Control Vectorial y Motores PMSM: Principios, Aplicaciones y Características

Inconvenientes del control V/f

• El par y el flujo generado dentro de la máquina son funciones de la frecuencia y tensión aplicada. La variación del flujo, producida por un cambio en la frecuencia, reduce la sensibilidad del par, disminuyendo la respuesta dinámica de la máquina.
• A bajas velocidades V₁/f ≠ cte. Para mantener el par máximo hay que aumentar V₁.
• No ofrece par a velocidad 0.
• No tenemos control de posición del motor.

Para mejorar el control de la máquina de alterna, se crea el CONTROL VECTORIAL, que a diferencia del CONTROL ESCALAR, consigue separar el par del flujo en la máquina, como sucede en las de CC.

Par producido en una máquina de C.C.

La regulación del par en un motor de C.C. se puede realizar modificando el flujo magnético, en los polos producidos por la corriente de excitación, la corriente que atraviesa el inducido o ambas magnitudes a la vez.

Par producido en una máquina de inducción (CA)

En un motor asíncrono hay un devanado trifásico en el estator, y la fuerza...

Aplicaciones del Control Vectorial

Donde se requiera par nulo a velocidad nominal para luego conmutar a potencia constante y alcanzar una velocidad varias veces superior a la nominal, con capacidad de acelerar y desacelerar en ambas direcciones de rotación y controlar con precisión velocidad, par y posición. Aplicaciones más comunes:

• Acumuladores de materiales
• Líneas de fundición de acero
• Carretes de alambre
• Aplicaciones de enrollados
• Todas aquellas donde se necesite un control total del par a bajas velocidades o donde se requiera altos pares de partida.

El control vectorial, ya sea directo o indirecto, mejora el rendimiento dinámico de la máquina permitiendo entregar su par nominal a velocidades muy bajas (inclusive 0 como en el caso del control vectorial indirecto), cosa que el control escalar no puede. Se puede lograr ajustes finos de velocidad utilizando las técnicas de control vectorial puesto que la máquina responde de una manera constante.

El motor de inducción controlado vectorialmente hace que se esté imponiendo como servomotor en las aplicaciones industriales. Al controlar no solo la magnitud sino también la fase se consiguen:

• Regulación precisa de velocidad
• Un par máximo disponible a cualquier velocidad
• Hasta la de sincronismo
• La operación en los cuatro cuadrantes, que no existan zonas muertas en el control de par o velocidad y una excelente respuesta dinámica.

Características del control vectorial

• Rápida respuesta de par
• Preciso control de velocidad
• Linealidad incluso en inversa
• Recuperación de velocidad al variar carga
• Mantiene par a velocidad cero (150%)
• Robustez y precio de un motor de inducción AC pero con la simplicidad del control de un DC
• Control de una máquina asíncrona es difícil (todas las variables magnéticas son variables)
• El control vectorial consiste en transformar las variables de la máquina de alterna a la máquina de continua.
• Desacoplar variables como FLUJO y PAR
• Pasar de un sistema trifásico a un bifásico
• Flujo proporcional a Id
• Par proporcional a Iq

Motor PMSM

El flujo en el entrehierro no es debido a la corriente del estator sino a los imanes permanentes.

Estator: Compuesto de un circuito magnético construido de chapas de acero de silicio con devanados trifásicos para producir un campo rotativo, al igual que en los asíncronos.

Rotor: Compuesto por imanes permanentes (N y S). A diferencia con los asíncronos, el rotor gira EXACTAMENTE a la velocidad del campo rotativo, siendo el deslizamiento nulo.

Flujo

Radial: La dirección del flujo es perpendicular al eje de la máquina. Grandes potencias para máquinas largas (propulsión en barcos, tracción, aplicaciones eólicas).

Axial: La dirección del flujo es paralela al eje de la máquina (sistemas elevadores, generación).

El núcleo del estator lleva flujo alrededor del bobinado de estator con el fin de crear una fuerza electromotriz en el bobinado.

Cuando el flujo es transportado en una dirección paralela a la dirección de movimiento del rotor, es llamada longitudinal.

Cuando el flujo es transportado en una dirección perpendicular a la dirección de movimiento del rotor, es llamada transversal.

INNER vs OUTER

INNER:

Los devanados están en el rotor y el devanado en el estator

• Pequeño momento de inercia
• Menor volumen de motor
• Capacidad de disipar altas temperaturas
• Por el contrario, para obtener una densidad de flujo magnética alta, con pequeños imanes se deben emplear imanes de gran calidad y especificaciones.

Recomendado por su diseño, protegido contra fuerza centrífuga, para aplicaciones de velocidades altas y altas frecuencias, es decir de características dinámicas altas.

OUTER:

Los imanes permanentes están en el estator y el devanado en el rotor.

• Gran momento de inercia.
• Como los imanes no están en el rotor no tienen que ser pequeños y es más sencillo estructuralmente.
• Capacidad de disipar altas temperaturas.

Recomendado por su diseño para aplicaciones de discos duros.

Configuración imanes permanentes

Surface (Superficie Rotor)

Imanes pegados a la superficie del rotor como si de un vendaje se tratara para evitar las fuerzas centrífugas.

Inset (Encastrado en el rotor)

Montados en la parte interior del rotor, encastrados por el mismo rotor, como una máquina de polos salientes. Pudiéndose dar la configuración con o sin entrehierro entre los imanes y los inter-polos de hierro. En el caso de usarse la configuración del entrehierro entre los imanes y los inter-polos se supone que se obtiene en torno a un 5 % más de la densidad de flujo de la máquina.

Buried (Enterrado en el rotor)

Los imanes se ubican en el interior del rotor bajo la superficie del rotor. La mayor ventaja es la resistencia mecánica y la protección magnética. Además permite el uso de devanados amortiguados.

Control Directo de Par (DTC)

La principal diferencia con los otros métodos de control anteriores es que en el DTC no existe un modulador PWM separado, sino que la posición de los interruptores del convertidor de potencia se determina directamente por el estado electromagnético del motor. Para ello es necesario disponer de un modelo muy exacto del motor junto con una elevadísima capacidad de cálculo.

El par y el flujo del motor pueden ser controlados por medio de los vectores de tensión aplicados al estator V_s (vector de tensión aplicado al estator), ya que controlan la magnitud, la posición y la velocidad del vector flujo, y en consecuencia el par producido.