control vectorial
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UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILEFACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD
UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILEFACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD
CONTROL VECTORIAL
Christian Sepúlveda Espinoza
NOVIEMBRE 2000
CONTROL VECTORIAL
Christian Sepúlveda Espinoza
NOVIEMBRE 2000
CONTROL VECTORIAL
MAYOR PESO MAYOR TAMAÑO BAJA EFICIENCIA NECESIDAD DE
MANTENIMIENTO MAYOR COSTO
MENOR PESO MAS PEQUEÑOS ALTA EFICIENCIA CASI NO NECESITAN
MANTENIMIENTO MAS BARATOS
MOTORES DC MOTORES AC
CONTROL VECTORIAL
DEFINICIÓN
La definición generalmente aceptada es que el ControlVectorial es el control independiente del Flujo y elTorque que producen las componentes de la corrienteen los motores tipo jaula de AC.
También se conoce al Control Vectorial con los nombresde Control de Campo Orientado (FOC), Control Vectorial del Flujo (FVC)..
CONTROL VECTORIAL
Mejores prestaciones que el Control Escalar
Los Motores de Inducción proveen un amplio rango de operación.
El conjunto motor-accionamiento es relativamente de bajo costo
CONTROL VECTORIAL
Enrollado de estator (i1) produce flujo y
i2 e i3 junto con el campo producen el Torque
ORIENTACION DEL CAMPO
CONTROL VECTORIAL
La corriente en el rotor necesita un CAMPO VARIABLE.
Se pierde la cuadratura en tre el Flujo y el Torque
ORIENTACION DEL CAMPO
CONTROL VECTORIAL
Las componentes del campo se miden en el entrehierro.
Las funciones de y se obtienen de un anali zador vectorial.
I * a e i * b se forman de las referencias, se alimentan a un conver tidor estático de corriente U
Orientación del campo con control de la corriente
CONTROL VECTORIAL
Es necesario conocer las referencias de V.
Uy* se forma del vector desde el vector de Iy* e I y a través de E.
La I del motor depen de la resistencia del mismo, como la Tº del motor varia tam bíen lo hace la R y la I control de lazo cerrado
Orientación del campo con control de Voltaje
CONTROL VECTORIAL
Transf. de sistema 3f a otro 2f dependiente del tiempo.( , )a b
Trasnf. de sistema 2f a otro también 2f, pero independiente de la posicion angular.(d,q)
TRASNFORMACION DE COORDENADAS
CONTROL VECTORIAL
ESQUEMA BASICO DEL CONTROL VECTORIAL
CONTROL VECTORIAL
Se toman muestras de 2 fases del motor Conversión a sist. 2f indep. Del tiempo Comparación con las ref. Para obtener el vector
de I. Obtención del Vector de V de referencia. Transf. Inversa de coordenadas. Modulación PWM. Señales de gatilleo.
Resumen
CONTROL VECTORIAL
CONTROL INDIRECTO CONTROL DIRECTO
ORIENTACION DEL Y DEL ROTORORIENTACION DEL Y DE ESTATOR
TECNICAS DE CONTROL VECTORIAL
LAS TECNICAS DE CV, SE CLASIFICAN EN:
CONTROL VECTORIALCONTROL VECTORIAL INDIRECTO
CONTROL VECTORIAL
Iqs e iqd se controlan separadamente para controlar el Torque y el flujo respectivamente.
Qe se genera desde la señal de velocidad y el desliza miento, que son función de Iqs*
El y puede estimarse desde los terminales de V o I (Modelo de V), o desde la I y la velocidad (Modelo de I)
El modelo de V trabaja tipicamente sobre un 2% de la vel. Base, pero el de I lo hace desde cero.
La variación de los parámetros de la máquina afecta a Ks, lo que afecta el rendimiento estático y dinámico de la máquina.
CONTROL INDIRECTO
CONTROL VECTORIALCONTROL VECTORIAL DIRECTO
CONTROL VECTORIAL
Basicamente tiene los mismos elementos que el control indirecto.
Qe se deriva desde el vector de flujo.Estimación del vector de flujo no funciona
cerca de la velocidad cero, pero con el modelo de Voltaje si se puede hacer.
La velocidad se puede estimar desde los vectores de voltaje o corriente.
CONTROL DIRECTO
CONTROL VECTORIALCONTROL VECTORIAL USANDO DSP
HARDWARE
CONTROL VECTORIAL
Se toman muestras de 2 fases y se digitalizan. Transformación a coordenadas a y .b Estimación del Flujo por medio de integración de la Contra
Fuerza Electromotriz. La velocidad del motor se estima usando la contra fuerza
electromotriz y los flujos de estator o usando un tacómetro. Ángulo del flujo se usa para rotar I a e Ib a Id e Iq. Id responsable del Flujo, Iq responsable del Torque. La Velocidad y el Flujo se regulan por medio de las corrientes Iq e
Id respectivamente. Se obtienen Vd y Vq y se transforman a coordenadas (a,b,c)
usando transformadas inversas.
CONTROL VECTORIAL USANDO DSP
CONTROL VECTORIAL
CONTROL VECTORIAL USANDO DSP
CONTROL VECTORIALNUEVAS TENDENCIAS EN ACCIONAMIENTOS DE AC
Resolver los siguientes problemas:
- El modelo del motor debe seguir los cambios en los parámetros de la máquina debido al efecto de la saturación y la Tº.
- Identificar la dinámica de la carga.-Reducir los requerimientos de sensado por reduc ción de costos.-Eliminar el sensor de velocidad o de posición, debi do a razones mecánicas y económicas (Sensorless).
CONTROL VECTORIAL
CONTROL SENSORLESS.
CONTROL USANDO LOGICA DIFUSA
CONTROL USANDO REDES NEURONA LES
CONTROL VECTORIAL
Esto permite el ahorro de usar un dispositivo que mida la velocidad, produciendo un sistema de control vectorial de lazo abierto o sensorless.
Su rendimiento es bastante bueno, pero debido al tiempo de cálculo y a los inevitables errores en el modelo, no se puede comparar a un sistema que use un sensor.
Aun asi, presenta mejores caracteristicas que los controles escalares.
CV DE LAZO ABIERTO (SENSORLESS)
CONTROL VECTORIAL
El CV asume que una señal de velocidad correcta mente realimentada proporciona un valor preciso del deslizamiento.
La forma mas satisfactoria de obtener una reali mentación de la velocidad es colocar en el motor un tacómetro o un encoder.
En la práctica, modelando la relación V/I del estator y observando los resultados, se puede cono cer el deslizamiento y, más importante, se logra calcular el ángulo del Flujo.
CV DE LAZO ABIERTO (SENSORLESS)
CONTROL VECTORIAL
Mitsubishi Electronics America Inc.,Control Vectorial del Flujo Magnético (CVFM).
Baldor Electric Co., EVC o Encoderless Vector Control.
Allen Bradley, Force TechnologyAsea Brown Boberi (ABB), el DTC (Direct
Torque Control).
CONTROL SENSORLESS
CONTROL VECTORIAL
CONTROL DIRECTO DEL TORQUE (ABB)
CONTROL VECTORIAL
La conmutación óptima de los dispositivos se realiza en cada ciclo de control(aprox 25ms).
Se necesita calcular el flujo del estator mediante un modelo preciso del motor y las medidas de los voltajes y corrientes.
El modelo se calcula en vació, y se actualiza de modo on-line durante el func. Del motor.
Excelentes caractérísticas dinámicas, control preciso del torque (incluso a velocidad nula).
Se implementa usando DSP y circuitos integrados de aplicación especifica (ASIC).
PRODUCTOS REPRESENTATIVOS DE CONTROL SENSORLESS
Cia. Producto kWVac de
entradaReg.vel.(±%) *
Reg. T. (±%) *
Vel. Min.100% T.
ABB ACS 6002.2-600 380-690 0.1-0.3 2 2 Hz
Allen-Bradley
1336 Impact/Force
0.75-485
230-600 0.5 5 0.5 Hz
Baldor Electric
17H Encoderless
0.75-373 180-660 10% S 3.5 100 rpm
Cutler-Hammer AF93
1.5-15**
340-528 0.5 N/A 50 rpm
Mitsubishi
A200EA024/A044
0.1-3.7
230-575230/460
1.01-3
N/AN/A
<1 Hz3 Hz
Siemens E&A
MasterDrive 6SE70
1500 208-690 0.1 <2.5 0
Square DAltivar 66SV
0.75-220
208-460 1.0 N/A 0.5 Hz
YaskawaElectr.
VS-616G50.4-800
200-600 0.1 3 0.5 Hz
CONTROL VECTORIALCONTROL SENSORLESS CON LÓGICA DIFUSA
CONTROL VECTORIAL
CONTROL USANDO LOGICA DIFUSA
CONTROL VECTORIAL
Las partes principales del control son: El CI ASIC (controla el ripple de las corrien
tes del motor provocado por la frecuenca de conmutación y entrega los voltajes del motor)
El modelo adaptativo del motor ( calcula el torque y la corriente de magnetización cada mseg y los envía hacia el ASIC)
CONTROL SENSORLESS CON LÓGICA DIFUSA
CONTROL VECTORIAL
CONTROL USANDO REDES NEURONALES
CONTROL VECTORIAL
Convertidores de Frecuencia
Motor Asincrónico
CONTROL VECTORIAL
MOTOR INTEGRAL
CONTROL VECTORIAL
La selección de la estrategia de control depende de los requerimientos del sistema a controlar, teniendo presenta las siguientesconsideraciones:
V/f Constante 50 Hz
Vectorial a Lazo Abierto 300 Hz
Vectorial Sensorless 500 Hz
Modo de Control Ancho de Banda del Par
Servo Brushless 1000 Hz
RENDIMIENTO ESTÁTICO
CONTROL VECTORIALRESPUESTA AL CAMBIO DE VELOCIDAD
CONTROL VECTORIAL
Modo de Control Vel. Min. Par nominalReg. de
Velocidad
V/f constante 2 a 3 Hz 2 a 3 %
Vectorial a Lazo Abierto
1 Hz 1%
Vectorial a Lazo Cerrado
0 Hz 0.01%
Servo Brushless 0 Hz 0.01%
RENDIMIENTO DINÁMICO
CONTROL VECTORIALPAR A BAJA VELOCIDAD
CONTROL VECTORIAL
Acumuladores de materiales.Líneas de fundición de aceroDonde se requiera altos Torques de partidaCarretes de alambresAplicaciones de enrolladosControl total del torque a bajas vel.
APLICACIONES DEL CONTROL VECTORIAL
CONTROL VECTORIALEN LA INDUSTRIA EXISTEN NUMEROSAS APLICACIONES QUE REQUIEREN VINCULAR DOS EJES ENMOVIMIENTO EN FORMA RIGIDA MANTENIENDO LA POSICION RELATIVA ENTRE AMBOS CONSTANTEA TRAVES DEL TIEMPO.
LAS SOLUCIONES MECANICAS TRADICIONALES:
-CARDANES-CARDANES Y REDUCTOR -EJES VINCULADOS POR POLEAS-CORREAS-EJES VINCULADOS POR CADENAS/PINONES
EJE 1 EJE 2CARDAN
EJE 1 EJE 2CARDAN
REDUCTOR
EJE 1 EJE 2CADENA/CORREAS
CONTROL VECTORIAL
EJE 1 EJE 2CARDAN EJE 1 EJE 2CADENA/CORREAS
EJE 1 EJE 2CARDAN
DESVENTAJAS
- RIGIDEZ
-DIFICULTAD PARA MODIFICAR RAPIDAMENTE LAS RELACIONES DE VELOCIDAD Y/O POSICION ENTRE LOS EJES DURANTE EL PROCESO
LIMITACIONES PARA SU UTILIZACION:
-VELOCIDADES MAXIMAS DE TRABAJO-PRESTACIONES EN REGIMENES INTERMITENTES CON ALTAS CADENCIAS POR MINUTO-ESPACIOS FISICOS NECESARIOS PARA IMPLEMENTAR LA SOLUCION-INTEGRACION A REDES ELECTRONICAS DE CONTROL
CONTROL VECTORIAL
EJE 1 EJE 2CARDAN
LA SOLUCION ELECTRICA
UN ENCODER VINCULADO MECANICAMENTE AL EJE MOTOR (MASTER) SUMINISTRA EN CADAINSTANTE LA INFORMACION DE POSICION Y VELOCIDAD DE DICHO EJE A UN VARIADOR DEVELOCIDAD ELECTRONICO.EL VARIADOR CONTROLA UN MOTOR ELECTRICO PARA EL ACCIONAMIENTO DEL EJE SEGUIDOR(ESCLAVO) DE FORMA DE MANTENER CORRECTAMENTE EN CADA INSTANTE LA RELACION DE POSICION Y VELOCIDAD ENTRE AMBOS EJES
MASTER
ESLAVE
ENCODER
VARIADORVELOCIDAD
MOTOR ELECTRICO
CONTROL VECTORIALDIFERENCIA ENTRE SEGUIMIENTO EN VELOCIDAD Y EJE ELECTRICO
EL SEGUIMIENTO EN VELOCIDAD A DIFERENCIA DEL EJE ELECTRICO MANTIENEEXCLUSIVAMENTE LA VELOCIDAD ENTRE LOS EJES, SI UNA PERTURBACION MODIFICARALA POSICION RELATIVA ENTRE AMBOS, LA MISMA NO SE RECUPERARA.EL EJE ELECTRICO ASEGURA EN TODO INSTANTE EL MANTENIEMIENTO DE LA VELOCIDADY POSICION RELATIVA ENTRE AMBOS EJES
MASTER ESLAVE
V1 V1
MASTER SEGUIDOR
V1 V1
MASTER ESLAVE
V1 V2
MASTER ESLAVE
V1 V2
MASTER ESLAVE
MASTER ESLAVE
V1 V1
V1 V1
ANTES PERTURBACION NUEVO ESTADO ESTABLE
CONTROL VECTORIALCONTROL DE ENRROLLADOR
SERVOMOTOR
ENCODER
UNIDRIVE+UD70+UD51
MMI
OBJETO: MANTENER CONSTANTE LAVELOCIDAD TANGENCIAL Y POSICIONDEL PRODUCTO
SOLUCION:UNIDRIVE ,CONFIGURACIONEJE ELECTRICO (UD70+UD51+SOFTWAREEJE ELECTRICO)
OPERACIÓN: EL ACCIONAMIENTO CONTROLA LA VELOCIDAD DE LA BANDA A PARTIR DE LA INFORMACION DEL ENCODER AUXILIAR.CUANDO EL DIAMETRO AUMENTA, LA VELOCIDADDEL MOTOR SE REDUCE
RESULTADO: CONTROL DE MATERIALENTREGADO PRECISO
OBJETO: CREACION DE UNA RELACIONEXACTA DE POSICION-VELOCIDAD ENTREDOS MAQUINAS
SOLUCION:UNIDRIVE ,CONFIGURACIONEJE ELECTRICO (UD70+UD51+SOFTWAREEJE ELECTRICO)
OPERACIÓN: EL UNIDRIVE CONTROLA LA VELOCIDAD DE LA 2DA.MAQUINA A PARTIR DE LA INFORMACION DEL ENCODER DEL EJE MAESTRO.LA POSICION RELATIVA ENTRE EJESPUEDE MODIFICARSE A TRAVES DE JOGDINAMICO
RESULTADO: CONTROL PRECISO DEOPERACIÓN,CON SIMPLICIDAD DE IMPLEMENTAR MODIFICACIONES.CONSTANCIA EN EL TIEMPO SIN NECESIDAD DE REAJUSTES PERIODICOS
CONTROL VECTORIALSINCRONIZACION ENTRE MAQUINAS
UNIDRIVE+UD70+UD51SERVOMOTOR
ENCODER
OBJETO: PROVEER UN METODO SENCILLOPARA ESTABLECER Y MODIFICAR LAS DISTANCIAS DE CORTE
SOLUCION:UNIDRIVE ,CONFIGURACIONEJE ELECTRICO (UD70+UD51+SOFTWAREEJE ELECTRICO)
OPERACIÓN: CUANDO SE ALCANZA LA DISTANCIA CORRECTA DE CORTE LA SIERRA ES ACELERADA A DOS VECES LAVELOCIDAD DEL MATERIAL.SE MANTIENEASI UN CORTE PERFECTAMENTE PERPENDICULAR
RESULTADO: FACIL CONTROL DE DISTANCIADE CORTE A TRAVES DE UN MMI O PLC.PUEDEN ALMACENARSE RECETAS DE CORTEEN FUNCION DEL MATERIAL Y PIEZA
CONTROL VECTORIALSINCRONIZACION SIERRA TRANSVERSAL
SERVOMOTOR
ENCODER(VEL MATERIAL)
UNIDRIVE+UD70+UD51
OBJETO: PROVEER UN METODO SENCILLOPARA ESTABLECER Y MODIFICAR LAS DISTANCIAS DE CORTE.MANTENERLAS EN FUNCION DE UN REGISTRO IMPRESO
SOLUCION:UNIDRIVE ,CONFIGURACIONEJE ELECTRICO (UD70+UD51+SOFTWAREEJE ELECTRICO)
OPERACIÓN: EL SOFTWARE SUPERVISA LADISTANCIA DEL REGISTRO ASEGURANDO CORTAR O TROQUELAR EL PRODUCTO EN LA POSICION CORRECTA
RESULTADO: LA SINCRONIZACION ASEGURADISTANCIAS EXACTAS DE OPERACIÓNFACIL MODIFICACION DE DISTANCIAS Y PREPARACION DEL SISTEMA
CONTROL VECTORIALSINCRONIZACION CORTE / TROQUELADO ROTATIVO
ENCODER
UNIDRIVE+UD70+UD51
SERVOMOTOR
SENSOR DEREGISTRO