Capítulo : Introducción

Capítulo 1

Introducción

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1. INTRODUCCIÓN

1.1.

ESTADO DEL ARTE DE LOS ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS.

Un accionamiento eléctrico de velocidad variable se compone fundamentalmente de una etapa de electrónica de potencia, un sistema de control y comunicación y un motor eléctrico. La electrónica de potencia es un campo ampliamente explotado y conocido donde se pueden encontrar topologias específicamente desarrolladas para ciertas aplicaciones. La elección en la mayoria de los casos para accionamientos de corriente alterna es un inversor en fuente de tensión compuesto por IGBT’s. Para los accionamientos de corriente contínua se suelen elegir convertidores basados en IGBT’s o en MOSFET’s de bajo coste. La intensa investigación en el campo de convertidores resonantes parece agotada en la actualidad. Dentro de este contexto los campos de investigación de la electrónica de potencia se centran más en los problemas de compatibilidad electromagnética (EMC) o la calidad de la potencia que suponen todavía la búsqueda de nuevas topologías de convertidores. El incremento de la densidad de potencia de los convertidores mediante tecnologías de encapsulado adecuadas o dispositivos de pérdidas reducidas es también una linea de investigación a seguir. [THOG02] [KERK99]. En cuanto a los algoritmos de control, el sistema clásico de control por orientación del campo (Field Oriented Control, FOC) sigue teniendo gran aplicación en la actualidad, aunque se sigue investigando activamente para buscar nuevos métodos de control más sencillos y eficaces. Los métodos alternativos propuestos se refieren fundamentalmente a métodos de control directo de par (Direct Torque Control, DTC) aplicado generalmente a máquinas asíncronas, control fuzzy, o métodos FOC modificados generalmente para un funcionamiento sin sensores. Estas tecnologías sin sensores mecánicos (sensorless) continúan siendo igualmente un importante campo de investigación, junto con desarrollos en las comunicaciones control-máquina y en aplicaciones programables por el usuario sencillas y flexibles [DRUR02]. Asímismo, en los últimos años el interés por los motores eléctricos ha aumentado considerablamente. Existe una razón para justificar este hecho y es la tendencia actual al desarrollo de elementos orientados a aplicaciones concretas, frente al empleo de elementos de propósito general. Esto se cumple de igual forma en el diseño de motores eléctricos donde se busca emplear el motor más apropiado para una aplicación en concreto. Los motores “dedicados” cumplen mejor las especificaciones necesarias y estimulan el desarrollo de nuevas técnicas de construcción, nuevos materiales y, finalmente, nuevos motores.

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1.1.1.

EL MERCADO ACTUAL VARIABLE.

DE LOS

ACCIONAMIENTOS

DE

VELOCIDAD

En los últimos años los accionamientos eléctricos de velocidad variable han evolucionado desde un uso casi exclusivo de motores de corriente contínua a una amplia gama de soluciones en función de la aplicación, la potencia y la relación precio/prestaciones. En la Figura. 1.1. se muestra una clasificación de los tipos de motores empleados generalmente el los accionamientos, en base a la potencia nominal y el tipo de motor. Existen todavía aplicaciones para motores de corriente contínua, donde la electrónica de potencia es sencilla y barata. Para elevadas potencias (tracción pesada, trenes de laminado,…) se emplean preferiblemente motores de inducción. Los motores de reluctancia se encuentran en el mercado en el rango de las menores potencias. Los accionamientos con motores síncronos de reluctancia no están muy extendidos, mientras que los motores de reluctancia conmutados han encontrado aplicación en el campo de los electrodomésticos.

Figura. 1.1. Mapa actual de los motores empleados en accionamientos de velocidad variable.

Los accionamientos de motores de inducción con control escalar ofrecen un funcionamiento sin sensores, a par constante y funcionamiento incluso dentro de la zona de debilitamiento de campo. Cuando estas prestaciones se combinan con algun algoritmo de compensación, dichos accionamientos son utilizables con una amplia gama de cargas mecánicas como ventiladores, bombas, cintas transportadoras, etc…Al mismo tiempo, accionamientos con motores de inducción donde se aplica un control por orientación de flujo más o menos refinado, ofrecen prestaciones comparables a los accionamientos de corriente continua extendiendo su aplicación al campo de los accionamientos y servoaccionamientos de altas prestaciones. Según un estudio realizado en [KERK99] sobre el porcentaje de mercado de accionamientos con motores de inducción en función de su potencia, se encuentra que es el rango de potencias medias/bajas el que domina el mercado. El la Figura. 1.1. se aprecia igualmente que los motores de imanes permanentes cubren el mayor rango de potencias. Su aplicación va desde decenas de kW (en electrodomésticos por ejemplo) a algunos kW o incluso megavatios, en el caso de motores de propulsión de barcos. Las ventajas de este tipo de motores son múltiples: la flexibilidad en su diseño, la sencillez del control, su alta eficiencia, el precio decreciente de los imanes permanentes, etc…

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El mercado de accionamientos eléctricos de velocidad variable crece rapidamente, habiéndose en los últimos tiempos doblado en coste cada 8 años. El volumen de ventas para diferentes mercados mundiales se muestra en la Figura. 1.2, con una predicción hasta el año 2005. Mercado mundial de accionamientos

Figura. 1.2. Mercado mundial de accionamientos de velocidad variable.

Este incremento de ventas se alcanzará en una situación en la que la disminución de los precios unitarios, el volumen de mercado o el número de unidades vendidas por año prácticamente se triplique cada 8 años. De este estudio se aprecia igualmente que el mayor crecimiento se encontrará en paises emergentes como la China, donde el mercado de accionamientos de máquinas de corriente alterna era de alrededor de 260 millones de Euros en 1995 y se está doblando cada 5 años por lo que podrá alcanzar más de 1000 millones de Euros en 2005. 1.1.2.

NUEVOS MATERIALES.

Los avances en la producción de nuevos materiales son en parte debidos al interés actual por los motores eléctricos.

Figura. 1.3. Mapa actual de los materiales de imanes permanentes.

Debido a la introducción de componentes de Neodimio-Hierro-Boro (NdFeB) - ver Figura. 1.3 - los materiales de imanes permanentes han aumentado su densidad energética de forma drástica en los últimos 10 años. Por otro lado el coste de los imanes permanentes de alta energía decrece constantemente, mientras que los imanes férreos se venden a un precio bastante constante en los últimos años, incluso si sus características han sido ampliamente mejoradas [BOLOG02].

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En el campo de los materiales magnéticos, los avances se centran principalmente en torno a los compuestos magnéticos blandos (Soft Magnetic Composites, SMC) [JANSS02]. Estos materiales se componen de partículas de polvo de hierro con una superficie de aislamiento con una permeabilidad relativa superior a 500. La alta densidad e flujo requiere una alta densidad del material, lo cual se consigue con un alta compresión de los polvos del material. Con esta estructura se consigue una ventaja frente a los materiales férreos laminados donde los caminos de flujo son bidimensionales. Los materiales SMC permiten la ciculación de flujo en las tres dimensiones, abriéndose así nuevas posibilidades en el diseño de máquinas. En cuanto a los materiales conductores, en la actualidad se están desarrollando estándares europeos que imponen el uso del Aluminio frente al del Cobre en las partes eléctricas de los productos de alto consumo, como los automóviles. El objetivo es simplificar y mejorar el proceso de reciclado, así como eliminar el Cobre debido a su contaminante efecto sobre el Hierro. Estas exigencias actuales sirven igualmente de impulso al desarrollo de los motores eléctricos. 1.1.3.

NUEVOS CAMPOS DE APLICACIÓN.

Existen múltiples aplicaciones para los motores de imanes permanentes. Estas aplicaciones van desde los accionamientos industriales de altas prestaciones (como los servoaccionamientos o los accionamientos de posicionamiento) a las aplicaciones de bajo coste y alta eficiencia (como los electrodomésticos), la tracción ligera o la propulsión de barcos. El los motores de imanes permanentes se pueden encontrar prestaciones no realizables con otro tipo de máquinas como por ejemplo una aceleración sin carga de 105 rad/s2 para ciertos servo motores. Algunos de los campos más actuales de aplicación se son la tracción eléctrica, para un amplio rango de vehículos de carretera, raíles o guiados [GIER02]. En este tipo de aplicaciones actualmente se tiende al empleo de motores eléctricos de imanes permanentes diseñados con tecnologías actuales. Entre estos motores se encuentran los motores de imanes permanentes interiores o los de flujo transversal. En este sentido actualmente se trabaja en motores para motos de baja cilindrada (“scooter”). Otro campo donde se emplean actualmente los motores de imanes permanentes es para servo-actuadores de vehículos [HOPP02], por ejemplo en el sistema de suspensión, sistema de frenado, asiento, espejos, ventiladores, etc. La mayoria de estos sistemas emplean motores brushless de imanes permanentes ya que ofrecen las mejores relaciones par / volumen y una alta eficiencia. Las aplicaciones para electrodomésticos se han desarrollado actualmente en gran medida debido a la preocupación de la sociedad por el cuidado del medioambiente. La demanda se centra actualmente en motores eficientes, pequeños, de bajo coste y funcionamiento silencioso,, por ejemplo para sistemas de ventilación. Los motores síncronos de imanes permanentes satisfacen habitualmente estas demandas [MORI02]. Los motores lineales de imanes permanentes se emplean para aplicaciones de desplazamientos lineales debido a su alta relación fuerza/ volumen y su elevada

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velocidad de posicionamiento. Para mejorar las prestaciones de estos motores se emplean ferritas e imanes de tierras raras como el Samario-Cobalto o el NeodimioHierro-Boro. Actualmente se ha ampliado el campo de aplicación de estos motores, por ejemplo a la industria del vidrio o en aplicaciones de tracción, sustituyendo a motores de movimiento angular equipados de complejos mecanismos de transformación angular a lineal. Por último se citará la aplicación de propulsión de barcos, donde se trata siempre de motores de algunos megavatios de potencia. Las demandas dentro de este campo de aplicación son aumentar la velocidad, la eficiencia energética y la maniobrabilidad. El empleo de motores eléctricos añade ventajas frente a las soluciones clásicas como un menor consumo de carburante, una reducción en los costes de mantenimiento, mayor disponibilidad de componentes, disminución de las emisiones contaminantes y la reducción del ruido y de vibraciones [ARKK02]. Como conclusión se puede destacar que los motores de imanes permanentes pueden satisfacer los requerimientos de la mayoría de las aplicaciones [BOLOG02]. Esto es debido a la gran flexibilidad en el diseño de estas máquinas que permite adaptarlas a cualquier uso. A esto debe añadirse el hecho de que el precio de los imanes permanentes decrece continuamente, por lo que el coste de un sistema de excitación a base de imanes permanentes empieza a ser comparable al de un sistema clásico de excitacion.

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1.2.

PLANTEAMIENTO GENERAL DE LA TESIS.

Los primeros autores en publicar un trabajo sobre control directo de par (DTC), aplicado a máquinas de inducción, fueron Depenbrock y Takahashi a mediados de los años 80 [NAGU86][DEPE88]. La idea base del DTC es el control directo del par y del flujo estatórico basándose en la relación entre la frecuencia de deslizamiento y el par electromagnético. Se realiza mediante la aplicación directa de uno de los vectores espaciales de tensión del inversor que alimenta la máquina. El esquema básico de un control DTC se basa en una tabla de selección del vector óptimo y un regulador de histéresis para cada variable de control [VAS98]. Las variables estimadas se obtienen generalmente de un estimador de flujo y de par en lazo abierto. En comparación con el control de flujo orientado el DTC presenta varias ventajas como una menor dependencia de los parámetros de la máquina, una implementación más sencilla y una mejor dinámica en la respuesta de par. A finales de los 90 se empezaron a publicar trabajos sobre técnicas DTC aplicadas a máquinas de imanes permanentes interiores [RAHM98]. La posición rotórica, imprescindible en el control vectorial, no lo es en este caso (se puede tomar el argumento del vector de flujo estatórico en su lugar), a excepción de la posición inicial. Esto facilita la posibilidad de implementar esquemas sin sensores mecánicos (sensorless). En cada periodo de muestreo, el vector de tensión aplicado se mantiene constante hasta que exista una variación en la salida de los reguladores de histéresis. Por tanto, la frecuencia de conmutación no es constante y depende de la velocidad rotórica, la carga y el ancho de banda de los reguladores de flujo y par. Este es uno de los inconvenientes del control DTC que está siendo estudiado por varios autores como [MART02]. La otra gran desventaja del control DTC es el elevado nivel de rizado de par y de flujo. En este sentido se han desarrollado igualmente estudios que tienden a aumentar el número de niveles de los reguladores de histéresis o el número de tablas de conmutación, lo que [CASA00] denomina modulación vectorial discreta. Por otro lado Takahashi (y otros) propone una nueva estructura del inversor en [TAKA89] y Mei (y otros) emplean sectores variables de conmutación [MEI99]. Los resultados obtenidos por los autores que trabajan sobre estructuras de DTC multi-nivel (con diferentes niveles de los reguladores de histéresis) son generalmente mejores que los obtenidos por un control DTC clásico. En contrapartida el algoritmo se complica considerablemente lo cual aumentará el tiempo de procesamiento. En [DAMI01] se propone una estructura de 5 niveles para el regulador de histéresis del par y de dos para el de flujo estatórico, estando el plano de los vectores de tensión dividido en 12 sectores. Resultados similares se encuentran en [LEE00], donde se emplea un inversor de tres niveles. En este caso existen 27 posibilidades de vectores de tensión de salida, por lo que el algoritmo de selección de vectores es bastante más complejo y la mejora en los resultados no es verdaderamente significativa. Otro estudio interesante en este sentido se presenta en [FAIZ01].

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En [KANG01] se ha realizado un estudio para predecir la frecuencia de conmutación del inversor en función del ancho de las bandas de histéresis de los reguladores de par y flujo. El cálculo se basa en un seguimiento de la variación del valor medio de la pendiente del par y en una predicción de los cambios del vector de tensión aplicado. Se han realizado sucesivos ensayos variando el valor del ancho de las bandas de histéresis y calculando la frecuencia de conmutación del inversor, teniendo en cuenta tanto los parámetros de la máquina como los del inversor. El objetivo es modificar sucesivamente, en cada periodo de muestreo, el valor de las bandas de histéresis, de manera que la frecuencia de conmutación del inversor se mantenga mas o menos constante. Esto repercutirá en una mejor calidad de las señales de salida. Este trabajo continúa quizá una idea propuesta en [BOSE90] donde se realiza igualmente el estudio de la variación del ancho de la histéresis para un control de las intensidades, en vez de un control DTC como en [KANG01]. Algo mas alejado del control directo de par, pero siguiendo la misma filosofia de “control directo” del vector de flujo estatórico, se encuentra el trabajo desarrollado en [ASHER01]. Los autores plantean un método de control, denominado “Control Directo de Flujo” (Direct Flux Control, DFC), aplicado a una máquina de inducción. El método se basa en el control directo del ángulo existente entre el vector de flujo estatórico y rotórico. Los resultados obtenidos de la aplicación de este método no suponen una mejora especialmente significativa. En [BOLD00] se presenta la idea de combinar el control DTC clásico, aplicado a una máquina de reluctancia, con las ventajas que puede aportar incorporar una modulación vectorial. En este caso las mejoras no serán significativas la mantenerse en el esquema de control los reguladores de histéresis de par electromagnético y flujo estatórico. En este trabajo de tesis se ha desarrollado un método de control basado en el DTC pero que introduce varias mejoras. Por un lado se trata de un algoritmo mucho mas sencillo de implementar y de ajustar, y con el que se obtiene una respuesta de par con menor rizado que en un control DTC clásico. Además se trabaja con una frecuencia de conmutación del inversor fija, al emplearse una modulación PWM Vectorial. En este nuevo método se han eliminado dos de los elementos presentes en el control DTC, como son: la tabla de selección de vectores óptimos y los reguladores de histéresis. Por otro lado de esta forma también se han eliminado los problemas asociados a dichos componentes.

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1.2.1.

OBJETIVOS DE LA TESIS.

El objetivo principal de la presente tesis doctoral es el Diseño de un Sistema de Control que será aplicado a una Máquina Síncrona de Imanes Permanentes Superficiales. Para su concepción se partió de la idea de desarrollar un control DTC aplicado sobre una MSIP. Después de realizar un estudio detallado sobre este método se encontraron ciertos aspectos mejorables, en relación principalmente a la frecuencia variable de trabajo y a las oscilaciones de par. Con el fin de paliar estos inconvenientes se ha buscado diseñar un sistema de control donde se eliminen estos problemas. Para ello se ha buscado desarrollar un método de control, basado en el control directo del par, pero donde se mantenga constante la frecuencia de conmutación del inversor. Por otro lado se ha tratado de eliminar los reguladores de histéresis, ya que su funcionamiento provoca naturalmente trabajar a una frecuencia variable. Por tanto un primer objetivo de la tesis es: Mejorar las prestaciones obtenidas con un método DTC aplicado sobre una MSIP Este objetivo comprende principalmente: Una mejora en la respuesta dinámica del sistema. Una disminución del rizado de la onda de par. Una disminución del ruido acústico provocado. El método que se desarrollará podría englobarse dentro de una filosofia de Control Directo (la idea inicial ha sido inspirada por un Control Directo de Par). Se ha añadido una ventaja fundamental como es un funcionamiento a una frecuencia constante del inversor. La consigna de flujo estatórico será generada en función de criterios de minimización de pérdidas en el conjunto máquina-inversor. Igualmente se tiene como objetivo: Diseñar un sistema de control sencillo y facil de ajustar Los métodos de control actuales tienden generalmente a la implementación de complejos algoritmos, respaldados en cierto modo por el gran avance de la velocidad y la capacidad de procesamiento de los sistemas electrónicos e informáticos. En este trabajo se buscará desarrollar un algoritmo sencillo y eficaz, que no demande una tecnología específica para su implementación. Además se buscará que la estimación de las variables de realimentación se pueda hacer sin aumentar la complejidad del sistema, de manera que se pueda mantener un período de muestreo elevado. En cuanto a la facilidad de ajuste, se buscará un sistema que contenga un número mínimo de reguladores.

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Obtener un sistema de control robusto. La robustez es una calidad fundamental buscada en cualquier sistema de control actual. Se estudiará por tanto la sensibilidad del método aquí diseñado frente a posibles variaciones de los parámetros de la máquina. La robustez frente a errores en las estimaciones será también un punto a considerar, para lo que deberán estudiarse múltiples técnicas de observación y de estimación de variables. Por otro lado se buscará una cierta flexibilidad en cuanto a la forma de la generación de las consignas necesarias para el método de control, las cuales podrán ser obtenidas mediante múltiples esquemas. Este aspecto muestra asímismo la robustez del método frente a los distintos criterios de generación de referencias (intensidades, ángulo de carga…) A fin de validar el sistema de control diseñado en este trabajo de tesis, se ha implementado en un banco experimental. La puesta en marcha de este prototipo se añade entre los objetivos principales de la presente tesis: Constitución y puesta en marcha de un sistema experimental basado en dos máquinas síncronas de imanes permanentes superficiales.

1.2.2.

ORGANIZACIÓN DE LA EXPOSICIÓN.

A partir de la definición de los objetivos principales de este trabajo de tesis, se tratará de abordar cada uno de ellos de forma clara y concisa a los largo de este documento. La estructura del ducumento de tesis es la siguiente: En el capítulo 2 se presenta el modelo de la máquina síncrona empleado a lo largo de la tesis que se utilizará en las simulaciones realizadas para las validaciones de los diferentes sistemas de control y de generación de consignas estudiados. Se han obtenido las ecuaciones de la máquina síncrona empleando tanto la notación matricial como la notación basada en vectores espaciales. Las ecuaciones aplicadas a una máquina síncrona de imanes permanentes y a una de rotor devanado se muestran al final del capítulo. El capítulo 3 trata del inversor trifásico empleado en el accionamiento. En una primera parte se estudia su configuración y modo de funcionamiento. Se trata de un inversor de dos niveles de tensión compuesto por IGBT’s para el cual se han calculado las tensiones de salidas correspondientes a los diferentes vectores de estado de tensión. A continuación se ha desarrollado la teoría del método de control aplicado sobre el inversor: la modulación PWM Vectorial. Un estudio relativamente extenso de este método de modulación es presentado, orientado al tipo de control que se busca implementar posteriormente.

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En el capítulo 4 se han tratado los diferentes métodos de control estudiados en este trabajo de tesis, aplicados a una MSIP. En una primera parte se revisa el método de Control Directo de Par inicialmente en su versión mas clásica, y en una segunda parte, en una forma algo más perfeccionada, la cual se ha denominado aqui Control DTC Extendido. Se mostrarán resultados de simulación de ambos métodos. Posteriormente se presenta la teoría de un nuevo método de control desarrollado en esta tesis, denominado control DTC a frecuencia constante o DTC Síncrono. La calidad de su funcionamiento se ha comprobado en este capítulo a través de simulaciones. Igualmente se presenta un estudio de las posibles fuentes de error que pueden afectar a este método de control. En la parte final de este capítulo se presenta un cuarto método de control totalmente original denominado Control Híbrido, el cual presenta una aproximación novedosa al control de una máquina eléctrica. Se trata de considerar de forma más generalista el método de control DTC, considerando el conjunto máquina-inversor como el elemento de control. En el momento de la finalización de esta tesis su funcionamiento ha sido comprobado únicamente en simulación, habiéndose obtenido resultados muy esperanzadores. El capítulo 5 presenta un estudio sobre las diferentes posibilidades en la obtención de las variables estimadas precisas para el método de control empleado. Se han tenido en cuenta tanto la posibilidad de implementar un estimador en lazo abierto como un observador en lazo cerrado. Un estudio sobre la sensibilidad del control a las variaciones paramétricas de la máquina ha sido realizado para el estimador empleado en el montaje experimental, afin de comprobar la robustez de dicho método de control. En el capítulo 6 se describe el sistema experimental implementado, junto con todos sus componentes. Se han estudiado las limitaciones técnicas impuestas por dichos componentes en el funcionamiento de método de control propuesto. Estas limitaciones se refieren fundamentalmente al nivel máximo de tensión de continua de la alimentación del inversor y a la frecuencia máxima de trabajo de la tarjeta de control utilizada. A continuación se realiza una presentación y análisis de los resultados obtenidos experimentalmente, para los diferentes esquemas de control y generación de consigna propuestos en el capítulo 4. Una comparación entre los diferentes métodos de generación de consigna ha sido llevada a cabo, mostrando igualmente la robustez del método de control. Por último en el capítulo 7 se obtienen las conclusiones de la tesis y se proponen los trabajos futuros.

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