Propuestas para proyectos eléctricos para el año 2013 Profesor Mauricio Espinoza B. Departamento de Automática Se presenta al estudiantado seis opciones para la elaboración de un proyecto de bachillerato. La mayoría de las propuestas son del área de la electrónica de potencia. En esta área, se combinan las principales ramas brindadas en la Escuela, como lo son: electrónica, máquinas eléctricas, programación y control automático. No obstante, igual dentro el marco del control automático, se brinda también un proyecto teórico y uno concerniente a visión por computadora. Procedimiento de solicitud Para optar por uno de estos proyectos, la persona interesada debe enviar al correo electrónico [email protected], antes del 18 de febrero, la siguiente información:    

Nombre y carné. Cursos a matricular el siguiente semestre. Expediente académico (no es necesario adjuntar las notas). El proyecto de su interés y el porqué de esa elección (se considerará bastante este rublo en la asignación de los proyectos).  Experiencia en las herramientas necesarias para realizar cada proyecto (consúltese la descripción de cada proyecto).  Atestados adicionales que se consideren relevantes para la asignación del proyecto. Requisitos Las personas interesadas deben cumplir con los siguientes requisitos:  Actitud proactiva, con capacidad de aprender en forma independiente y con deseos de enfrentar retos.  Domino del idioma inglés a nivel de lectura.  NO realizar la práctica profesional durante la relación del proyecto.  Por el bien del proyecto, poder trabajar en el Laboratorio de Automática de la Escuela como mínimo durante 12 horas semanales.  Manejo del procesador de texto LaTeX. Notas 1. A las personas interesadas, se les proporcionará:  Equipo de cómputo necesario para la realización del proyecto (computadoras con procesador CORE i5 y 4GB de RAM).  Una estación de trabajo en el Laboratorio de Automática.  Todo el hardware necesario para la realización del proyecto. 2. En caso de que la persona interesada posea beca 11, las horas utilizadas en la elaboración del proyecto se pueden utilizar para el cumplimiento de horas. 3. Las personas interesadas pueden proponer su propio proyecto eléctrico, siempre y cuando sean propuestas formales y afines con los intereses del profesor.

Tema I: Implementación del algoritmo de modulación de ancho de pulso por vector espacial adaptativo Objetivo general Implementar la modulación de ancho de pulso por vector espacial adaptativa (ASVM), en un microcontrolador, para alimentar una carga predominantemente inductiva. Descripción Hoy en día, el uso de técnicas de modulación por ancho de pulso se ha vuelto cada vez más común. Aplicaciones autónomas tales como vehículos eléctricos, robots, entre otras, requieren un uso óptimo de la energía almacenada en el banco de baterías. La modulación de ancho de pulso por vector espacial adaptativa (ASVM), es una de las técnicas más novedosas para la alimentación de motores por medio de inversores. Con esta técnica, se logra una reducción cercana al 50% de las pérdidas por conmutación. Al mismo tiempo, y en comparación con otros algoritmos, la técnica ASVM genera la menor distorsión armónica en las corrientes de carga. Por este motivo, surge la necesidad de realizar un sistema conformado por un inversor y su controlador, para alimentar cargas de tipo inductivo, tales como motores de inducción, DC sin escobillas o sincrónicos. Creando por tanto, una plataforma de desarrollo para el estudio de estos algoritmos. El proyecto busca la creación de dicha plataforma, su control y validación. Para tales efectos, se cuenta con varias plataformas de desarrollo para microcontroladores (STM32 o Arduino), un inversor de IGBTs y varias cargas de tipo inductivo. Perfil solicitado Al ser un trabajo que incluye varios aspectos de electrónica, modelado, programación y máquinas eléctricas, no se solicita un énfasis definido. Sin embargo, las habilidades de programación en plataformas STM32 o Arduino, las habilidades técnicas y el gusto por el modelado de máquinas eléctricas y dispositivos electrónicos son altamente deseables. Algunas referencias de consulta  J. W. Kolar, H. Ertl, and E C. Zach, Influence of the modulation method on the conduction and switching losses of a PWM converter system. IEEE Trans. Indust. Appl., 27, 1063-1075 (1991).  Marian P. Kazmierkowski, R. Krishnan and Frede Blaabjerg. (2003). Control in power electronics: Selected Problems. Elsevier Inc. Cap 4.

Tema II: Comparación de técnicas de control para motores de inducción alimentados por inversores Objetivo general Realizar una comparación entre las principales técnicas vectoriales y no lineales, para el control de motores de inducción alimentados por un inversor. Descripción Desde hace algún tiempo, en la Escuela se han desarrollado proyectos que estudian el control del motor de inducción alimentado por un inversor. No obstante, por limitaciones temporales inherentes a la realización de un proyecto, las nuevas estructuras de control elaboradas no se han comparado fuertemente con las estrategias existentes más comunes. Este proyecto, busca realizar una comparación entre la estrategia de control planteada por Pérez (2013), y las mostradas en Quang y Dittrich (2008). Dicha comparación debe incluir la robustez de los sistemas de control, ante cambios en el proceso o redes de desacople, el esfuerzo de control y el desempeño global del sistema de control. Esta se realizará mediante simulación en MATLAB® Simulink®, en donde se deben elaborar todos los esquemas de control a ser comparados. El inversor, utilizando la técnica de modulación por vector espacial, y un modelo simplificado del motor será proporcionado por el profesor. El resto de componentes de los sistemas deben ser elaborados por la persona que realizará el proyecto. Como producto final, se pretende una lista de las ventajas y desventajas relativas de cada técnica comparada. Perfil solicitado El gusto por el control automático (lineal y no lineal), el modelado de sistemas y conocimientos extra a los normalmente impartidos referentes a los modelos en variables de estados y sistemas no lineales, serán ampliamente valorados. Por otro lado, un alto grado de conocimiento en la simulación de sistemas en Simulink® es necesario. Algunas referencias de consulta  A. Pérez (2013). Sintonización de controladores PI de 2GdL en sistemas de control vectorial indirecto. IE502 Proyecto Eléctrico. Escuela de Ingeniería Eléctrica. Universidad de Costa Rica, Costa Rica.  N. Quang y J. Dittrich (2008). Vector control of three phase AC machines: Systems development in the practice. Spinger Inc.

Tema III: Un modelo del motor de inducción y su estimador de estado mediante “hardware in the loop” Objetivo general Implementar, utilizando una plataforma de desarrollo, un modelo del motor de inducción en un marco de referencia sincrónico, y utilizarlo para estimar su constante de tiempo. Descripción Debido a la necesidad de realizar pruebas en los esquemas de control, antes de que estos se coloquen en un proceso real, se han popularizado las pruebas de “hardware in the loop”. En dichas pruebas, el proceso es reemplazo por un modelo elaborado en hardware (típicamente un microcontrolador que simula las entradas y salidas del proceso). En este proyecto, se pretende elaborar un modelo por hardware de un motor de inducción. La plataforma de desarrollo a utilizar será el Arduino DUE, pues posee salidas analógicas. Además de la elaboración y adecuada validación del modelo del motor, se debe realizar, en una segunda plataforma de desarrollo, un algoritmo para la identificación de la constante de tiempo del rotor. Ambas plataformas de desarrollo serán proporcionadas por el profesor. Como resultado final, se espera poseer un modelo del motor de inducción, que permita elaborar pruebas del tipo “hardware in the loop” para proyectos posteriores, y un estimador de la constante de tiempo del rotor de un motor de inducción cualquiera. Perfil solicitado Experiencia en la programación de plataformas de desarrollo del tipo Arduino, así como habilidades y gusto por el modelado de sistemas y modelos en variables de estado son necesarios. Algunas referencias de consulta  N. Quang y J. Dittrich (2008). Vector control of three phase AC machines: Systems development in the practice. Spinger Inc. Cap 7 y 3.  T. Nag, A. Sen, D. Chatterjee (2008) An observer based on-line rotor speed estimation technique for a vector controlled induction machine. En: Industrial Electronics. ISIE 2008. IEEE International Symposium. June 30 2008-July 2 2008. Page(s): 630 – 633.

Tema IV: Diseño y análisis de filtros adaptativos para cargas alimentadas por modulación de ancho de pulso sincronizada Objetivo general Diseñar un filtro adaptativo, en función de la frecuencia de muestreo de un inversor, y analizar su efecto en el desempeño y robustez de un esquema de control vectorial indirecto. Descripción general Es bien conocido que las cargas alimentadas por inversores poseen un contenido armónico en la corriente de carga. Para que este contenido no altere en gran forma el sistema de control, es posible la colocación de filtros en la salida del proceso, o en la salida del controlador. Debido al uso de un inversor, se proporciona una onda de frecuencia variable para la alimentación de carga, y no es necesario mantener una frecuencia de muestreo constante de las señales realimentadas. De esta forma, la frecuencia de muestreo y la frecuencia de la onda generada pueden ser proporcionales, generando lo que se define como modulación de ancho de pulso sincronizada (Bose, 1997). Sin embargo, no se ha mostrado, hasta el momento, un estudio detallado del diseño y uso de filtros en el sistema de control vectorial indirecto, cuando los filtros son modificados por la frecuencia de conmutación del inversor. Asimismo, no se mostrado claramente el efecto de su colocación en el desempeño del sistema de control. Este proyecto, pretende brindar las bases para el diseño de filtros en esquemas de control vectorial indirecto, alimentando motores de inducción, por medio de modulación por ancho de pulso por vector espacial sincronizada. Perfil solicitado Es indispensable poseer experiencia en la programación en MATLAB® y Simulink®, fundamentalmente en archivos .m. Por otro lado, las capacidades para la investigación bibliográfica son altamente deseables en la persona postulante, ya que se deben investigar varios temas que no necesariamente se presentarán relacionados entre ellos. Algunas referencias de consulta  B. K. Bose (1997). Power Electronics and Variable Frequency Drives. IEEE Press, Editorial Board. Cap. 4.  Heintze, K., et. aI., Pulse width modulating static inverters for the speed control of induction motors, Siemens-Z, Vol. 45, no. 3, pp. 154-161, 1971.  T. Hägglund (2012). Signl filter in PID control. En: IFAC Conference on Advances in PID Control PID'12. 28-30 de marzo, Brescia, Italia.

Tema V: Control en cascada no lineal de un conjunto motor generador Objetivo general Controlar un conjunto motor generador DC no lineal, utilizando visión por computadora y control en cascada. Descripción La medición de señales eléctricas de gran amplitud, para ser procesadas en un computador, es un problema debido a lo caro del equipo necesario y el alto grado de exactitud que se requiere. Una opción para solventar este problema, es utilizar medidores analógicos, tales como galvanómetros, y realizar el procesamiento de imagen requerido para transformar la posición del galvanómetro en una señal eléctrica de bajo nivel. De esta forma, dicha señal es fácilmente medible por un microcontrolador estándar. El proyecto, se base en el control en cascada no lineal de un conjunto motor generador DC, presente en el Laboratorio de Automática. El motor cuenta con un transmisor de velocidad, que se tomaría como la variable interna del lazo. Por otro lado, la tensión de salida del generador sería la variable que se mide con el galvanómetro. Esta debe ser procesada por visión por computadora, y se utilizada como salida del proceso. Se recomienda que el procesamiento de imagen y la adquisición de señales se realicen por medio de LabVIEW™, pero no es indispensable para efectos del proyecto (se cuentan con librerías gratuitas para el procesamiento de imagen). La adquisición de señales del sensor de velocidad se puede hacer en un Arduino (el profesor lo proporcionará). Como producto final, se desea obtener una interfaz gráfica, amigable con el usuario, para controlar el conjunto motor generador, para mantener la tensión de la carga fija, aunque se presenten cambios en la impedancia a alimentar. Perfil solicitado Gusto por la programación gráfica y conocimientos previos de LabVIEW™ (indispensable). O en su defecto, conocimiento de programación y adquisición de imagen y datos por otro software.

Tema VI: Identificación y evaluación del modelo no sincrónico obtenido mediante pruebas a lazo cerrado Objetivo general Desarrollar una rutina de identificación a lazo cerrado del modelo no sincrónico, y compararlo con los modelos tradicionalmente utilizados obtenidos de la misma manera. Descripción Recientemente, un nuevo modelo para la representación de sistemas fue propuesto: el modelo no sincrónico. Este modelo, posee la propiedad de que representa, con una sola función de transferencia, respuestas: de primer orden, sobreamortiguadas subamortiguadas e inestables, lo cual lo vuelve sumamente versátil. Proyectos anteriores (Espinoza, 2012), han demostrado que la metodología planteada para identificar el modelo no sincrónico, mediante la prueba del relé, no incorpora la posibilidad de generar un modelo subamortiguado, aunque el proceso sí lo sea. De esta manera, un método de identificación general a lazo cerrado, para el modelo no sincrónico, es un aporte importante para la utilización de este modelo. Por otro lado, la bondad de este modelo, obtenido mediante pruebas a lazo cerrado, no ha sido comparada con la de los modelos comúnmente utilizados para la representación de procesos (POMTM y SOTMTM sobre y subamortiguado). Por tanto, surge la necesitad de realizar dicha comparación. De esta forma, el proyecto pretende dos objetivos fundamentales; la elaboración de una rutina para identificar un modelo no sincrónico de un proceso a lazo cerrado, y la comparación de dicho modelo, con los comúnmente utilizados, en cuanto a la reproducción de las características a lazo abierto y cerrado del proceso. Perfil solicitado Conocimientos de programación MATLAB® y Simulink® (indispensable). Gusto por el modelado de sistemas y control PID. Algunas referencias de consulta  T. Vyhlídal y P. Zítek (2001). Control system design based on a universal first order model with time delays. Acta Polytechnica, 41, No. 4-5:49–53.  M. Espinoza (2012). Controladores PID de 2GdL robustos para modelos no sincrónicos de primer orden. Tesis de licenciatura. Escuela de Ingeniería Eléctrica, Universidad de Costa Rica, Costa Rica.