
Búsqueda de información
La principal fuente de referencias fue la base de datos del IEEE con la cual la Universidad tiene convenio. De esta base de datos se revisaron las publicaciones académicas relacionadas con los SRM. Otras referencias encontradas en línea se utilizaron para contextualizar el trabajo y/o resultaron relevantes para documentar el trabajo. La preparación académica permitió comprender algunas topologías de los conversores de los motores y el asesor junto con algunos compañeros ayudaron a comprender algunos conceptos relacionados con las máquinas eléctricas y el software de simulación.
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Motores de Reluctancia Conmutada: Estado del Arte.
6.1
Marco Histórico
Los motores de reluctancia fueron unos de los primeros motores eléctricos [4] desarrollados entre 1830 y 1850. Su origen está ligado con el electroimán de William Sturgeon (1824) y la versión mejorada de Joseph Henry, los cuales generaron el interés por convertir la atracción magnética hacia una armadura de hierro, en movimiento continuo y oscilatorio [4], [5]. En 1833, William Ritchie indagaría sobre las leyes de los circuitos magnéticos mediante el método de ensayo y error; y más tarde, W. H. Taylor (1838) obtendría una patente por un motor electromagnético en los Estados Unidos, y en 1840, una patente por el mismo motor en Inglaterra [5].
El motor patentado por Taylor [5] estaba compuesto de una rueda de madera sobre la cual estaban siete piezas de hierro igualmente espaciados en la periferia; la rueda giraba libremente en un marco en el que estaban dispuestos cuatro electroimanes. Estos electroimanes estaban conectados a una batería mediante un arreglo de interruptores mecánicos, de tal forma que la excitación del electroimán atrajera la pieza de hierro más cercana, moviendo la rueda; la secuencia de energización de los electroimanes generaba un movimiento continuo. Sin embargo, este motor y otras subsecuentes invenciones experimentaban pulsaciones en el torque y fueron rápidamente sustituidas por la máquina de inducción y la máquina DC.
El interés por las máquinas de reluctancia conmutada revivió en la década de 1960 por el desarrollo del tiristor [6] y los esfuerzos a nivel mundial para explotar la tecnología de los semiconductores de potencia con el fin de desarrollar mejores controladores para máquinas eléctricas [3]. Los esfuerzos por obtener diseños prácticos de SRM’s de tamaño y desempeño aceptable, llevaron a construir la primera máquina comercial de reluctancia conmutada hacia 1980 [5], [6]. Los principales trabajos académicos desarrollados en esta época se concentraron en Inglaterra, principalmente en la Universidad de Leeds y la Universidad de Nottingham, quienes colaboraron en el desarrollo de estas máquinas [7]. En la actualidad, empresas como Switched Reluctance Drives Ltd. [8] de la Corporación Nidec se dedican al diseño y comercialización de estas máquinas, principalmente para aplicaciones aeroespaciales, automotrices, electrodomésticas, minería, bombas y compresores, servomotores y tracción en general.
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Simulación y Control de Motores de Reluctancia
Conmutada
6.2
Marco Teórico
6.2.1 Características de la máquina
En un motor de reluctancia conmutada (SRM), tanto el estator como el rotor tienen una estructura de polos salientes, que contribuye a la producción de un alto torque. Este torque es producido por la tendencia de alineación de los polos al momento de generar un campo magnético; el rotor se moverá hacia la posición donde se minimiza la reluctancia y se maximiza la inductancia de la fase excitada [9]. La Fig. 3 muestra un SRM 8/6 con un inversor asimétrico para una de las fases. Este motor de 4 fases tiene 8 polos en el estator y 6 polos en el rotor, con dos bobinas unidas sobre polos opuestos (por fase); las fases representan circuitos eléctricamente separados dependiendo del esquema de control o el conversor.
Figura 3. SRM 8/6 con inversor asimétrico (Tomado de [9])
La construcción de los SRM es una característica crucial debido a su sencillez [2]: se elimina la necesidad de utilizar imanes permanentes, escobillas o conmutadores. El estator consiste en laminaciones de acero formando polos salientes, con bobinas conectadas en pares por fase. El rotor es básicamente una pieza de acero (y laminaciones) con polos salientes.
Los SRM’s ofrecen otros atributos como:
- Desempeño: mayor torque y con la misma (o ligeramente superior) eficiencia
que un motor de inducción de “eficiencia premium”. Esta eficiencia se conserva sobre un amplio rango de velocidades.
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- Bajo costo de manufactura, materiales y mantenimiento.
- Alta velocidad y capacidad de aceleración: hasta 100.000 revoluciones por
minuto (RPM).
- Enfriamiento: la mayor parte del calor es generado en el estator, el cual es
relativamente fácil de enfriar.
- Construcción robusta adecuada para condiciones extremas como alta
temperatura y vibración.
Por otro lado, el controlador de este tipo de motores agrega beneficios como la reducción de los interruptores de potencia en un 50% - comparado con los inversores de puente para variadores de velocidad - debido al uso de corrientes monopolares. También puede operar con un desempeño reducido si se presenta una falla en algún interruptor (fases independientes). Las principales dificultades de los SRM son el ruido acústico y el rizado del torque, los cuales son resultado de la conmutación entre las fases. Además, las relaciones entre torque, corriente, velocidad y ángulos de disparo son altamente no lineales y varían como función de la velocidad y la carga.
6.2.2 Principio de Operación
Para garantizar que el SRM pueda arrancar en cualquier posición [2], y para obtener un torque más uniforme, los SRM se diseñan con varias fases y varios pares de polos en el rotor. El número de polos en el estator y el rotor normalmente son diferentes ( =6/4, 8/6, 12/10 etc.). El objetivo de estas configuraciones es
asegurar que el rotor nunca se encuentre en una posición en la que la sumatoria del torque electromagnético generado por cada fase sea cero. A mayor número de polos en el rotor y el estator, menor rizado en el torque. Escogiendo una combinación donde existan dos polos adicionales en el estator con respecto al rotor, se puede lograr un mayor torque y una menor frecuencia de conmutación.
Se dice que el rotor de un SRM está en posición alineada (Fig. 4a) con respecto a una fase fija si la reluctancia tiene su mínimo valor; se dice que el rotor se encuentra en una posición no alineada (Fig. 4b) con respecto a una fase fija si la reluctancia alcanza su máximo valor; de otra forma, se dice que el rotor está en una posición desalineada (Fig. 4c). El principio bajo el cual opera un SRM es el siguiente [2]:
“Cuando se energiza una de las fases del estator, el rotor de un SRM siempre tiende a alcanzar la posición más cercana de mínima reluctancia (posición alineada), que corresponde a la posición de mínima energía almacenada en el sistema.”
Con el fin de lograr una rotación continua, cada fase es energizada por una corriente apropiada en una posición angular del rotor adecuada. Esto significa que la
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Simulación y Control de Motores de Reluctancia
Conmutada
excitación se hace de forma secuencial de una fase a otra a medida que el rotor se mueve [10].
Figura 4. Posiciones del Rotor. (a) Posición Alineada con respecto a la fase A, (b) Posición no alineada con respecto a la fase A, (c) Posición Desalineada con respecto a la fase A (Tomada de [2])
Figura 5. Secuencia de excitación de un SRM 8/6 en sentido horario (Tomado de [2]).
En la Fig. 5 se presenta la secuencia de excitación que sigue un SRM 8/6 para rotar en sentido horario. En (a), el rotor se encuentra en una posición desalineada con respecto a la fase A. Si en este momento se energizan los polos del estator de la fase A, el rotor se moverá hacia la posición más cercana de mínima reluctancia, es decir, se alineará con la fase A como se muestra en (b). En el momento en el que se alinea el rotor con la fase A, se apaga la fase A y se enciende la fase D. Ahora la nueva posición más cercana de mínima reluctancia corresponde a la posición alineada con la fase D, y
Simulación y Control de Motores de Reluctancia
Conmutada
15
el rotor se moverá hasta alinearse con la fase D como se muestra en (C). Utilizando el mismo razonamiento para las demás fases, se puede hacer seguimiento del movimiento del rotor en el sentido de las manecillas del reloj para una secuencia de excitación A-D-C-B.
La velocidad del SRM puede ser cambiada variando la frecuencia de excitación de las fases del estator. La frecuencia fundamental de conmutación es
(
) ( 6-1 )
Donde es la velocidad angular del rotor en rad/s y el número de polos en el rotor. Cuando la corriente fluye por una de las bobinas del estator del SRM, el torque tiende a mover el rotor en la dirección en la que se incrementa la inductancia hasta la posición en la que se obtiene el máximo valor de inductancia [2]. Esta dirección es siempre hacia la posición alineada más cercana; en otras palabras, un torque positivo se produce si el rotor está entre una posición no alineada y la siguiente posición alineada en la dirección forward. En consecuencia, se necesita por lo menos dos fases para producir torque unidireccional.
Para obtener torque positivo se debe excitar la fase del estator cuando la inductancia esté creciendo; para obtener torque negativo (frenar), la corriente en el estator debe ser encendida cuando la inductancia esté decreciendo (Ver Fig. 6). Es decir, el control del SRM se basa en controlar la secuencia de excitación de las corrientes en el estator de acuerdo con la posición del rotor [1].
Figura 6. Perfil de Torque para corriente constante (Tomado de [9]).
6.2.3 Modelo de la Máquina
6.2.3.1 Circuito Equivalente
El circuito equivalente para un SRM (Ver Fig. 7) consiste básicamente en una resistencia y una inductancia en serie. En este modelo no se consideran los efectos de la saturación magnética, el flujo alrededor de las esquinas de los polos, el flujo de fuga y
16
Simulación y Control de Motores de Reluctancia
Conmutada
el acople mutuo de las inductancias entre las fases [9]. El voltaje en los bornes de cada embobinado es:
( )
( 6-2 )
Donde representa la caída de voltaje por el efecto resistivo del embobinado y ( ) ⁄ es la derivada del flujo ligado (o back-EMF), en función de la posición del
rotor , y la corriente que pasa por el embobinado, i [10].
Figura 7. Circuito equivalente para una fase de un SRM (Tomado de [9]).
6.2.3.2 Características del Flujo Ligado
La estructura doblemente saliente del SRM se puede evidenciar a partir de la característica de flujo ligado del motor. Comparado con otro tipo de motores, la relación entre torque eléctrico y corrientes del estator es más compleja. Incluso en la región lineal del flujo, el torque eléctrico no es una función lineal de las corrientes del estator. En la Fig. 8 se puede observar el flujo ligado en función de la corriente para diferentes posiciones del rotor.
Simulación y Control de Motores de Reluctancia
Conmutada
17
Si tanto los polos del rotor como del estator están simétricamente distribuidos, el flujo ligado posee las siguientes propiedades [2]:
- El flujo ligado es una función de la corriente del estator y la posición del rotor
.
- Para posiciones fijas del rotor, el flujo ligado es una función lineal de la
corriente del estator si no se considera el efecto de la saturación. Sin embargo, si la corriente es muy grande, aparece el efecto de saturación y la relación flujo corriente deja de ser lineal.
- Para una corriente fija en el estator , es una función periódica de la posición
del rotor con periodo
( 6-3 )
- Si se grafican las características magnéticas del motor (Ver Fig. 7), el flujo ligado
está delimitado entre la posición alineada y no alineada. Además, para la misma corriente , es simétrica con respecto a la posición alineada y no alineada.
- Para una corriente grande , el nivel de saturación difiere considerablemente
para distintas posiciones del rotor. Entre más cerca se encuentre de la posición alineada, el efecto de la saturación se hace más notable.
El flujo ligado se escribe como
( ) ( ) ( 6-4 )
6.2.3.3 Estimación del Torque
La expresión general del torque [2] está dada por
[ ]
( 6-5 )
Donde es la coenergía. En cualquier posición la conergía es el área debajo la
curva de magnetización (Ver Fig. 9):
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Simulación y Control de Motores de Reluctancia
Conmutada
Figura 9. Curva de Magnetización para una posición fija del rotor (Tomado de [2]).
Entonces la ecuación de torque se convierte en
∫ ( )
( 6-7 )
El torque se interpreta como la variación del trabajo mecánico dada una
variación de la posición del rotor , para una corriente fija en el estator. En
consecuencia, el trabajo realizado es igual al cambio en la co-energía (ver Fig. 10). Durante este desplazamiento se presenta un intercambio de energía con la fuente de poder, y ocurre una variación en la energía almacenada en el campo.
Simulación y Control de Motores de Reluctancia
Conmutada
19
6.2.3.4 Modelo dinámico
La ecuación del movimiento del motor viene dada por:
( 6-8 )
Donde J es el momento de inercia del rotor, es el coeficiente de fricción viscosa del rotor y es el torque de la carga; es la velocidad angular del rotor. El torque eléctrico producido por el motor es la sumatoria del torque producido por cada fase:
∑
( 6-9 )
6.2.4 Conversor
La selección de una topología para el conversor para una aplicación específica es un tema importante. Básicamente, el conversor de un SRM tiene algunos requerimientos como [9]:
- Cada fase del SRM debe ser capaz de conducir de forma independiente a las
otras fases, es decir, cada fase debe tener por lo menos in interruptor.
- El conversor debe ser capaz de desmagnetizar la fase antes de que entre a la
región de regeneración.
Con el fin de mejorar el desempeño (mayor eficiencia, tiempo de excitación más rápido, rápida desmagnetización, mayor potencia, tolerancia a falla, etc.), el conversor debe considerar unos requerimientos adicionales como por ejemplo:
- Debe permitir el control de la superposición de las fases.
- Debe ser capaz de utilizar la energía de desmagnetización de la fase saliente de
forma útil, ya sea intercambiándola con la fuente o utilizándola en la fase entrante.
- Debe generar un voltaje negativo lo suficientemente grande en la fase saliente
como para reducir el tiempo de desmagnetización.
- Debe permitir el libre giro durante el periodo de corte para reducir la frecuencia
de conmutación (menores pérdidas por conmutación e histéresis).
- Debe soportar altos voltajes de excitación para el establecimiento de altas
corrientes de fase.
- Debe tener un circuito resonante para aplicar un voltaje o corriente “0” y
20
Simulación y Control de Motores de Reluctancia
Conmutada
EL conversor de puente asimétrico (ver Fig. 11) es muy popular para los controladores de los SRM. Consiste de dos interruptores de potencia y dos diodos por fase. Este tipo de conversor permite el control independiente de cada fase y soporta la superposición de las mismas.
Figura 11. Conversor de puente asimétrico (Tomado de [9]).
6.2.5 Control
Una de las estrategias de control para SRM´s consiste en controlar la corriente para desarrollar un torque más eficiente. El control de corriente consiste en generar pulsos de voltaje mediante la conmutación de los interruptores de potencia de cada fase.
Para reducir el rizado del torque se utiliza un método conocido como control de torque instantáneo directo (Direct Instantaneous Torque Control). El conversor utilizado en esta estrategia de control es el de puente asimétrico, el cual tiene tres estados (Ver Fig. 12).
Figura 12. Estados de las ramas de un conversor de puente asimétrico (Tomado de [9]).
La inductancia de la fase se divide en 3 regiones, como se muestra en la Fig. 13. Los límites de las 3 regiones son las posiciones , , y . y corresponden a los ángulos de encendido de la fase entrante y la siguiente fase entrante, respectivamente. La posición corresponde es aquella en la que se
Simulación y Control de Motores de Reluctancia
Conmutada
21
comienzan a superponer los polos del rotor y el estator; y corresponde a la posición alineada de la fase saliente. Los esquemas de control se muestran en la Fig. 14. La combinación de estados salientes y entrantes se presentan como una matriz cuadrada. Cada fase tiene 3 estados, por lo que la matriz tendrá 9 combinaciones diferentes. La estimación del torque se obtiene a partir de las características del motor para una corriente de fase y posición del rotor dadas, y el controlador por histéresis digital utiliza los esquemas de control de las diferentes regiones para generar las señales de estado de las fases de acuerdo al error de torque entre la referencia y el torque estimado. En la Fig. 15 se muestra el diagrama de bloques para la estrategia de control directo de torque instantáneo.
Figura 13. Regiones de la inductancia en la estrategia DITC (Tomado de [9]).
22
Simulación y Control de Motores de Reluctancia
Conmutada
Figura 15. Diagrama de bloques para la estrategia DITC (Tomado de [9]).
6.3
Marco Conceptual
Castaño (2013) en [12] presenta el diseño y dimensionamiento de un motor de reluctancia conmutada para accionar un compresor de aire acondicionado operando a 42V en aplicaciones automotrices. A través de un diagrama de flujos, presenta el proceso de diseño, el cual es asistido por un programa CAD para establecer los parámetros y dimensiones de la máquina teniendo en cuenta las restricciones de potencia, velocidad, voltaje y tamaño principalmente. También utiliza paquete de diseño que le permite visualizar un diseño preliminar del motor.
Los pasos iniciales de diseño propuestos por Castaño se basan en las especificaciones y parámetros de forma. Con esta información procede a diseñar el laminado del motor y su devanado. Seguidamente, realiza el análisis dinámico de la máquina, con los cuales determina el torque y flujo producidos por la máquina para diferentes posiciones angulares.
Otros trabajos como el de Abbasian (2013) en [10] y Gao (200) en [2], tienen un componente de caracterización del SRM a partir del cual obtienen las curvas de magnetización para su posterior simulación y diseño del control. La mayoría de trabajos relacionados con técnicas de control utilizan el modelo de Simulink de Hoang Le-Huy (2005).
Dufour (2011) en [11] trabaja con simulaciones en tiempo real utilizando bloques de Simulink del programa RT-LAB de Opal-RT Technologies para validar una estrategia de control basada en un controlador de velocidad, una función de distribución de torque y un controlador de corriente. National también cuenta con facilidades para la simulación en tiempo real del control de un SRM utilizando LabVIEW [14]. LabVIEW permite verificar de forma rápida y efectiva modelos de
Simulación y Control de Motores de Reluctancia
Conmutada
23
simulación a partir de mediciones usando el módulo de FPGA y el sistema embebido CompactRIO.
7
Simulación y Control de un SRM 6/4
Con la información recolectada sobre los principios de funcionamiento y el modelo de la máquina (Sección 6, Estado del Arte), se procedió a buscar un modelo de simulación para el SRM. El resultado de la búsqueda fue un modelo básico en Simulink (Matlab), el cual se utilizó como punto de partida para la simulación y posterior validación de los resultados. La Fig. 16 muestra el diagrama de bloques del sistema implementado.
Figura 16. Diagrama de Bloques del Sistema de Control de Corriente en Simulink.
El primer paso para la implementación de la co-simulación en LabVIEW-Multisim fue analizar el ejemplo que aparece en Simulink. Este modelo utiliza una estrategia de control de corriente por histéresis, que tiene como objetivo mantener corrientes constantes durante los intervalos de conducción de cada fase. Estos intervalos de conducción dependen de la posición del rotor con respecto a los polos en el estator de cada fase, generando una secuencia que permite el movimiento del motor. Los datos necesarios para simular un SRM son los perfiles de corriente y torque en función de la posición del rotor y el flujo ligado, los cuales se obtienen comúnmente de mediciones. Dado que no se poseía la máquina, fue necesario buscar datos de un SRM genérico, los cuales estaban disponibles en el ejemplo de Simulink. En los Apéndices 13.3.1 y 13.3.2 se muestran la curva característica de corriente de estator en función del flujo ligado y la posición del rotor, y la curva característica de torque eléctrico en función de la corriente de estator y la posición del rotor.
24
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Conmutada
7.1
Sistema de Control de Corriente para un SRM 6/4:
Co-Simulación LabVIEW – Multisim
A continuación se explicará cada uno de los bloques del sistema de la Fig. 16 y se explicará cómo fue implementado en LabVIEW y Multisim.
7.1.1 SRM Model
Figura 17. Bloque que representa el modelo del SRM en LabVIEW.
Representado en LabVIEW como un subsistema, el modelo del SRM tiene como entradas los parámetros del motor y el voltaje medido en las conexiones del conversor. Sus salidas corresponden a las características de operación del diseño. Internamente, este bloque implementa la ecuación ( 7-1 ) del circuito equivalente para calcular el flujo ligado (Ver Fig. 18). Para conocer la corriente y el torque se necesitan los perfiles de la máquina, los cuales se representan como tablas en Simulink. Utilizando los valores de corriente se puede estimar el torque, el cual permitirá para resolver la ecuación diferencial del modelo dinámico de la máquina (Ver Fig. 19).
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Conmutada
25
El modelo dinámico está basado en las ecuaciones ( 7-2 ) y ( 7-3 ). El torque usado para solucionar la ecuación diferencial es la suma de los torque individuales producidos por las fases. En este modelo se utilizan memorias para inicializar la velocidad y la posición del rotor en cero.
Figura 19. Modelo Dinámico del SRM implementado en LabVIEW (Mechanical_Block)
7.1.2 Converter
Figura 20. Bloque que representa al conversor del SRM en LabVIEW.
El bloque SRM_Converter de LabVIEW comunica los dos programas para realizar la co-simulación. Las señales de entrada para el conversor son los pulsos de los interruptores de potencia y las corrientes obtenidas del modelo del motor. Las salidas corresponden a las mediciones de voltaje en los bornes de las bobinas de cada una de
26
Simulación y Control de Motores de Reluctancia
Conmutada
las fases. Las corrientes del modelo se utilizan para simular el comportamiento del circuito conversor según los estados de los interruptores.
Figura 21. Conversor de puente asimétrico implementado en Multisim.
En la Fig. 21 se muestra una de las ramas del conversor implementado en Multisim. La fuente de corriente controlada tiene como objetivo simular la corriente que pasaría por la bobina de la fase dependiendo del estado de los IGBT’s, de tal forma que los voltajes medidos en los bornes correspondan a los voltajes que se presentarían en el circuito real.
7.1.3 Control
Figura 22. Bloque de control de Histéresis de Corriente
Para el control del SRM se utilizó un bloque de histéresis, el cual representa una estrategia básica para mantener la corriente de un sistema dentro de un rango de valores cercanos a una referencia. Para determinar el estado de los interruptores se necesita la diferencia entre la corriente de referencia y la corriente actual del sistema. Mediante la determinación de la variación de esta diferencia, se establece si se desea que la corriente aumente o disminuya, enviando las señales adecuadas al conversor.
Simulación y Control de Motores de Reluctancia
Conmutada
27
Para este bloque es muy importante utilizar un paso de simulación adecuado con el objetivo de mantener la corriente deseada lo más cercana a la referencia y de esta forma el conversor pueda reaccionar para corregir el error.
7.1.4 Phases Sequence
Figura 23. Bloque de secuencia de las fases.
El bloque para determinar la secuencia de las fases utiliza los ángulos de encendido y apagado para determinar los intervalos de conducción de cada fase. Al multiplicar los estados de conducción de cada fase por un valor de referencia, se obtiene la corriente de referencia de cada fase, que consiste en un valor de corriente constante durante los intervalos de conducción.
7.2
Resultados
A continuación se presentan las gráficas de las simulaciones tanto del ejemplo de Simulink como de la co-simulación LabVIEW-Multisim:
7.2.1 Gráficas de Corriente
Figura 24. Gráficas de Corriente para 0.35 s de simulación (izquierda: Matlab, derecha: LabVIEW)
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Simulación y Control de Motores de Reluctancia
Conmutada
7.2.2 Gráficas de Flujo
Figura 26. Gráficas de Flujo Ligado para 0.35 s de simulación (izquierda: Matlab, derecha: LabVIEW)
Figura 27. Gráficas de Flujo Ligado para 3.5 s de simulación (izquierda: Matlab, derecha: LabVIEW)
7.2.3 Gráficas de Voltaje
Figura 28. Gráficas de Voltaje para 0.35 s de simulación (izquierda: Matlab, derecha: LabVIEW). A medida que el SRM aumenta su velocidad, aumenta la frecuencia de conmutación.
Figura 29. Gráficas de Voltaje para 3.5 s de simulación (izquierda: Matlab, derecha: LabVIEW). El propósito de esta gráfica es mostrar la alta frecuencia de conmutación.
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Conmutada
29
7.2.4 Gráficas de Torque
Figura 30. Gráficas de Torque para 0.35 s de simulación (izquierda: Matlab, derecha: LabVIEW)
Figura 31. Gráficas de Torque para 3.5 s de simulación (izquierda: Matlab, derecha: LabVIEW)
7.2.5 Gráficas de Velocidad
Figura 32. Gráficas de Velocidad para 0.35 s de simulación (izquierda: Matlab, derecha: LabVIEW)
30
Simulación y Control de Motores de Reluctancia
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7.2.6 Interpretación de los resultados.
El funcionamiento de un SRM se basa en la conmutación secuencial de las fases. En un SRM 6/4 de 3 fases (denominadas en el presente trabajo como fases A, B y C), la secuencia en que son activados o desactivados los interruptores de cada rama del conversor está determinada por la posición del rotor con respecto a los polos de cada fase.
Figura 34. SRM 6/4 Modelo
Suponemos un SRM 6/4 como el de la Fig. 34. Por el principio de mínima reluctancia sabemos que al momento de energizar la fase A (Fig. 34a) los polos R1 y R1’ del rotor tenderán a alinearse con los polos A y A’ del estator (movimiento en el sentido de las manecillas del reloj). Durante este desplazamiento, la inductancia de la fase aumenta, generando un torque positivo. En el momento en el que el rotor llega a la posición alineada con respecto a la fase A (posición de máxima inductancia), se energiza la fase B para alinear los polos R2 y R2’ del rotor con los polos B y B’ del estator (Fig. 34b). Sin embargo, debido a la naturaleza inductiva de cada una de las fases - y con el objetivo de mantener un torque constante -, la conducción de las fases se superpone para que durante el incremento o caída de la corriente no se afecte el torque total.
Por otro lado, la curva de velocidad nos revela otro detalle. Inicialmente, la fuerza electromotriz del motor es baja y la corriente del circuito puede ser regulada en su valor de referencia, desarrollando un torque relativamente constante. Las variaciones del torque en este modo de operación son provocadas por las conmutaciones generadas por el control de histéresis. Sin embargo, a partir de cierto valor de velocidad, la fuerza electromotriz es alta y la corriente ya no puede ser regulada, por lo que la operación del conversor cambia. En este nuevo modo de operación, la conmutación de los interruptores se realiza a muy alta frecuencia, y en forma de pulsos individuales por fase debido a la velocidad que ha adquirido el rotor.
Simulación y Control de Motores de Reluctancia
Conmutada
31
7.2.7 Cotización
En el Apéndice 13.4 se presenta la cotización obtenida a partir de la consulta realizada durante el desarrollo del trabajo. La empresa con la que se pudo hacer contacto, Easy Life Center Co. Ltda. ofertó un precio de USD $300 por el motor sin incluir el envío y las tarifas de importación. Sin embargo, esta información no se considera suficiente porque no se obtuvo más referencias de precios.
8
Validación del Trabajo
8.1
Validación de los resultados del trabajo
Al observa las gráficas de los resultados obtenidos (Sección 7.2) se puede comprobar que el modelo del SRM simulado en LabVIEW-Multisim presenta el mismo comportamiento que el de Simulink para los mismos parámetros. En términos generales, el control básico de corriente permite una respuesta rápida del motor en términos de velocidad y sin experimentar picos de corriente. Sin embargo, los resultados no son exactamente iguales, por lo que a continuación se analizan algunos factores que pudieron influir en la disparidad de los resultados.
8.1.1 Paso de Simulación
Un aspecto fundamental para evaluar los resultados fue el paso de la simulación. El paso de simulación utilizado por el ejemplo de Simulink es de 1 microsegundo (1E-6) y los resultados eran calculados en cuestión de segundos para ventanas de 5 segundos. Este no era el caso de LabVIEW dado que para simulación de ventanas de 5 segundos tardaba más de 5 horas con el mismo paso de simulación.
Por lo tanto se decidió incrementar el paso de simulación de LabVIEW a 10 microsegundos, obteniendo resultados más rápidos y prácticos para la calibración del circuito en Multisim.
8.1.2 Circuito en Multisim
Debido a que no se especifican las referencias de los dispositivos utilizados en Simulink, se utilizaron diodos ideales e IGBT’s de alta frecuencia de conmutación para las ramas de cada fase. Sin embargo tuvo que considerarse una fuente de corriente controlada por voltaje debido al tipo de datos que envía LabVIEW a Multisim. La configuración de esta fuente controlada requirió del uso de resistencias en paralelo con el fin de obtener voltajes en los bornes del motor que fueran coherentes con las corrientes obtenidas de las tablas del SRM. Este ajuste sigue el modelo de implementación en Matlab propuesto por [13].
32
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Conmutada
8.1.3 Control por Histéresis
El tipo de control utilizado depende del paso de la simulación. Por lo tanto, para pasos de simulación más pequeños, se obtienen resultados más precisos debido a una respuesta más rápida del controlador. La ventana del error permitido también influye porque puede exigir al circuito una reacción más inmediata ante las variaciones observadas en el error medido, ocasionando que el circuito reaccione de forma no deseada. Al igual que el modelo de Simulink, se tomó un valor de corriente de referencia igual a 200 A y con un error de 10 A.
8.2
Evaluación del plan de trabajo
El plan de trabajo fue modificándose a medida que avanzaba el proyecto porque muchas de las actividades planeadas eran demasiado optimistas. En primera instancia, el texto que se pensaba utilizar como guía resultó ser de un nivel bastante complejo, por lo que se requirió más tiempo del estimado para comprender los conceptos básicos. Cuando ya se tenía claridad en los conceptos, se procedió a implementar un modelo computacional, el cual se encontró en Simulink. Este modelo tuvo que ser analizado a partir de sus bloques y ecuaciones para encontrar la coherencia con los modelos de la máquina y posteriormente ser trabajado en LabVIEW. En esta última etapa se consumió tiempo tratando de replicar los resultados mediante el ajuste de los parámetros del circuito. Sin embargo, el seguimiento realizado por el asesor fue periódico y permitía solucionar inconvenientes de concepción de la máquina.
9
Discusión
El trabajo realizado permitió la implementación de un modelo SRM, el cual fue comprobado mediante una estrategia básica de control de corriente por histéresis utilizando la técnica de co-simulación. Los resultados obtenidos fueron satisfactorios porque permitieron comprobar la validez del modelo y la estrategia de control a pesar de que los resultados obtenidos no coincidían exactamente con los datos de referencia. Los resultados permitieron apreciar el comportamiento de este tipo de motores y generaron un mayor interés en desarrollar estrategias de control más complejas en un futuro.
Los principales problemas encontrados estaban directamente relacionados con el circuito del conversor implementado en Multisim, para el cual se tuvo que buscar información sobre el conversor implementado en LabVIEW. Esta información reveló un factor clave para la simulación que consistía en utilizar una fuente de corriente controlada debido a que el modelo obtenía estas corrientes de una tabla predefinida. Este cambio fue introducido al circuito para obtener los voltajes adecuados con los cuales se calcularía el flujo ligado.
Simulación y Control de Motores de Reluctancia
Conmutada
33
El trabajo a realizar puede enfocarse en la simulación en tiempo real del SRM. Este objetivo debe partir de dos problemas:
- Optimizar el diseño del circuito conversor en Multisim para obtener resultados
más fieles a las simulaciones de Simulink.
- Implementar estrategias de control más complejas que permitan solucionar uno
de los principales problemas del SRM: rizado del torque.
Para trabajos futuros se recomienda caracterizar un SRM real para validar todo el proceso de simulación.
Con respecto a los objetivos iniciales, se puede decir que se obtuvo un nivel satisfactorio en la gran mayoría dadas las limitaciones de tiempo y conocimiento básico relacionado con el tema. El objetivo más crítico que se basaba en realizar la simulación y el control de un SRM mediante la técnica de co-simulación produjo los resultados deseados para analizar el comportamiento de la máquina. Sin embargo, la cotización no se pudo realizar de la forma en que se esperaba porque las empresas con las que se intentó hacer contacto no suministraron la información suficiente y en consecuencia no se pudo realizar la comparación de diferentes referencias.
10
Conclusiones
Los resultados obtenidos permitieron validar un correcto modelamiento del SRM en LabVIEW y Multisim, a pesar de que los valores no coincidían exactamente con aquellos simulados en Simulink. Estos reultados permitieron verificar el funcionamiento del control y analizar a grandes rasgos las principales características del motor.
En el estado del arte se resume información valiosa sobre el desarrollo de los motores de reluctancia conmutada, así como también, tendencias actuales sobre las investigaciones alrededor de los SRM’s a nivel nacional y global.
En cuanto a la cotización obtenida (Apéndice 13.4), no se pudo determinar si el precio es lo suficientemente bueno en comparación a otras máquinas de la misma referencia o si realmente representan un ahorro económico en relación a los motores convencionales utilizados en la industria.
34
Simulación y Control de Motores de Reluctancia
Conmutada
11
Agradecimientos
Me gustaría expresar mis más sinceros agradecimientos al Dr. Gustavo Ramos, mi asesor. Gracia a su guía y constante seguimiento se pudo avanzar en el desarrollo de este trabajo. Al ingeniero Miguel Hernández por su apoyo y valiosa ayuda para solucionar los problemas relacionados con el software y el diseño conceptual de los bloques.
A mis compañeros, con los que compartí horas de trabajo y quienes en muchas ocasiones me ayudaron a discutir y analizar resultados. Y finalmente a mi familia, quienes me apoyaron en todo momento y animaron para obtener los mejores resultados a mi alcance.
12
Referencias
[1] R. Krishnan, Switched Reluctance Motor Drives: Modeling, Simulation, Analysis, Design and Applications. United States: CRC press, 2001.
[2] Y. Gao, Speed Control of Switched Reluctance Motors, Hong Kong University of Science and Technology, 2000.
[3] Lawrenson, Peter, "Switched-reluctance motor drives,"Electronics and Power, vol.29, no.2, pp.144,147, February 1983 doi: 10.1049/ep.1983.0071
[4] A. F. Anderson, “Development history,” en Electronic Control of Switched Reluctance
Machines, T.J.E. Miller, Ed. [En línea]. Disponible:
http://books.google.com.co/books?hl=es&lr=&id=jH6JPmzbsiIC&oi=fnd&pg=P P2&dq=switched+reluctance+motor+history+19th+century&ots=XlXpnwiv0M& sig=AA-V8RI20CFrxwqpfqUiV3oS69A&redir_esc=y#v=onepage&q&f=false [5] C. Pollock. Switched Reluctance Drives – A Tutorial. Introduction. History of the
Switched Reluctance Motor. Centre for Advanced Electronically Controlled
Drives, University of Leicester. [En Línea]. Disponible:
http://www.le.ac.uk/engineering/research/groups/power/caecd/1p1_pedrg.h tm
[6] Ray, W.F.; Lawrenson, Peter J.; Davis, R.M.; Stephenson, J. Michael; Fulton, Norman N.; Blake, Roy J., "High-Performance Switched Reluctance Brushless Drives," Industry Applications, IEEE Transactions on, vol.IA-22, no.4, pp.722,730, July 1986 doi: 10.1109/TIA.1986.4504784
[7] Lawrenson, P.J.; Stephenson, J.M.; Blenkinsop, P.T.; Corda, J.; Futon, N.N., "Variable-speed switched reluctance motors," Electric Power Applications, IEE
Simulación y Control de Motores de Reluctancia
Conmutada
35
Proceedings B , vol.127, no.4, pp.253,265, July 1980
doi: 10.1049/ip-b:19800034
[8] Nidec SR Drives Ltd. Giving users a new perspective when considering their motive power needs [En Línea] Disponible: http://www.srdrives.com/
[9] Jin-Woo Ahn (2011). Switched Reluctance Motor, Torque Control, Prof. Moulay Tahar Lamchich (Ed.), ISBN: 978-953-307-428-3, InTech, DOI: 10.5772/10520. Available from: http://www.intechopen.com/books/torque-control/switched-reluctance-motor
[10] S. Abbasian, Simulation and Testing of a Switched Reluctance Motor By
Matlab/Simulink and dSPACE. Department of Energy and Environment, Faculty
of Electric Power Engineering, Chalmers University of Technology. Sweden, 2013. [En Línea]: http://studentarbeten.chalmers.se/publication/185186- simulation-and-testing-of-a-switched-reluctance-motor-by-matlabsimulink-and-dspace
[11] Ta, M.C.; Dufour, C., "Real-time simulation and control of reluctance motor drives for high speed operation with reduced torque ripple,"IECON 2011 - 37th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society, vol., no., pp.4176,4181, 7-10 Nov. 201. doi: 10.1109/IECON.2011.6119771
[12] S. Castaño, J. Maixe, "Design and sizing of a switched reluctance motor for an automotive application". Colombia. Dyna ISSN: 0012-7353 ed: Universidad Nacional de Colombia v.80fasc.181 p.81 90 ,2013
-[13] Hoang Le-Huy; Brunelle, P., "A versatile nonlinear switched reluctance motor model in Simulink using realistic and analytical magnetization characteristics,"Industrial Electronics Society, 2005. IECON 2005. 31st Annual
Conference of IEEE, vol., no., pp.6 pp.,, 6-10 Nov. 2005
doi: 10.1109/IECON.2005.1569136
[14] National Instruments. Real-Time Control of a Switched Reluctance Motor Using NI
LabVIEW FPGA and CompactRIO. [En Línea]
http://sine.ni.com/cs/app/doc/p/id/cs-672
[15] República de Colombia. Ley 697 de 2001, Uso Racional y Eficiente de la Energía.
Diario Oficial No. 44573. 5, Octubre, 2001. Pág. 1.
[16] República de Colombia. Resolución Número 0186 de 2012, Metas Ambientales.
36
Simulación y Control de Motores de Reluctancia
Conmutada
13
Apéndices
13.1
Propuesta inicial del proyecto
13.1.1Caracterización del problema
La presente propuesta de tesis sobre “Simulación y Control de motores de reluctancia conmutada” se plantea como una oportunidad para profundizar los conceptos y aplicaciones de los dispositivos de electrónica de potencia mediante la simulación de un sistema de control en tiempo real de un tipo de motores de alta eficiencia. El desarrollo actual de los motores de reluctancia conmutada ha generado un gran interés en la investigación relacionada con el diseño e implementación de este tipo de máquinas debido a que sus características de construcción, costos y desempeño pueden llegar a ser más efectivas que las de los motores de inducción tradicionales.
13.1.2Marco Teórico
En la actualidad, antes de usar el controlador de un motor en una máquina real, es una práctica común en ingeniería probar el controlador con un modelo simulado del motor en tiempo real (Dufour, 2011). Los motores de reluctancia conmutada son interesantes por sus bajos costos de manufactura, diseño sencillo y robusto del rotor y una eficiencia comparable o incluso mayor eficiencia que las máquinas de inducción tradicionales. Fueron desarrollados en los 80’s con el objetivo de ofrecer ventajas en términos de eficiencia, potencia por unidad de peso y volumen, robustez y flexibilidad operacional.
13.1.2.1Antecedentes externos
El desarrollo de los dispositivos de potencia, los programas de computación y técnicas de simulación y control han facilitado la implementación de controladores para máquinas de alta potencia de manera óptima. Las pruebas de un controlador mediante modelos simulados en tiempo real a partir de un conjunto de entradas y salidas (simulación conocida como hardware-in-the-loop, HIL) han ganado una gran importancia. Christian Dufour en su documento “Real-Time Simulation and Control of Reluctance Motor Drives for High Speed Operation with Reduced Torque Ripple”presenta un modelo de simulación en Simulink (Matlab) con el objetivo de analizar el comportamiento de este tipo de motores en aplicaciones de alta velocidad.
13.1.2.2Antecedentes locales
En el ámbito nacional se han publicado muy pocos documentos sobre motores de reluctancia conmutada. Uno de estos autores es la Ingeniera Electricista Sandra M. Castaño quien en una publicación de la Universidad Tecnológica de Perera en el 2007
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Conmutada
37
presenta un conjunto de criterios para el diseño de un motor de reluctancia autoconmutado para una aplicación automotriz.
13.1.3Caracterización del proyecto
El proyecto de tesis “Simulación y Control de Motores de Reluctancia Conmutada” cuenta con tres aspectos esenciales. El primero de ellos es conceptual, y tiene como objetivo presentar las bases teóricas relacionadas con el tema. El segundo aspecto es de simulación, mediante el cual se busca validar los modelos teóricos a través de la implementación en herramientas computacionales. Y el tercer aspecto tiene como objetivo un acercamiento a las aplicaciones industriales (selección y cotización).
13.1.4Objetivos generales
- Simulación y validación de un sistema de control para motores de reluctancia
conmutada mediante la técnica de co-simulación computacional utilizando los programas LabView y Multisim.
- Proponer una metodología de selección de motores de reluctancia conmutada a
partir de los parámetros de la máquina y su aplicación específica.
13.1.5Objetivos específicos
- Conocer y comprender los conceptos básicos (principios de operación,
desempeño en estado estable, diseño y configuraciones) relacionados con los motores de reluctancia conmutada, dispositivos y topologías de control, modelos de simulación y aplicaciones.
- Realizar la implementación computacional de un sistema de control para
motores de reluctancia conmutada a partir de los modelos teóricos convencionales, utilizando la técnica de co-simulación con los programas LabView y Multisim.
- Validar los resultados obtenidos de la simulación usando como fuente de
referencia la bibliografía relacionada (datos teóricos y experimentales).
- Establecer una metodología de selección de motores de reluctancia conmutada
a partir de los parámetros de la máquina y la aplicación requerida.
- Cotización de un motor de reluctancia conmutada comercial.
13.1.6Alcance
El proyecto de grado “Simulación y Control de Motores de Reluctancia Conmutada” pretende cumplir con los siguientes aspectos:
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Simulación y Control de Motores de Reluctancia
Conmutada
- Estado del arte de los motores de reluctancia conmutada: base teórica,
principios de operación, desempeño en estado estable, diseño, configuraciones, topologías de control, modelos de simulación, principales aplicaciones y comparaciones con los motores de inducción convencionales (ventajas y desventajas).
- Archivos de simulación del sistema de control (LabView) y el modelo circuital
(Multisim).
- Resultados, análisis y validación de las simulaciones.
- Metodología de selección de motores de reluctancia conmutada. - Cotización de motores de reluctancia conmutada.
13.1.7Contexto del proyecto y tratamientos
13.1.7.1Suposiciones
- En la industria colombiana no se ha encuentra aún este tipo de máquinas y
adquirirlas del exterior puede ser una barrera para su implementación.
- Por su diseño y costos de producción, la construcción de este tipo de motores
sería factible en el ámbito nacional.
13.1.7.2Restricciones
- Literatura sobre los conceptos teóricos básicos limitada. Muy pocos autores
sobre el tema.
- La mayoría de documentos relacionados con el tema presentan una aplicación
específica de los motores de reluctancia conmutada a partir de modelos y simulaciones. Poca documentación sobre desempeño experimental de la máquina.
- No se posee un motor de reluctancia conmutada para realizar pruebas.
13.1.7.3Factores de Riesgo
- Parametrización de los motores de reluctancia conmutada al momento de
realizar las simulaciones.
- Disponibilidad de diseños y modelos circuitales y de control de motores de
reluctancia conmutada (diseños públicos).
13.1.8Recursos
- Acceso a bases de datos especializadas (mediante convenios de la Universidad),
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Conmutada
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- Herramienta de simulación LabView en los laboratorios de la Universidad. - Herramienta de simulación Multisim en los laboratorios de la Universidad.
13.1.9Cronograma
13.1.9.1Identificación y descripción de hitos
- Base Teórica: se pretende hacer una revisión del estado del arte de los motores
de reluctancia conmutada y comenzar la documentación del marco teórico de la tesis.
- Cotizaciones: después de haber comprendido los principios de operación y
aplicaciones de los motores de reluctancia conmutada, inicia la cotización de una máquina para fines académicos y adquirir experiencia en la selección de motores de reluctancia conmutada.
- Implementación: con un diseño conceptual seleccionado en la base teórica, se
implementará el modelo en LabView y Multisim para realizar el control de la máquina.
- Validación de resultados: se utilizarán datos teóricos y prácticos (de
bibliografías y fabricantes) para comparar los resultados obtenidos mediante la simulación.
- Metodología de selección: se diseña una metodología para la selección
de motores de reluctancia conmutada.
- Documento final: síntesis de la información recolectada y preparación del
documento final del proyecto de grado.
Adicionalmente se realizarán cuatro (4) retroalimentaciones con el asesor de tesis para evaluar los resultados más importantes de cada una de las etapas, y preparar en cada una de ellas los entregables definidos en el alcance del proyecto.
