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CONTROL VECTORIAL DE MOTORES DE CORRIENTE ALTERNAUniv.: Negrn Godoy Ral

OBJETIVO DEL CONTROL VECTORIALLa finalidad de la modulacin vectorial aplicado a las mquinas asincrnicas es lograr un tipo de control lineal, independizando a la corriente que produce el flujo magntico, de la corriente que produce el Par del motor. De esta manera se obtendr un control lineal similar al de la mquina de CC, que posee dos bobinados desacoplados y por tanto la corriente del campo magnetizante se controla en forma independiente de la corriente de armadura. Para lograr esto, debido a que las mquinas asincrnicas no poseen dos bobinados desacoplados, se recurre a crear una referencia circuital ficticia y equivalente, de dos bobinados dispuestos en cuadratura (a 90 elctricos) en el estator, en reemplazo de los tres bobinados reales, lo cual se obtiene transformando el sistema trifsico de corrientes estatricas en un sistema bifsico de corrientes en cuadratura, no estacionario, que gira sincrnicamente con el campo magntico del rotor.INTRODUCCIONEl control vectorial, debe su nombre a que este utiliza un regulador electrnico sofisticado para controlar la magnitud y direccin (o fuerza y velocidad) del flujo magntico en un motor de corriente alterna a travs de lazos independientes de control.Los accionamientos (drives) A-C convencionales VVVF (voltaje variable - frecuencia variable) manejan un solo lazo para el control del flujo magntico, es decir la corriente es tomada como una magnitud escalar.

La estrategia de control de los accionamientos VVVF es buena para condiciones en rgimen permanente, o para aquellos tipos de cargas que permiten mucho tiempo para que cambie la velocidad en aplicaciones tales como ventiladores y bombas. Pero en muchas aplicaciones de la vida real, las cargas, la velocidad o posicin son probables que cambien abruptamente. El control vectorial satisface mucho mejor el manejo de estas condiciones ya que suministra control directo del torque, tambin como una capacidad de respuesta dinmica, la cual es diez veces la del accionamiento VVVF.Los diagramas de bloques en las figuras 1,2, y 3 suministran mas detalles acerca de las diferencias y semejanzas entre los accionamientos vectoriales y los convencionales VVVF.

Figura # 1: Conversin de potencia por Modulacin de Ancho de Pulso (PWM) La seccin de conversin de potencia mostrada en la fig.#1, es comn para todos los accionamientos modulados por ancho de pulso (PWM), independientemente si utilizan un regulador vectorial o VVVF. La potencia trifsica fluye a travs de un bloque de seis diodos, los cuales la rectifican convirtindola en potencia DC de voltaje fijo. La potencia DC es suavizada por el filtro capacitivo. Un bloque de seis transistores con diodos en la seccin de switcheo es controlado a travs del regulador microprocesado para reconvertir la potencia DC de nuevo en potencia AC de voltaje y frecuencia variables para alimentar el motor.La figura # 2 muestra un diagrama de bloques simplificado del regulador de un accionamiento convencional VVVF.

Figura # 2: Diagrama de bloques volt/Hertz La referencia de velocidad comandada por el usuario, alimenta al bloque rampa para convertir la funcin escalonada de la velocidad en una rampa con cambios retardados que limiten el flujo de corriente y evitar que la mquina se desestabilice . Esta seal entonces ocasiona que una seccin fije ambos parmetros, la rata de cambio y la fuerza del campo magntico en el motor. Es importante reconocer que un solo comando de entrada de control de velocidad, controle ambas variables en un accionamiento VVVF.En la figura # 3 se muestra un diagrama de bloques del regulador de un accionamiento vectorial. Se han aadido dos lazos de control separados, hacindolo ms complejo. Los lazos de control permiten controlar en forma independiente la velocidad y la fuerza del campo magntico del motor. Ellos tambin le permiten al regulador medir la velocidad actual del motor y estimar fielmente la cantidad de torque requerido.

Figura # 3: Diagrama de bloques para el modelo vectorial En consecuencia estas dos corrientes representan a los dos bobinados desacoplados y por lo tanto podrn controlarse en forma independiente. En este nuevo sistema de referencia las dos corrientes estatricas son procesadas como vectores rotantes, de ah el nombre de Control Vectorial o Modulacin del Vector Espacial (SVM) o Control de Campo Orientado (FOC).Por uno de los bobinados (eje d) circula la corriente que produce el flujo magnetizante y por el otro (eje q) la corriente que produce el Par del motor (fig 1). La transformacin se basa en que cualquier magnitud trifsica (tensin, corriente, flujo, etc) puede representarse por un vector espacial, que gira con velocidad angular w, como se demuestra en el Apndice. El primer cambio de tres ejes fijos a dos ejes fijos, se logra con la Transformacin de Clarke. El segundo cambio, (ejes d q: Direct-Quadrature ) es la Transformacin de Park, dispone que los dos ejes giren a la misma velocidad w del vector espacial, logrndose as que entre el vector y estos ejes no exista movimiento relativo y por tanto las proyecciones del vector sobre dichos ejes se mantienen constantes y solo se cambian cuando cambia el vector. Esta transformacin tiene validez debido a que las fuerzas magnetomotrices del motor en ambos sistemas son idnticas y por tanto los parmetros de la mquina no son alterados.

En consecuencia, el circuito de control debe implementarse para que pueda realizar las transformaciones y operar en el sistema de Park. Una vez realizadas las operaciones pertinentes, dicho circuito mediante las transformaciones inversas, reconvierte (descriptas en el anexo) los valores al sistema original trifsico dando a su salida las seis seales de gate para el inversor. Indudablemente el control vectorial, presenta mayor complejidad que los controles escalares, pero son implementados sin mayor dificultad, gracias a los microprocesadores PIC y con mejor prestacin los DSP (Digital Signal Procesor) dedicados a esta funcin y especialmente para el control de la mquina asincrnica, constituyendo un sistema de control de alta eficiencia.VECTOR ESPACIALEl sistema trifsico de tensiones simples de red, como ya sabemos se representa por:

Ec 1Donde Vm es el valor de pico o amplitud de cada tensin y su valor eficaz esy w = 2 f es la pulsacin angular en rad/s.

Para el anlisis, es preferible expresar el sistema trifsico de tensiones en funcin del coseno, a efectos de obtener ecuaciones ms simples, y a su vez tomaremos las tensiones simples (de fase) que entrega el inversor en sus bornes a,b,c, con respecto al neutro (n) de la carga equilibrada conectada en estrella, por lo cual tenemos:

El vector espacial que representa al sistema trifsico mencionado se obtiene con la transformacin de Park.

Ec 2

donde los tres operadores complejos, ubican a tres vectores fijos en el plano complejo y desfasados 120 entre s y las tres funciones temporales indican que dichos vectores no son constantes en magnitud, sino variables en el tiempo conforme al sistema. El coeficiente c es una constante de ajuste o proporcionalidad, vale 3/2 para poder conservar la magnitud Vm de las tensiones, en la expresin final del vector dado (caso contrario el vector tendr una magnitud 3/2 mayor).Si el anlisis se hace sobra la base de Potencia constante, entonces es

Reemplazando en la ec 2 se tiene

Ec 3

La ecuac.3 nos da el vector espacial que gira en el plano complejo, con mdulo Vm constante y velocidad sincrnica constante w y representa al sistema trifsico simtrico de tensiones simples, afectado del coeficiente 2/3 y podr aplicarse siempre que se alimente a una carga trifsica equilibrada.

OBTENCION DEL VECTOR ESPACIAL CON EL INVERSOR

Fig. 2: El inversor alimentado con fuente de punto medio y carga en estrella. Al ser las tensiones simtricas y la carga equilibrada, no existe corriente por el conductor neutro, en nuestro caso dicho neutro se mantiene flotante, no se conecta a ningn potencial. El estado de conduccin mencionado se sintetiza en la fig. 4, y corresponde al vector espacial para ese estado de conduccin, al cual llamamos 1 V .

Fig 4

Fig. N 4: Combinacin 100 de las llaves del inversor Para reconocer cada estado de conduccin, es suficiente identificar a los tres elementos superiores del puente. Se indica con un 1 cuando se encuentra cerrado y con un 0 cuando est abierto, en consecuencia para el estado de fig.4 es 1001= V . Observando las figs.3 y 4 vemos que la tensin Vao = E/2 y E/2 + E/2 = E = Van + Vno y como Van = (2/3)E, resulta Vno = (1/3)E Con estos valores, intuimos que el valor Vm del vector espacial (ec.3) es (2/3)E, pero esto debe ser demostrado, lo cual se hace trabajando con la ecuacin bsica (ecuac.2) y los valores Vao, Vbo, Vco que entrega el puente . De fig.4 se obtiene:

En consecuencia para cada combinacin de llaves, utilizando ecuac.2 se obtienen los 8 vectores bsicos con su valor constante y ubicacin fija en el plano complejo:

Estos 8 vectores llamados bsicos o directores, son los nicos vectores que puede generar el inversor y por tanto son vectores fijos en el plano complejo (no giran) y se ubican como muestra la fig.6-a), donde los 6 vectores activos tienen el mismo mdulo (2/3)E y estn desfasados 60 entre s, en cambio los vectores nulos solo pueden indicarse como un punto en el centro del plano complejo ya que su mdulo es cero y an no tienen referencia de duracin. La accin de cada uno de los 6 vectores activos dura como mximo 60, mientras que los 2 vectores nulos solo accionarn cuando se introduzca un espacio de tiempo de no conduccin, es decir cuando se reduzca el tiempo que duran los vectores activos, introduciendo un cierto tiempo sin intercambio de energa ya sea con Vo o con V7. Nota: El tiempo de no conduccin interviene en la formacin de cada vector y no es el tiempo muerto de proteccin que se intercala en la conmutacin de los dos transistores de una misma rama del inversor.

Fig. N 6: a) Ubicacin de los vectores directores en el plano complejo y el vector Vmax. b) Un vector V< Vmax del sector I, modulado con sus respectivos vectores directores V1, V2 y Vo;V7El valor de Vmax es: Esto nos dice que para obtener una trayectoria senoidal de los vectores a modular, la tensin de referencia deber tener como valor mximo 0,577E. Para un puente rectificador trifsico, alimentado con la red de 3*380V (220V por fase), la tensin que entrega, con filtro a condensador de salida es:

El accionamiento vectorial suministra todos los beneficios y ventajas de los accionamientos VVVF y mucho ms.Arranque con todas las ventajas de los accionamientos VVVF:1.- Utiliza motores de induccin standard, de bajo costo. Los motores a prueba de explosin y de otras construcciones especiales pueden tambin utilizarse.2.- Alto factor de potencia (alrededor del 95%), para un menor costo de energa.3.- Capacidad para alta velocidad (6.000 RPM es fcilmente alcanzable4.- Lazo cerrado de velocidad para una regulacin de 0.01%5.- Alta respuesta dinmica mayor de 50 radianes/seg.6.- Operacin suave a baja velocidad, an bajo variaciones de la carga7.- Alto torque de arranque (150% a 200%)8.- Control lineal de torque para posicin o tensin.VENTAJAS DEL ACCIONAMIENTO VECTORIAL

Estas ventajas hacen al control vectorial la mejor respuesta para muchas aplicaciones.Comparndolos con los controles DC, el accionamiento con control vectorial tiene un alto factor de potencia, capacidad para alta velocidad, y la habilidad de utilizar motores de induccin son ventajas importantes.A diferencia los accionamientos sin carbones, los cuales se han vendido como reemplazo para los accionamientos DC, el accionamiento vectorial no necesita motores diseados especialmente con rotores de imn permanente.

CONSIDERACIONES ESPECIALESAunque el accionamiento vectorial ofrece muchas ventajas, tambin tiene algunas limitaciones.En primer lugar, requiere de una realimentacin tacomtrica del motor.En segundo lugar, la regeneracin es ms difcil con accionamiento vectorial que con accionamiento DC con tiristores convencionales. Los accionamientos AC requieren de un kit compuesto por resistencias para la regeneracin.

En tercer lugar, en aplicaciones donde se necesite frenado dinmico, requerir de diferentes soluciones cuando se utilice accionamiento vectorial.Los accionamientos DC pueden operar como generadores sin un regulador activo para suministrar la funcin de frenado dinmico. El accionamiento AC (vectorial o convencional), puede requerir de una inyeccin de corriente DC para el frenado o freno mecnico para suministrar el equivalente funcional al frenado dinmico.IMPLEMENTACION CON PIC

Fig. N 14: Vista de la placa de control. Proyecto final de Ingeniera. Puente Inversor Trifsico PWM por Modulacin Vectorial para Motores de Induccin. IMPLEMENTACION CON MICROCONTROLADORES DSP

Gracias por su atencin

ESTANDAR

DCDC SIN CARBONESVVVF

ACVECTOR

ACSERVO

REGULACION

DE VELOCIDAD0.01%0.01%1%0.01%0.01%

RANGO

DE VELOCIDAD100:1100:110:1100:12000:1

REQUERIMIENTO

DE TACOMETROSI/NOSINOSISI

RANGO DE HP

CONSTANTE4:12:12:14:1NINGUNO

TORQUE

DE ARRANQUE150%150%100%150%200%

CAPACIDAD PARA

ALTA VELOCIDAD (1)