anÁlisis del control de un motor de inducciÓn por
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ANÁLISIS DEL CONTROL DE UN MOTOR DE INDUCCIÓN POR
ORIENTACIÓN DE CAMPO MEDIANTE MODELOS MATEMÁTICOS Y
COMPUTACIONALES
PEDRO JOSÉ GARCÍA MANRIQUE
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
BOGOTÁ D. C.
2011
ANÁLISIS DEL CONTROL DE UN MOTOR DE INDUCCIÓN POR
ORIENTACIÓN DE CAMPO MEDIANTE MODELOS MATEMÁTICOS Y
COMPUTACIONALES
PEDRO JOSÉ GARCÍA MANRIQUE
Proyecto de grado para optar por el título de
Ingeniero Eléctrico
Profesor Asesor:
Gustavo A. Ramos L.
Ph. D.
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
BOGOTÁ D. C.
2011
iii
A mis padres y hermano,
por su apoyo incondicional.
iv
AGRADECIMIENTOS
El autor expresa sus sinceros agradecimientos a:
Ingeniero Gustavo Ramos, Ph. D., por su asesoría durante el desarrollo de este proyecto.
Ingeniero Luis Felipe Cadena, por su disposición y ayuda frente a los problemas técnicos
que se involucraron en este proyecto.
A mi familia y amigos que en una u otra forma contribuyeron en la realización de este
proyecto.
v
TABLA DE CONTENIDO
INTRODUCCIÓN ................................................................................................................ 10
OBJETIVOS ......................................................................................................................... 11
1. CARACTERIZACIÓN Y JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO ............................... 12
2. MARCO TEÓRICO ..................................................................................................... 13
2.1 Motor de inducción ................................................................................................ 13
2.2 Variador de Velocidad por frecuencia (Allen-Bradley)......................................... 14
2.3 Controlador por Orientación de Campo ................................................................. 16
3. DESCRIPCIÓN MATEMÁTICA DEL CONTROLADOR Y SUS COMPONENTES
19
4. IMPLEMENTACIÓN COMPUTACIONAL DEL CONTROLADOR ...................... 26
4.1 Implementación del controlador en el software MATLAB/SIMULINK .............. 26
4.1.1 Implementación usando los bloques descritos para un FOC .......................... 26
4.1.2 Implementación usando el bloque existente en las librerías de SIMULINK
para un FOC ................................................................................................................. 27
4.2 Resultados obtenidos mediante el software MATLAB/SIMULINK .................... 30
5. IMPLEMENTACIÓN DEL CONTROLADOR USANDO VARIADOR DE
VELOCIDAD ALLEN-BRADLEY..................................................................................... 33
5.1 Limitaciones y problemas técnicos al implementar el control en el CCM ............ 33
5.2 Implementación utilizando LabVIEW ................................................................... 34
TRABAJO A FUTURO ....................................................................................................... 37
CONCLUSIONES ................................................................................................................ 38
BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................. 39
ANEXOS .............................................................................................................................. 40
Guía práctica de laboratorio ............................................................................................. 40
vi
Guía computacional .......................................................................................................... 51
vii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Esquema básico de un motor de inducción. Tomado de [2]. ................................ 14
Figura 2. Arquitectura de la red DeviceNet. Tomado de [5]. ............................................... 15
Figura 3. Arquitectura de la red EtherNet. Tomado de [5]................................................... 16
Figura 4. Esquema del Control por Orientación de Campo. ................................................ 18
Figura 5. Representación de los vectores espaciales complejos de la corriente del estator en
el espacio (a, b, c). Modificado de [1]. ................................................................................. 19
Figura 6. Representación del vector en el espacio vectorial (α, β). Modificado de [1]. ....... 20
Figura 7. Representación del vector en el espacio vectorial (d, q). Modificado de [1]. ....... 21
Figura 8. Relación entre los sistemas de referencia (a, b, c), (α, β), (d, q). Tomado de [6]. 22
Figura 9. Esquema básico de un inversor con señales de control a, b, c, a’, b’ y c’. Tomado
de [7]. .................................................................................................................................... 24
Figura 10. Vectores y sectores de la técnica de SVPWM. Tomado de [1]. ......................... 24
Figura 11. Primer modelo computacional del Control por Orientación de Campo. ............. 26
Figura 12. Modelo con control de velocidad angular. Modificado de [7]. ........................... 27
Figura 13. Configuración interna del bloque de FOC. ......................................................... 28
Figura 14. Componentes del bloque "F.O.C". ...................................................................... 29
Figura 15. Modelo computacional final del Control por Orientación de Campo. ................ 30
Figura 16. Simulación del modelo con velocidad variable y torque constante. ................... 31
Figura 17. Simulación del modelo con velocidad constante (500rpm) y torque variable. ... 32
Figura 18. Simulación del modelo con velocidad constante (100rpm) y torque variable. ... 32
Figura 19. Trasformada de Clarke implementada en LabVIEW. ......................................... 34
Figura 20. Trasformada de Park implementada en LabVIEW. ............................................ 35
Figura 21. Trasformada inversa de Park implementada en LabVIEW................................. 35
Figura 22. Control por Orientación de Campo implementado en LabVIEW. ...................... 36
viii
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Patrones de conmutación para un SVPWM. .......................................................... 24
ix
RESUMEN
Palabras Clave:
• Control por Orientación de Campo (FOC).
• Motor de inducción.
• MATLAB/SIMULINK.
• Variador de Velocidad por Frecuencia (VFD).
• Allen-Bradley.
• Centro de Control de Motores (CCM).
Resumen: Este trabajo expone el estudio matemático y análisis del comportamiento de un
Control por Orientación de Campo mediante su implementación en herramientas
computacionales de simulación (SIMULINK) y se realiza un acercamiento a su
implementación real en utilizando el software LabVIEW orientado a FPGA.
10
INTRODUCCIÓN
Los motores de inducción son las maquinas rotativas más utilizadas en la industria por su
relativa sencillez, robustez, economía y su fácil mantenimiento, y mantienen una velocidad
casi constante. A pesar de sus grandes cualidades, estos motores presentan algunos
inconvenientes en cuanto al control de velocidad que dificultan la implementación de
esquemas de control eficientes, pues los modelos y características que se utilizan son
válidos únicamente es estado estable, por lo que el controlador puede permitir picos de
voltaje y corriente durante los transitorios, lo que puede provocar comportamientos no
deseados y afectar la eficiencia de conversión de potencia. Adicionalmente, se deben
realizar controladores muy dedicados para satisfacer una necesidad específica, con el fin de
mantener un nivel de controlabilidad adecuado y que no se vea afectado por fenómenos
eléctricos tan fácilmente.
Para solucionar estos problemas de control, se han venido desarrollando diversos esquemas
que puedan manipular la velocidad adecuadamente, de la manera más óptima posible. Uno
de los esquemas más éxitos y utilizados en la actualidad son los de control vectorial y más
específicamente el Control por Orientación de Campo. Este tipo de control solventa la
mayoría de los problemas asociados a los motores AC pues provee un control
independiente del tiempo capaz de manipular la velocidad y el torque de la máquina.
Adicionalmente ofrece una gran confiabilidad y eficiencia en cuanto a conversión de
energía, y una gran facilidad de implementación en motores de diferentes especificaciones
y condiciones de operación.
11
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Analizar matemáticamente la técnica de Control por Orientación de Campo (FOC) para
motores de inducción y observar su comportamiento al mediante modelos computacionales,
con el fin de hacer un acercamiento a su implementación real.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
• Estudiar el modelo matemático de un control por orientación de campo para un
motor de inducción.
• Analizar el comportamiento de un control por orientación de campo por medio de
un modelo computacional.
• Diseño de una práctica computacional, orientada a los cursos de pregrado en
Ingeniería Eléctrica, relacionado con los Controladores de Motores de Inducción por
Orientación de Campo.
• Diseño de una práctica de laboratorio relacionada con la operación de un Validador
de Velocidad por Frecuencia (VFD) Allen-Bradley, orientada a los cursos de
pregrado en Ingeniería Eléctrica.
12
1. CARACTERIZACIÓN Y JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO
En la mayoría de las aplicaciones industriales, tales como las bombas de extracción de
crudo en los pozos petroleros o líneas de producción de artículos en todos los sectores, los
motores más ampliamente utilizados son los de inducción. Por esta razón se hace necesaria
la implementación de diversas técnicas para controlar su velocidad y su flujo. Una de las
estrategias más eficientes y utilizadas es el Control por Orientación de Campo (FOC por
sus siglas en inglés) o Control Vectorial, debido a que este método permite controlar tanto
el flujo como el par motriz.
Teniendo en cuenta los módulos adquiridos por la Universidad de los Andes, de la marca
Allen-Bradley, los cuales son ampliamente utilizados en la industria, es importante realizar
un estudio matemático de las técnicas de Control por Orientación de campo, con el fin de
encontrar las maneras adecuadas de implementar el controlador en los módulos
mencionados.
Con la implementación de este tipo de controladores, se puede mejorar el entendimiento del
funcionamiento de los módulos Allen-Bradley y así implementar prácticas de laboratorio
adecuadas para cursos de pregrado, en los cuales se use de manera eficiente y dinámica este
recurso de la universidad.
13
2. MARCO TEÓRICO
2.1 Motor de inducción
El motor de inducción, también llamado maquina asíncrona, es el tipo de motor más
utilizado en la industria. Su invención se le atribuye al ingeniero Nikola Tesla finales del
siglo XIX y nace como solución al problema de utilizar la corriente alterna. Las razones
fundamentales que justifican la aplicación masiva de la máquina de inducción hoy en día,
residen en su sencillez constructiva y en la robustez que ofrece en situaciones de arranques
y paradas frecuentes, operación continua, sobrecargas, ambientes corrosivos o explosivos,
etc. Estos motores requieren un mantenimiento mínimo, pueden operar convenientemente
en ambientes peligrosos y tienen una tasa de falla muy reducida [2].
El motor de inducción está compuesto por dos partes principales, el estator y el rotor. El
estator es la estructura fija de la máquina, está fabricado en acero que aloja un núcleo
cilíndrico hueco construido con láminas; en esta estructura se ubican los devanados,
espaciados a 120°, los cuales provocan el campo magnético en el que se basa el
funcionamiento del motor. El rotor es la parte giratoria de la máquina, es una estructura
laminada que forma ranuras donde se ubica el embobinado, que puede ser de dos tipos:
Devanado con conductor aislado; o jaula de ardilla, en el cual se ubican varilla en las ranura
y se unen por medio de anillos en los extremos para formar el corto circuito.
El funcionamiento de un motor de inducción se basa en la alimentación trifásica a los
bobinados del estator, la corriente que circula produce un campo magnético rotatorio. De
esta manera, la dirección del campo se va alternando entre los bobinados lo que genera un
movimiento circular en el rotor. La velocidad de giro del campo magnético rotatorio está
definida por la frecuencia de las corrientes inyectadas en el estator de la máquina [2]. De
esta manera, la velocidad de rotación del campo magnético o velocidad sincrónica está dada
por la siguiente ecuación.
14
𝑛𝑠 =120 ∗ 𝑓
𝑝 (1)
dónde:
ns es la velocidad sincrónica [rpm]
f es la frecuencia [Hz]
p es la cantidad de polos o bobinados del estator
Un modelo básico que ilustra al motor de inducción se muestra en la Figura 1. Como se
puede observar, el sistema cuenta con tres ejes que representa el sistema trifásico, para es
rotor y para el estator, los cuales están denotados por (ar, br, cr) y (ae, be, ce)
respectivamente.
Figura 1. Esquema básico de un motor de inducción. Tomado de [2].
2.2 Variador de Velocidad por frecuencia (Allen-Bradley)
Un Variador de Velocidad por Frecuencia (VFD por sus siglas en ingles de Variable-
Frequency Drive) es un dispositivo capaz de controlar la velocidad de rotación de un motor
AC, como un motor de inducción, mediante el control de la frecuencia de alimentación del
motor. Unas de las ventajas de utilizar este tipo de variadores de velocidad incluyen ahorro
15
de energía, eficiencia, facilidad de instalación, amplias capacidades de control y facilidad
de mantenimiento [3].
Los VFD funcionan utilizando la velocidad sincrónica del motor que está dada por la
ecuación (1). Además se puede modificar la curva de arranque y frenado del motor, así
como otros parámetros fundamentales de la operación de la máquina. Por esta razón, es
necesario introducir la información técnica del motor dentro del VFD, pues con esta, el
dispositivo realiza las operaciones necesarias para controlar la velocidad rotativa del motor
adecuadamente.
El dispositivo a utilizar en este proyecto pertenece a la familia de Variadores de Velocidad
de Allen-Bradley “PowerFlex 70 AC Drives”, el cual está conectado a un PLC de la misma
marca por medio de una red DeviceNet. Esta red está unida también a diversos dispositivos
que pueden ayudar a iniciar o a detener el motor e incluye otros dispositivos del CCM que
no se involucran en este trabajo (ver Figura 2). Adicionalmente se provee una conexión
directa con el computador, tanto para el VFD como para el PLC, por medio de una red
Ethernet (ver Figura 3).
Figura 2. Arquitectura de la red DeviceNet. Tomado de [5].
16
Figura 3. Arquitectura de la red EtherNet. Tomado de [5].
2.3 Controlador por Orientación de Campo
El Control por Orientación de Campo (FOC por sus siglas en inglés de Field Orientated
Control), es uno de los esquemas más eficientes de control vectorial, que se basa en teres
ejes principales: Las corrientes de la máquina y los vectores espaciales de voltaje, la
trasformación de un sistema trifásico dependiente de la velocidad y el tiempo, a uno de dos
coordenadas invariante en el tiempo, y un generador efectivo de Modulación por Ancho de
Pulso (PWM). De esta manera se adquieren todas las ventajas de los controladores para
motores DC, pero aplicadas a maquinas AC, lo que elimina los inconvenientes asociados a
los motores de corriente directa [1].
Este tipo de control consiste en controlar las corrientes del estator, representadas en
vectores. Para este se realizan proyecciones en donde se transforman los vectores trifásicos
dependientes del tiempo y la velocidad a un sistema de dos coordenadas (eje d y eje q)
independientes del tiempo. De esta manera se requieren dos entradas de referencia para el
controlador, el torque y el flujo. Así, se puede controlar fácilmente el torque, dado que en el
sistema de referencia de dos coordenadas (d,q), el torque (m) es directamente proporcional
a la componente de la corriente del estator proyectada en el eje q (ieq), siempre y cuando se
17
mantenga constante el flujo del rotor (Ψr), como se puede observar en la siguiente
expresión matemática:
𝑚 ∝ 𝛹𝑟 ∗ 𝑖𝑒𝑞 (2)
Como el Control por Orientación de Campo está basado sencillamente en proyecciones, la
estructura de control puede manejar instantáneamente los fenómenos eléctricos, lo que hace
muy acertado al control en cualquier estado de operación (transitorios y estado estable) [1].
Para proyectar los vectores de corriente del estator del sistema trifásico al sistema d, q
independiente en el tiempo, se deben hacer tres tratamientos matemáticos sistemáticos. El
primero es expresar estos vectores como vectores espaciales complejos, luego realizar una
trasformación al sistema α, β, mediante la trasformada de Clarke, y por ultimo trasformar
este sistema al sistema d, q, mediante la trasformada de Park. El tratamiento matemático
detallado para este proceso se desarrollara con mayor detenimiento en las siguientes
secciones de este documento.
El esquema básico de un Control por Orientación de Campo se muestra en la Figura 4,
donde se tienen las componentes de flujo (idref) y torque (iqref) a controlar, y su tratamiento
antes de llegar al inversor que controla el comportamiento del motor.
18
Figura 4. Esquema del Control por Orientación de Campo.
Como se puede observar en la Figura 4, las señales a medir del motor son dos corrientes de
fase (la tercera corriente se obtiene de ia+ia+ic=0, dado que el motor se conecta en estrella),
las cuales son proyectadas a señales en el espacio α, β mediante la transformada de Clarke;
luego estas señales son proyectadas al sistema de referencia d, q por medio de la
transformada de Park. Estas señales (ieq y ied) son comparadas con las señales de referencia
de torque y flujo respectivamente mediante un control Proporcional e Integral (PI). A la
salida de este bloque se obtienen las señales de referencia Veqref y Vedref) que son
convertidas al espacio α, β mediante la transformada inversa de Park. También se debe
medir la posición del flujo (θ) con la cual se realiza la trasformada de Park y su inversa.
Con estas señales de referencia se puede utilizar un Modulador de Ancho de Pulso de
Espacio Vectorial (SVPWM) como entradas del inversor trifásico del variador de
velocidad, con lo que se controlan las variables deseadas del motor de inducción.
19
3. DESCRIPCIÓN MATEMÁTICA DEL CONTROLADOR Y SUS
COMPONENTES
Las componentes eléctricas como corriente y voltaje de un motor AC se pueden expresar
como vectores espaciales complejos. Como consecuencia a esto se puede expresar la
corriente del estator de la siguiente manera.
𝚤𝑒� = 𝑖𝑎 + 𝛼 ∗ 𝑖𝑏 + 𝛼2 ∗ 𝑖𝑐 (3)
donde ia, ib, ic corresponden a las corrientes de fase del estator, α es 𝑒−𝑗23𝜋, y α2 está dada
por 𝑒−𝑗43𝜋. Estos vectores se ubican en el espacio (a, b, c), que representa el espacio
vectorial del sistema trifásico sinusoidal (ver Figura 5).
Figura 5. Representación de los vectores espaciales complejos de la corriente del estator en el espacio (a, b,
c). Modificado de [1].
Teniendo en cuenta que este sistema vectorial es dependiente del tiempo, es necesario
convertir este sistema coordenado en otro que cumpla con las características necesarias para
el Control por Orientación de Campo. Para esto el sistema debe pasar por dos etapas, la
primera que trasforma el espacio de tres vectores en dos dependientes del tiempo
20
(transformada de Clarke) y la segunda que consiste en trasformar los dos vectores
anteriores en otros invariantes en el tiempo (trasformada de Park).
El sistema se puede describir utilizando otro sistema de referencia de solos dos ejes
ortogonales (α, β). Para esto se asume que el eje a del marco referencial anterior es igual al
eje α del nuevo, adicionalmente se asume que la suma de las corrientes del estator es igual a
cero (conexión en estrella). De esta manera, mediante proyecciones algebraicas, se obtiene
que la trasformada del espacio (a, b, c) al (α, β) es la siguiente.
𝑖𝑒𝛼 = 𝑖𝑎
𝑖𝑒𝛽 =1√3
∗ 𝑖𝑎 +2√3
∗ 𝑖𝑏
𝑖𝑎 + 𝑖𝑏 + 𝑖𝑐 = 0
(4)
Esto se denomina la trasformada de Clarke, con la que se obtiene un sistema coordenado de
dos vectores dependientes del tiempo, directamente relacionados con los vectores de
corriente del estator del sistema original.
Figura 6. Representación del vector en el espacio vectorial (α, β). Modificado de [1].
21
Para obtener un sistema invariante en el tiempo se debe realizar otra trasformación en la
cual se ubican los vectores en el espacio vectorial (d, q). Este sistema de referencia es
rotatorio, de manera que el eje d se alinea con el flujo del rotor, cuya posición se determina
mediante la variable θ. Este proceso matemático se denomina la trasformada de Park y está
dada por las siguientes expresiones.
𝑖𝑒𝑑 = 𝑖𝑒𝛼 ∗ cos 𝜃 + 𝑖𝑒𝛽 ∗ sin𝜃
𝑖𝑒𝑞 = −𝑖𝑒𝛼 ∗ sin𝜃+𝑖𝑒𝛽 ∗ cos𝜃 (5)
Figura 7. Representación del vector en el espacio vectorial (d, q). Modificado de [1].
Como las componentes del vector en este espacio dependen directamente de las
componentes en el espacio (α, β) y de la posición del flujo del rotor, si se conoce
correctamente esta variable, entonces las componentes en (d, q) se convierten en
constantes, por lo que el sistema es independiente del tiempo.
De esta manera, mediante dos trasformaciones consecutivas, se obtiene un sistema
referencial de dos coordenadas invariante en el tiempo con el que se puede controlar el
torque adecuadamente en un motor de inducción, en donde ied es la componente de flujo e
ieq es la componente del torque. En la Figura 8 se puede observar la relación entre los tres
diferentes sistemas referenciales utilizados para realizar un Control por Orientación de
Campo.
22
Figura 8. Relación entre los sistemas de referencia (a, b, c), (α, β), (d, q). Tomado de [6].
Como se mostró en la sección anterior de este documento, para realizar un Control por
Orientación de Campo es necesario utilizar la transformada inversa de Park, para retornar
las señales a un marco referencial de dos vectores dependiente del tiempo que pueda ser
interpretado por un SVPWM. Teniendo en cuenta la Figura 4 (Esquema del Control por
Orientación de Campo.), se tiene que la trasformada está dada por las siguientes
expresiones.
𝑉𝑒𝛼𝑟𝑒𝑓 = 𝑉𝑒𝑑𝑟𝑒𝑓 ∗ cos 𝜃 − 𝑉𝑒𝑞𝑟𝑒𝑓 ∗ sin𝜃
𝑉𝑒𝛽𝑟𝑒𝑓 = 𝑉𝑒𝑑𝑟𝑒𝑓 ∗ sin𝜃 + 𝑉𝑒𝑞𝑟𝑒𝑓 ∗ cos 𝜃 (6)
Esta trasformación genera las dos componentes del vector de referencia (𝑉�𝑟𝑒𝑓) que se aplica
en las fases del motor mediante la técnica de SVPWM.
Teniendo en cuenta que estos esquemas de control dependen de la correcta medición o
estimación de la posición del flujo (θ), se debe realizar una medición o cálculo de esta
variable de la manera más precisa posible. Como en los motores de inducción la velocidad
del rotor y la del flujo no son iguales debido al deslizamiento (slip), no se puede obtener
23
directamente la posición del flujo, por lo que se debe recurrir a técnicas matemáticas para
calcularlo. Existen dos técnicas para realizar este proceso, una utiliza las ecuaciones del
denominado Modelo de Corriente y la otra depende de la diferencia entre la velocidad
sincrónica y la del rotor, la cual depende de las siguientes ecuaciones.
𝜔𝑠𝑙𝑖𝑝 = 𝜔𝑠 − 𝜔𝑟
𝜃 = �𝜔𝑠𝑙𝑖𝑝 + �𝜔𝑚 (7)
donde ωs representa la frecuencia angular de las corrientes inyectadas en las bobinas del
estator (velocidad angular sincrónica), ωr es la frecuencia angular de las corrientes
inyectadas en el rotor y ωm es la velocidad mecánica del sistema.
Como se mencionó anteriormente, el Control por Orientación de Campo necesita dos
entradas de control, ieqref que corresponde a la componente del flujo e iedref que corresponde
a la componente del torque. Estas señales ingresan reguladores PI (proporcional e integral)
con los que se modifican las señales de retroalimentación a los valores deseados rápida y
eficientemente, con la adecuada selección de las componentes proporcionales (Kpi) e
integrales (Ki) del regulador, que son las responsables del error de sensibilidad y de estado
estable respectivamente.
Por último se necesita un SVPWM para para realizar la inversión de la señal que alimentara
el motor y modificara su velocidad en consecuencia. En la técnica de Modulación de Ancho
de Pulso por Vectores Espaciales (SVPWM) se tienen ocho combinaciones diferentes
posibles para conmutar los seis transistores del inversor (ver Figura 9); estas combinaciones
se dividen en vectores sobre el espacio, lo que genera seis diferentes sectores, como se
muestra en la Figura 10.
24
Figura 9. Esquema básico de un inversor con señales de control a, b, c, a’, b’ y c’. Tomado de [7].
Figura 10. Vectores y sectores de la técnica de SVPWM. Tomado de [1].
De esta manera, se genera un patrón de conmutación para cada uno de los transistores de
acuerdo al vector del SVPWM, lo que genera los diferentes voltajes línea a línea de
alimentación del motor, como se muestra en la Tabla 1. Es importante aclarar que las
señales a, b y c son complementarias con las señales a’, b’ y c’ respectivamente, es decir si
a esta en “On”, a’ estará obligatoriamente en “Off”, y lo mismo se cumple para las demás
señales.
Tabla 1. Patrones de conmutación para un SVPWM.
Vector Señales de control Voltajes línea a línea
a b c a’ b’ c’ Vab Vbc Vac
25
V0 Off Off Off On On On 0 0 0 V1 On Off Off Off On On + Vdc 0 - Vdc V2 On On Off Off Off On 0 + Vdc - Vdc V3 Off On Off On Off On - Vdc + Vdc 0 V4 Off On On On Off Off - Vdc 0 + Vdc V5 Off Off On On On Off 0 - Vdc + Vdc V6 On Off On Off On Off + Vdc - Vdc 0 V7 On On On Off Off Off 0 0 0
Como los vectores están divididos en sectores, dependiendo de donde se encuentre el vector
de referencia (𝑉�𝑟𝑒𝑓), se escogen los dos vectores adyacentes. Como la representación
binaria de todos los vectores adyacentes difieren únicamente por un bit, solamente uno de
los transistores superiores será conmutado cuando el patrón de conmutación de mueve de
un vector a otro. Para generar el voltaje de salida se promedian los dos vectores en un
periodo de tiempo de muestreo T, que debe ser igual al promedio del voltaje de referencia.
El tamaño del vector de referencia determina la magnitud del voltaje de salida, la velocidad
con la que este rota determina la frecuencia del sistema trifásico y la dirección de giro del
rotor depende de la dirección de giro del vector de referencia.
26
4. IMPLEMENTACIÓN COMPUTACIONAL DEL CONTROLADOR
4.1 Implementación del controlador en el software MATLAB/SIMULINK
Para observar el comportamiento del controlador se realizaron dos implementaciones
utilizando la herramienta computacional SIMULINK, la primera se compone de los bloques
especificados en la Figura 4 y los componentes matemáticos de la tercera sección de este
documento. La segunda implementación consiste en la utilización de un bloque existente
dentro de las librerías del programa que describe un Control por Orientación de Campo
completamente.
4.1.1 Implementación usando los bloques descritos para un FOC
Para verificar el comportamiento del Control por Orientación de Campo, se implementó
una primera aproximación al controlador, usando la descripción matemática descrita en las
secciones anteriores de este documento. Para esto se usaron los bloques y módulos
disponibles en las librerías de SIMULINK, el resultado obtenido se muestra en la Figura
11.
Figura 11. Primer modelo computacional del Control por Orientación de Campo.
Adicionalmente se implementó un modelo desarrollado en la universidad de Queensland
[7], que esencialmente es idéntico al anterior, pero cuenta con un bloque adicional para
controlar la velocidad directamente utilizando un regulador PI compara una señal de
entrada de velocidad angular con la velocidad mecánica angular del motor y extrae la
27
componente a ingresar al esquema del Control por Orientación de Campo mostrado en la
Figura 4. De esta manera se puede observar más directamente la relación de las variables de
referencia deseadas con los parámetros más relevantes del motor de inducción. El modelo
se muestra en la Figura 12.
Figura 12. Modelo con control de velocidad angular. Modificado de [7].
Estos modelos controlaban adecuadamente las variables de referencia y las mantenían
relativamente constantes al realizar modificaciones abruptas en una u otra señal de
referencia. A pesar de esto, al realizar cambios de la señal muy cortos en tiempo los
modelos no se comportaban adecuadamente, esto producto de la generación de señales de
control para el rectificador con un modelo demasiado sencillo e implementación del
regulador de velocidad sin tener en cuenta parámetros de construcción del motor. Por esta
razón se realizó otra implementación utilizando un modelo mucho más complejo,
disponible en las librerías de SIMULINK, que involucra modelos de reguladores,
rectificadores y realiza una aproximación de la posición del torque mucho más adecuada y
precisa, lo que evidentemente mejora el resultado final del controlador, pues esta variable
es fundamental para la correcta trasformación de un marco referencial a otro.
4.1.2 Implementación usando el bloque existente en las librerías de SIMULINK para un
FOC
28
Este modelo cuenta con dos grandes ventajas con respecto a los anteriores, la primera es
que dispone de un controlador de velocidad que calcula adecuadamente el flujo a partir de
la velocidad de referencia y la velocidad mecánica del motor. La otra que cuenta con
mecanismos de control de las variables internas del esquema general de control y tiene en
cuenta fenómenos característicos de la maquina (como la magnetización), que brindan
señales de control para el inversor mucho más fiables y ayudan al cálculo de la posición del
flujo de manera más precisa, que ayudan a controlar al motor de una forma más adecuada.
El bloque tiene la siguiente configuración interna.
Figura 13. Configuración interna del bloque de FOC.
Como se puede observar, se tienen los mismos componentes que los modelos desarrollados
anteriormente, con la diferencia de un aumento bastante notorio en la complejidad del
controlador de velocidad. Por otro lado, el bloque “F.O.C” contiene el esquema de control
descrito anteriormente en este documento, la ingresar en él se muestran los siguientes
componentes.
29
Figura 14. Componentes del bloque "F.O.C".
En términos generales este bloque es similar a los modelos desarrollados anteriormente,
pero cuenta con bloques que ayudan a mejorar el cálculo de la posición del flujo, que se
determina mediante las siguientes expresiones, provenientes de las ecuaciones del motor.
𝛹𝑟 =𝐿𝑚 ∗ 𝑖𝑞
1 + 𝑇𝑟(𝑠)
𝜔𝑟 = 𝐿𝑚 ∗𝑖𝑞
𝑇𝑟 + 𝛹𝑟
𝜃 = �𝜔𝑟 + 𝜔𝑚
(8)
donde Ψr es el flujo del rotor, ωr es la frecuencia del rotor y Tr=Lr/Rr.
Este modelo tambien cuenta con sub bloques que ayudan a determinar la magnetizacion del
motor con lo cual el modelo cambia entre el modo de magnetizacion al modod de operación
normal del FOC cuando esta etapa ha finalizdo correctamente y el motor esta listo para
iniciar el movimiento.
30
Teniendo en cuenta lo anterior se implemento un modelo final utilizando el bloque descrito
(ver ), en donde se observo el comportamiento del control bajo diversas condiciones. Los
resultados de estas simulaciones se muetran en la sigueinte seccion de este capitulo.
Figura 15. Modelo computacional final del Control por Orientación de Campo.
4.2 Resultados obtenidos mediante el software MATLAB/SIMULINK
Para verificar el comportamiento del Control por Orientación de Campo se introdujeron dos
señales variables a las entradas del bloque de control. La primera, correspondiente a la
velocidad en rpm, y la segunda al torque de carga en Nm.
En primera instancia se verifico el correcto control de la velocidad, con torque de carga
constante, es decir con el rotor libre, con lo que se obtuvieron resultados positivos, pues la
velocidad aumenta siguiendo la rampa de aceleración ingresada en el bloque hasta llegar al
punto deseado y disminuye con la rampa de desaceleración. En cuanto al torque
electromagnético se observa un aumento seguido de una disminución, producto de la
aceleración y estabilización de la velocidad pero se intenta mantener constante en el valor
fijado (500Nm). Esta simulación se muestra en la Figura 16.
31
Figura 16. Simulación del modelo con velocidad variable y torque constante.
También se realizaron simulaciones con velocidad constante y torque de carga variable
(Figura 17y Figura 18). En este caso se observó que al inicio la velocidad aumenta
siguiéndola curva de aceleración y luego se estabiliza, en este periodo el torque
electromagnético aumenta un poco con respecto al de carga, para verificar que este
fenómeno es provocado por la aceleración del motor se simulo el sistema con una velocidad
menor (100rpm) con lo que se comprobó que el torque aumenta únicamente mientras el
motor se está acelerando (de la Figura 16 se deduce que al desacelerar el motor el torque va
a disminuir).
32
Figura 17. Simulación del modelo con velocidad constante (500rpm) y torque variable.
Figura 18. Simulación del modelo con velocidad constante (100rpm) y torque variable.
En todas las simulaciones se puede observar el comportamiento de la señal de corriente, la
cual varia de frecuencia de acuerdo a la velocidad del motor, esto demuestra que el control
está modificando la frecuencia según se requiera para mantener las señales a controlar lo
más estables posibles y con un error reducido.
33
5. IMPLEMENTACIÓN DEL CONTROLADOR USANDO VARIADOR DE
VELOCIDAD ALLEN-BRADLEY
5.1 Limitaciones y problemas técnicos al implementar el control en el CCM
Al implementar el Control por Orientación de Campo en el panel disponible, se pretendía
utilizar algunos de los módulos de la marca Allen-Bradley, el PLC (ControLogix) para
realizar la programación y el Variador de Velocidad por Frecuencia (PowerFlex 70) para
modificar el comportamiento del motor y medir las variables necesarias para realizar el
control. De esta manera, utilizando los recursos del Variador de Velocidad por Frecuencia,
se obtenían las señales de corriente y velocidad mecánica (para estimar la posición del
flujo), que transitaban por medio de la red DeviceNet donde podían ser leídas por el PLC y
realizar de esta manera el lazo de control, con las señales de control constantes o variables
dentro del programa implementado en el PLC, es decir sin posibilidad de modificarlas
externamente.
Esta rutina no fue posible de implementar utilizando los módulos descritos, debido a que se
presentó una falla técnica en el Variador de Velocidad por Frecuencia, producto de una
conexión errada del fabricante del panel que conecto los módulos a las diferentes redes,
alimentación y demás cableados necesarios para el funcionamiento conjunto del CCM y su
comunicación entre los módulos Allen-Brandley. Además, según algunos expertos en estos
módulos y este tipo de controles, el Variador de Velocidad por Frecuencia utilizado
(PowerFlex 70) no responde adecuadamente a los esquemas de control vectorial y por ende
no respondería como se desearía con el control descrito en este documento; para estos casos
se recomienda utilizar un Variador de Velocidad por Frecuencia similar pero más ponente,
el PowerFlex 700.
Por las razones descritas anteriormente se decidió implementar el Control por Orientación
de Campo utilizando el software LabVIEW de National Instruments, dado que este permite
un tratamiento adecuado de las señales y su implementación es relativamente sencilla
utilizando los módulos hardware disponibles en la Universidad de los Andes de esta marca.
34
Además, pensando en el trabajo a futuro y en el desarrollo de algunos grupos de
investigación de la universidad, la rutina de control se podría implementar fácilmente y
comprobar su funcionamiento en tiempo real utilizando técnicas de “Hardware In The
Loop”, utilizando FPGAs u otros dispositivos hardware como la compactRIO que es
completamente compatible con el software utilizado.
5.2 Implementación utilizando LabVIEW
Para realizar la implementación en la herramienta computacional LabVIEW se tomó como
referencia el artículo técnico de la National Instruments [8], que describe la
implementación de un Control por Orientación de Campo en una FPGA con facilidades
para implementar el esquema de control en una compactRIO, por lo que fue necesaria la
utilización de los “Toolbox” de FPGA y PID disponibles como anexo para el software
principal.
La implementación se dividió en bloques, en donde se utilizó exactamente el esquema de la
Figura 4, por lo que se generaron siete bloques diferentes. En primer lugar se implementó la
trasformada de Clarke, como se muestra en la Figura 19.
Figura 19. Trasformada de Clarke implementada en LabVIEW.
Este módulo consiste de la implementación de las ecuaciones (4) en el software, que
describen la trasformada de Clarke, debido a que las limitaciones de la herramienta
computacional no permiten realizar operaciones matemáticas complejas, el valor de la
constante 1√3
se aproximó a 0,5773.
35
El siguiente bloque es la trasformada de Park, que se muestra en la Figura 20. Este bloque
consiste en la descripción matemática de la trasformada utilizando las ecuaciones (5) y
tiene como entradas lo obtenido mediante la trasformada de Clarke y la posición del flujo
que se puede estimar mediante un encoder.
Figura 20. Trasformada de Park implementada en LabVIEW.
También se implementó la trasformada inversa de Park, la cual se describe en las
ecuaciones (6) y se muestra en la siguiente figura.
Figura 21. Trasformada inversa de Park implementada en LabVIEW.
Los bloques restantes (bloque PI para cada una de las señales de entrada del control y el
SVPWM) se implementaron usando bloques de ejemplo disponibles dentro del programa
LabVIEW. De esta manera se implementó la rutina completa como se muestra en la Figura
22. Las salidas del SVPWM son valores entre 0 y 1023 que se asignan a las salidas de
PWM de una FPGA, para obtener las señales de control de los transistores del inversor que
controlan la velocidad del motor con el ancho de pulso adecuado.
36
Figura 22. Control por Orientación de Campo implementado en LabVIEW.
Al iniciar la rutina en el programa, se observaron diferentes cambios en los lectores
numéricos de las salidas del SVPWM, al variar las entradas del esquema de control, lo que
comprobó el correcto funcionamiento de la rutina.
37
TRABAJO A FUTURO
Teniendo en cuenta la implementación software en LabVIEW, se pretende utilizar esta
rutina para realizar pruebas con técnicas de “hardware in the loop” mediante dispositivos
del fabricante National Instruments, disponibles en la Universidad de los Andes como la
compactRIO o mediante una FPGA. De esta manera, se puede controlar el comportamiento
de un motor de inducción real mediante las salidas PWM de las tarjetas y utilizando un
encoder para medir el movimiento del rotor y una tarjeta de adquisición para medir las
corrientes de fase, en donde es importante tener en cuenta las limitaciones de corriente del
dispositivo y si es necesario utilizar trasformadores de corriente para evitar daños en él. De
esta manera el Control por Orientación de Campo estaría en manos de los dispositivos y
tarjetas desarrolladas por los fabricantes con lo que se realizaría una adecuada integración
hardware-software del control descrito en este documento.
38
CONCLUSIONES
Los Controles por Orientación de Campo son esquemas de control muy eficientes para
controlar los motores de inducción pues solventan las mayoría de problemas referentes a las
maquinas AC y proveen una estrategia bastante efectiva para manipular las magnitudes
según se requiera. Las trasformaciones matemáticas utilizadas en los Controles por
Orientación de Campo se muestran como estrategias adecuadas para modelar la maquina
AC, como si fuera una DC, con lo que su control se facilita y se acogen las ventajas de
ambas maquinas.
Los módulos Allen-Bradley proveen grandes facilidades y ventajas a la hora de realizar
controles de un motor específico, esto se debe a sus poderosas características y canales de
comunicación perfectamente integrados entre hardware y software que facilitan la
obtención de datos mediante mediciones y modificación de los parámetros de los módulos.
De las misma manera la comunicación entre cada uno de los módulos disponibles en un
Centro de Control de Motores, facilitan la implementación de rutinas pues se puede obtener
información relevante de cualquier parte de la red en tiempo real.
Con las prácticas de laboratorio diseñadas en este documento se pretende explicarles a los
estudiantes de pregrado de la Universidad de los Andes el funcionamiento básico del CCM
y sus alcances con el fin de explotar estos recursos para brindarles a los estudiantes un
acercamiento más directo a los dispositivos más comúnmente utilizados por la industria, y
de esta manera proveer herramientas adecuadas para facilitar el acople al mundo laboral.
Debido a falencias de construcción del CCM no fue posible la implementación del Control
por Orientación de Campo en los módulos Allen-Bradley, pero se comprobó su
funcionamiento utilizando las herramientas software de National Instruments. Esta
implementación software provee el paso principal para realizar implementaciones en
dispositivos como FPGAs o para realizar simulaciones en tiempo real mediante técnicas de
“hardware in the loop”.
39
BIBLIOGRAFÍA
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BPRA073. Febrero de 1998. [En línea]. Disponible en:
http://www.ti.com/lit/an/bpra073/bpra073.pdf. Consultado: 03/08/11.
[2] J. M. Aller. Máquinas Eléctricas Rotativas: Introducción a la Teoría General.
Universidad Simón Bolívar - Departamento de Conversión y Transporte de Energía.
Editorial Equinoccio. Venezuela. 2007.
[3] G. Irvine, I. H. Gibson. The Use of Variable Frequency Drives as a Final Control
Element in the Petroleum Industry. Industry Applications Conference, 2000.
Conference Record of the 2000 IEEE, vol.4. [En línea]. Disponible:
http://ieeexplore.ieee.org.biblioteca.uniandes.edu.co:8080/stamp/stamp.jsp?tp=&arnum
ber=883212. Consultado: 01/09/11.
[4] Allen-Bradley. PowerFlex 70 AC Drives User Manual. USA. 2009.
[5] L. F. Cadena. Diseño De Un Banco De Entrenamiento Para Control De Motores.
Universidad de los Andes, Bogotá D. C., Colombia. 2011.
[6] Texas Instruments Europe. Clarke & Park Transforms on the TMS320C2xx.
BPRA048. 1997. [En línea]. Disponible en:
http://www.nalanda.nitc.ac.in/industry/appnotes/Texas/motcon/bpra048.pdf.
Consultado: 22/08/11.
[7] M. Filippich. Digital Control of a Three Phase Induction Motor. University of
Queensland, Australia, Octubre de 2002.
[8] National Instruments. Lower Your Energy Bill with Field-Oriented Motor Control. Mar
25, 2009. [En línea]. Disponible en:
http://sine.ni.com/nipdfgenerator/nipdfgenerator?pageURL=http://zone.ni.com/devzon
e/cda/pub/p/id/701&clientAppName=dz&dotsPerPixel=&dotsPerPoint=. Consultado:
21/11/11.
40
ANEXOS
Guía práctica de laboratorio
CONFIGURACIÓN DEL CENTRO DE CONTROL DE MOTORES CON
MÓDULOS ALLEN-BRADLEY ORIENTADA AL CONTROL DE LA
VELOCIDAD DE UN MOTOR DE INDUCCIÓN
Introducción:
Teniendo en cuenta la complejidad de un Centro de Control de Motores estándar, como el
que se encuentra en el laboratorio de potencia de la Universidad de los Andes, es
importante realizar una práctica de laboratorio básica en la cual se le brinden al estudiante
las bases para la utilización adecuada del panel. De esta manera se le brindan al estudiantes
las herramientas básicas para afrontar las posibles complicaciones que se puedan producir
al momento de utilizar el panel, que son inherentes al sistema como tal. En esta práctica se
pretende implementar un programa sencillo en el PLC capaz de modificar la velocidad del
motor de inducción mediante los sensores disponibles en el panel (infrarrojo y capacitivo),
utilizando el Variador de Velocidad por Frecuencia.
Objetivos:
• Entender la arquitectura del Centro de Control de Motores de la Universidad de los
Andes.
• Entender el funcionamiento del Centro de Control de Motores, y en especial el del
Variador de Velocidad por Frecuencia disponible en el panel.
• Observar las rutinas básicas para manejar un motor de inducción usando el PLC del
panel.
Tareas previas:
• Investigar sobre los usos de Centros de Control de Motores (CCM) en la industria y
cuáles son los módulos o dispositivos básicos que contienen.
41
• Investigar sobre las diferentes estrategias utilizadas para modificar la velocidad de
un motor de inducción en la industria.
• Investigar el principio de funcionamiento y uso de los Variadores de Velocidad
(ASD) y los Variadores de Velocidad por Frecuencia (VFD).
• Consultar el Manual del usuario del Variador de Velocidad por Frecuencia
PowerFlex 70 de la marca Allen-Bradley.
• Consultar los aspectos básicos de las Redes de Área Local (LAN) y sobre las redes
utilizadas por los paneles con tecnología Rockwell (DeviceNet, ControlNet,
EtherNet, SERCOS)
Procedimiento:
1. Compruebe que el CCM se encuentra bien conectado al computador, para esto
verifique que el Patch Cord (cable Ethernet Cat 7) tenga un extremo conectado a la
tarjeta de red de su estación de trabajo y el otro al módulo EtherNet/IP del panel. Es
importante recordar que el computador debe estar iniciado como Administrador (o
con derechos de Administrador).
2. Conecte el motor en estrella, para esto tome los cables provenientes de U, V, y W
del panel (ver Figura A 1), y conéctelos con conectores de banana al motor de la
manera adecuada (cada uno de los cables mencionados anteriormente a los
terminales U1, V1, y W1 del motor respectivamente y unir U2, V2, y W2 en un solo
nodo).
42
Figura A 1. Conectores de salida para el motor de inducción, provenientes del Variador de Velocidad
por Frecuencia.
3. Encienda el panel utilizando el breaker en la parte superior izquierda y compruebe
que todos los dispositivos se encuentren en OK. Es importante que verifique que el
modulo EtherNet/IP NO muestre el mensaje Link Lost.
4. En el computador abra el programa RSLinx Classic Gateway, para esto ingrese a
Inicio » Todos los Programas » Rockwell Software » RSLinx » RSLinx Classic.exe.
Opima el botón RSWho, que se encuentra en la parte superior, al lado derecho del
botón Abrir, se abrirá una ventana interna con un árbol jerárquico. Este software es
el encargado de comprobar el estado de la red LAN del panel y su correcta conexión
con el computador, sin este no se podría realizar la comunicación entre la estación
de trabajo y el CCM, y por ende no se podría programar el PLC ni manipular los
dispositivos. En este programa puede observar la información de cualquier
dispositivo conectado a las diferentes redes, tales como revisión o referencia. Para
esto debe hacer clic secundario en el dispositivo y luego clic en la opción Device
Properties.
5. Verifique que todos los componentes de las diferentes redes se encuentren activos y
no aparezcan “X” sobre ningún dispositivo, como se muestran en la Figura A 2.
Mientras trabaje con el panel NO cierre el programa RSLinx Classic. En caso que se
43
presente algún problema, significa que la Red no está bien configurada, para
solventar esto remítase al numeral 6, de lo contrario continúe en el numeral 7.
Figura A 2. Visualización de las diferentes redes del CCM en RSLinx.
6. Si la configuración no aparece como se mostró anteriormente debe configurar el
computador para que pertenezca a la misma red que el panel mediante la dirección
IP. Para configurar este parámetro debe ingresar al Centro de redes y recursos
compartidos del computador (Inicio » Panel de control » Redes e Internet » Centro
de redes y recursos compartidos). Luego haga clic en el enlace Conexión de área
local, con lo que acedera a la pestaña de configuración de la red LAN. Haga clic en
Propiedades y luego en Protocolo de Internet versión 4 (TCP/IPv4), donde entrara
a una ventana de propiedades referentes a este protocolo. Por ultimo señale la
opción Usar la siguiente dirección IP y en el recuadro de Dirección IP: escriba la
dirección designada para la estación de trabajo según la arquitectura del sistema que
es 192.168.1.2; en el campo de Mascara de subred: ingrese la dirección de mascara
255.255.255.0; deje los demás campos sin modificar (ver Figura A 3). Con esto
quedara configurada la red correctamente y los dispositivos aparecerán sin problema
en el programa RSLinx.
44
Figura A 3. Configuración de la dirección IP bajo el protocolo TCP/IPv4 para la red del CCM con el
computador.
7. Para configurar correctamente el Variador de Velocidad por Frecuencia (PowerFlex
70) con el motor de inducción, debe ingresar a sus propiedades, para esto abra el
programa RSNetWorx for DeviceNet (Inicio » Todos los programas » Rockwell
Software » RSNetWorx » RSNetWorx for DeviceNet). En el programa encontrara
todos los dispositivos que se encuentran conectados a la red DeviceNet. Haga clic
secundario en el PowerFlex 70 240V 2.2A, luego clic en Properties…, con lo que se
abrirá una ventana de configuración del VFD. En la pestaña Parameters encontrara
todos los atributos del Variador de Velocidad por Frecuencia. En este lugar debe
configurar el motor según las especificaciones de fabricación, para esto complete
adecuadamente los campos de los parámetros 40 al 46. Luego de clic en Aplicar
45
donde aparecerá una ventana, de clic en Si. Por ultimo de clic en Aceptar con lo que
podrá cerrar el programa.
8. Abra el programa RSLogix 5000, valla a Inicio » Todos los programas » Rockwell
Software » RSLogix 5000 Enterprise Series » RSLogix 5000.exe. Esto programa
permite programar el PLC mediante diferentes leguajes, pero el más utilizado, y el
que se utilizara en esta práctica es Ladder. El programa inicializará con una pantalla
de bienvenida; haga clic en el botón New, en la parte superior izquierda. Esto abrirá
una ventana de configuración del nuevo proyecto, en donde se debe seleccionar el
controlador en el campo Type:, en nombre del proyecto en Name:, el tipo de panel
en Chassis Type:, el slot donde se encuentra ubicado en PLC en Slot:, y la ruta en
donde se guardara el archivo en Create In:. Configure estos espacios según lo
estipulado en la Figura A 4, que corresponde a los parámetros de fabricación del
CCM, y la ruta del archivo selecciónelos según le convenga y el nombre del
proyecto denomínelo PracticaVFD.
Figura A 4. Configuración de un proyecto nuevo en RSLogix.
46
9. El proyecto se creará con un árbol jerárquico en el panel izquierdo del programa. En
primer lugar debe seleccionar el módulo de entradas de la red DeviceNet que es
donde se encuentran conectados los sensores y el Variador de Velocidad por
Frecuencia; para esto haga clic secundario en la carpeta I/O Configuration del árbol
jerárquico, y seleccione la opción New Module…. Esto abrirá una ventana con los
posibles módulos que se pueden seleccionar para generar entradas, salidas, estados y
demás atributos que se necesiten para un programa en particular. Para seleccionar el
módulo de escaneo de dispositivos conectados a la red DeviceNet, seleccione el
árbol desplegable Communications, y luego el dispositivo 1756-DNB 1756
DeviceNet Scanner de Allen-Bradeley (ver Figura A 5). Haga clic en OK, se abrirá
una ventana solicitando la revisión del dispositivo, seleccione la 7. Se abrirá otra
ventana pidiendo el nombre, slot y revisión específica; llene estos campos según la
Figura A 6. De clic en OK con lo que se abrirá otra ventana que para efectos de esta
práctica no es relevante. De clic en OK de nuevo.
Figura A 5. Ventana para seleccionar el escáner de la red DeviceNet.
47
Figura A 6. Parámetros de configuración del módulo de escaneo de la red DeviceNet.
10. Con el procedimiento anterior se habrá agregado el modulo encargado de la red
DeviceNet, es decir que ahora se pueden agregar los Tags disponibles para los
sensores y el Variador de Velocidad por Frecuencia del panel. Haga clic en la
carpeta Controller Tags dentro de la lista jerárquica de la carpeta Controller
PracticaVFD; se abrirá una ventana con los tags disponibles en el proyecto (ver
Figura A 7). Como puede observar, se tienen tres listas que corresponden a las
estradas (Local:3:I), salidas (Local:3:O) y estados (Lista:3:S); el nombre Local:3 se
designa de esta manera debido a que la red DeviceNet se ubican en el slot 3 del rack
del panel. Los Tags corresponden a las señales que se pueden escribir, leer y
modificar para realizar un programa de control dentro del PLC. Como puede
observar, al abrir la lista Local:3:I se despliegan dos listas más, abra la lista
Local:3:I.Data, que corresponde a las señales digitales que circulan por la red
DeviceNet; abra la lista Local:3:I.Data[0] que corresponde al bus de señales
conectadas actualmente. Según la arquitectura del panel, la señal proveniente del
sensor infrarrojo corresponde a Local:3:I.Data[0].0, de este modo cuando se
48
acerque un objeto que obstruya el lente del sensor este dato será ‘1’, de lo contrario
será ‘0’; la señal proveniente del sensor de metales capacitivo es
Local:3:I.Data[0].8, así cuando un objeto metálico ce coloque sobre la superficie
del sensor, esta señal será ‘1’, de lo contrario será ‘0’. Para observar el
comportamiento en línea de estos sensores, es decir en tiempo real, debe colocar el
proyecto en modo Online.
Figura A 7. Árbol de Tags disponibles en la red DeviceNet.
11. Para entrar en el modo Online se debe seleccionar el camino (Path) adecuado del
PLC, para esto haga clic en Communication en la barra de herramientas (parte
superior del programa), luego clic en Who Active, con lo que se abrirá una ventana
con las redes disponibles, similar a la obtenida con el programa RSLinx. Seleccione
el camino AB_ETHIP-2, Ethernet » 192.168.1.1, 1756-ENBT/A, 1756-ENBT/A »
Backplane, 1756-A10/A » 00, 1756-L63 LOGIX5563, PracticaVFD y de clic en el
botón Go Online, aparecerá una ventana en donde debe hacer clic en el botón
Download, se abrirá otra ventana de advertencia haga clic de nuevo en el botón
Download y acepte las siguientes ventanas. La realizar este procedimiento se
49
iluminara en verde el indicador Run Mode (ver Figura A 8). De esta manera podrá
ver en tiempo real el cambio y estado de cada una de las señales disponibles
mediante Tags.
Figura A 8. Estado Online del programa RXLogix.
12. Para realizar diferentes acciones con el Variador de Velocidad por Frecuencia es
necesario excitar las salidas Local:3:O.Data[0].1, Local:3:O.Data[0].2,
Local:3:O.Data[0].3, Local:3:O.Data[0].4, Local:3:O.Data[0].5 y
Local:3:O.Data[0].6, que corresponden a detener el motor, incrementar la
velocidad (como si se estuviera oprimiendo el botón Jog, cambiar dirección del
motor, seleccionar velocidad almacenada 1, seleccionar velocidad almacenada 1 y
seleccionar velocidad almacenada 1 respectivamente, según se requiera. Estos
parámetros están designados según la configuración del módulo al momento de
realizar esta práctica, para cambiarlos, debe modificar los parámetros 362 al 366 en
las propiedades del PowerFlex 70 con el programa RSNetWorkx for DeviceNet (ver
punto 7).
13. Para programar el PLC debe ingresar a la carpeta MainProgram, dentro de la
carpeta Tasks del árbol jerárquico de RSLogix y realizar la rutina en el archivo
MainRoutine utilizando el esquema de programación Ladder. Para programar la
rutina en el PLC debe estar en estado Offline (si esta en Online de clic en el botón
Communications en la barra de tareas y luego en Go Offline), haga clic en el botón
Communications y luego haga clic en Download. Aparecerá una ventana de
advertencia, haga clic de nuevo en el botón Download y acepte las siguientes
ventanas.
14. Si desea graficar alguno de los Tags disponibles dentro del programa debe hacer clic
secundario en la carpeta Trends del árbol jerárquico y luego hacer clic en la opción
New Trend…, con lo que se abrirá una ventana para asignarle un nombre a la
50
gráfica. De clic en el botón Siguiente > para seleccionar el Tag que desea graficar y
de clic en el botón Finalizar, con lo que se generara la gráfica correspondiente.
Tareas:
En el programa RSLogix realice una rutina sencilla utilizando Ladder en la cual acelere un
motor de inducción hasta su velocidad nominal al activar el sensor infrarrojo y lo detenga
en cualquier momento al activar el sensor capacitivo acercando un objeto metálico.
Entregables:
Para esta práctica debe entregar un pre informe y un informe que cubra los aspectos
mencionados a continuación:
Pre informe:
• Breve descripción de los puntos señalados en el apartado de “Tareas previas” de
esta práctica.
Informe:
• Descripción de la rutina implementada en el PLC del panel, su funcionamiento y
componentes de software y hardware abarcados.
• Descripción del funcionamiento de cada uno de los elementos utilizados en la rutina
en Ladder.
• Graficas (Trends) del comportamiento del motor (corriente, torque, frecuencia) con
el respectivo análisis.
• Conclusiones del proceso de desarrollo de la práctica.
Nota importante:
Esta práctica se realizó utilizando el sistema operativo Windows 7 Professional (versión en
español) y el software RSLinx Classic Gateway v2.57, RSLogix 5000 v19.01, RSNetWorx
for DeviceNet v10.01.
51
Guía computacional
IMPLEMENTACIÓN DE UN CONTROL POR ORIENTACIÓN DE CAMPO
UTILIZANDO SIMULINK
Introducción:
Teniendo en cuenta las bondades del Controlador por Orientación de Campo (FOC) para
los motores de inducción, es importante entender su funcionamiento básico y observar su
comportamiento bajo simulación. Los software como MATLAB/SIMULINK brindan gran
cantidad de herramientas para diseñar y simular este tipo de controles bajo diferentes
condiciones y acercándose de manera bastante acertada a la realidad usando modelos
complejos que describen a los sistemas eléctricos y electrónicos que componen un
controlador de estas características.
Objetivos:
• Entender el principio de funcionamiento de los Controles por Orientación de
Campo.
• Entender los beneficios de los Controles por Orientación de Campo frente a otros
esquemas de control.
• Verificar el funcionamiento de un Control por Orientación de Campo mediante
simulación.
Tareas previas:
• Investigar sobre el principio de funcionamiento de los Controles por Orientación de
Campo y verificar su diagrama de bloques.
• Enumerar los beneficios de utilizar Controles por Orientación de Campo al utilizar
motores de inducción.
Procedimiento:
1. Abra el programa MATLAB y posteriormente ingrese a SIMULINK.
52
2. En la lista de librerías de SIMULINK busque la carpeta SimPowerSystems en el
árbol jerárquico. Dentro encontrara la lista de componentes disponibles por el
programa para implementar sistemas eléctricos, allí hay una carpeta que se
denomina Application Libraries, dentro encontrara tres carpetas más. Ingrese a
Electric Drives library y luego en AC drives, donde encontrara todos los controles
disponibles para motores AC. El bloque que se usara en esta práctica se denomina
Field-Oriented Control Induction Motor Drive.
3. Cree un documento nuevo de SIMULINK y agregue el bloque mencionado en el
paso anterior. Al hacer sobre clic sobre este módulo se pueden observar todas las
opciones disponibles por el controlador. En la primera pestaña, Asynchronous
Machine, se deben ingresar los datos que modelan el motor de inducción, para este
caso asuma que se utiliza un motor de 220V con frecuencia 60Hz, los demás
parámetros ajústelos según datos reales de algún fabricante. En la pestaña de
Controller se muestran los datos de los reguladores del control; en esta pestaña
puede modificar las rampas de velocidad para que el motor alcance la velocidad
deseada más o menos rápido según se asigne, medique estos campos según sea
conveniente para las simulaciones y mejoren el rendimiento del control.
4. El modulo tiene cinco entradas y cuatro salidas, las entrada SP corresponde a la
señal de control de velocidad, es decir la velocidad a la que se quiere mantener el
motor; Tm es el torque de la carga, y A, B y C son los voltajes de alimentación
trifásicos. En cuanto a las salidas, Motor corresponde a un bus con todas las
medidas del motor de inducción (corriente de estator, velocidad del rotor, torque
electromagnético, etc.), Wm es la velocidad angular mecánica del motor, que
también puede ser obtenida en el bus de la salida Motor; las demás salidas
corresponden a señales internas indispensables para el correcto funcionamiento del
control, pero que no serán abarcadas en esta práctica.
5. Alimente adecuadamente el bloque y asigne las señales de entrada correspondientes,
tenga en cuenta las unidades. Obtenga las salidas relevantes para observar el
comportamiento del motor bajo el controlador (corriente de estator, velocidad del
rotor, torque electromagnético, entre otras) y grafíquelas.
53
Tareas:
Realice varias simulaciones modificando las señales de velocidad de referencia y torque de
carga, y observe el comportamiento del torque electromagnético y velocidad mecánica de la
máquina de inducción, así como la forma de onda de la corriente del estator bajo los
diferentes casos. Compare y concluya.
Entregables:
Para esta práctica debe entregar un pre informe y un informe que cubra los aspectos
mencionados a continuación:
Pre informe:
• Breve descripción de los puntos señalados en el apartado de “Tareas previas” de
esta práctica.
Informe:
• Incluya las simulaciones realizadas
• Analice e interprete cada una de las señales de simulación obtenidas.
• Realice una comparación entre los efectos producidos al modificar de diversas
maneras las señales de entrada.
• Concluya sobre el trabajo realizado durante el desarrollo de esta práctica.
