Ciencias tcnicas y aplicadas

Artculo de investigacin

 

Anlisis del control V/f con SVM en un accionamiento de velocidad variable

 

Analysis of V / f control with SVM on a variable speed drive

 

Anlise de controle V / f com SVM em uma unidade de velocidade varivel

 

 

 


 

 

 

 

Correspondencia:[email protected]

 

 

 

 

 

 

*Recibido: 25 de agosto 2021 *Aceptado: 15 de septiembre de 2021 * Publicado: 06 de octubre de 2021

 

 

        I.            Maestra en Electricidad, Universidad Tcnica de Manab.

     II.            Departamento de Electricidad y Electrnica, Universidad Tcnica de Manab.

 

 

 

 

 

 

 

 

Resumen

Los accionamientos de velocidad variable son ampliamente utilizados para resolver necesidades de control de movimiento en diferentes aplicaciones industriales y no industriales, donde las exigencias dinmicas de la aplicacin determinarn las especificaciones del accionador. En el presente trabajo se revisaron los modelos del motor de induccin, variador de velocidad, control escalar con relacin V/f constante y la modulacin por vector espacial (SVM), utilizando el bloque Drive AC2 de la biblioteca Specialized Power System de Simulink. Se realizaron varias simulaciones ante diferentes escenarios operativos para analizar el desempeo. Las rampas provistas por el variador de velocidad reducen la corriente de arranque frente al mtodo de arranque directo. La operacin en lazo abierto presenta error en la velocidad y tiene un desempeo ms bajo que la operacin en lazo cerrado, donde se debe implementar una compensacin del deslizamiento, requirindose un tacogenerador para la retroalimentacin de la velocidad. En algunas aplicaciones de torque constante puede ser requerido compensacin de voltaje en bajas velocidades. El variador de velocidad produce armnicos tanto en el lado de la red como del motor, pero esto puede ser corregido con la implementacin de filtros de armnicos. Este tipo de accionamiento es suficiente para aplicaciones con requerimientos dinmicos poco exigentes, como bombas, compresores y ventiladores.

Palabras claves: Accionamiento de velocidad variable; motor de induccin; variador de velocidad; control escalar; control V/f; modulacin de vector espacial; Simulink.

 

Abstract

Variable speed drives are widely used to solve motion control needs in different industrial and non-industrial applications, where the dynamic demands of the application will determine the actuator specifications. In the present work, the models of the induction motor, variable speed drive, scalar control with constant V / f ratio and space vector modulation (SVM) were reviewed, using the Drive AC2 block from Simulink's Specialized Power System library . Several simulations were carried out under different operating scenarios to analyze performance. The ramps provided by the variable speed drive reduce the starting current compared to the direct starting method. Open-loop operation presents speed error and has a lower performance than closed-loop operation, where slip compensation must be implemented, requiring a tachogenerator for speed feedback. In some constant torque applications, voltage compensation may be required at low speeds. The variable speed drive produces harmonics on both the mains and motor sides, but this can be corrected with the implementation of harmonic filters. This type of drive is sufficient for applications with less demanding dynamic requirements, such as pumps, compressors and fans.

Keywords: Variable speed drive; induction motor; speed variator; scalar control; V / f control; space vector modulation; Simulink.

 

Resumo

Drives de velocidade varivel so amplamente utilizados para resolver as necessidades de controle de movimento em diferentes aplicaes industriais e no industriais, onde as demandas dinmicas da aplicao determinaro as especificaes do atuador. No presente trabalho foram revisados ​​os modelos do motor de induo, acionamento de velocidade varivel, controle escalar com relao V / f constante e modulao vetorial espacial (SVM), utilizando o bloco Drive AC2 da biblioteca Specialized Power System da Simulink. Diversas simulaes foram realizadas em diferentes cenrios operacionais para analisar o desempenho. As rampas fornecidas pelo acionamento de velocidade varivel reduzem a corrente de partida em comparao com o mtodo de partida direta. A operao em malha aberta apresenta erro de velocidade e tem desempenho inferior operao em malha fechada, onde a compensao de escorregamento deve ser implementada, exigindo um tacogerador para realimentao de velocidade. Em algumas aplicaes de torque constante, a compensao de tenso pode ser necessria em velocidades baixas. O acionamento de velocidade varivel produz harmnicos nos lados da rede e do motor, mas isso pode ser corrigido com a implementao de filtros de harmnicos. Este tipo de acionamento suficiente para aplicaes com requisitos dinmicos menos exigentes, como bombas, compressores e ventiladores.

Palavras-chave: Variable speed drive; motor de induo; variador de velocidade; controle escalar; Controle V / f; modulao do vetor espacial; Simulink.

 

Introduccin

Una de las mquinas elctricas ms estudiadas es el motor de induccin, por ser ampliamente utilizado en diferentes aplicaciones domsticas, comerciales e industriales, debido a las mltiples ventajas que presenta frente a otras mquinas elctricas (Arnanz, Garca, & Miguel, 2016; Bharti, Kumar, & Prasad, 2019; Moreano Pea & Vsquez Daz, 2016; Nasser & Szemes, 2018). Se estima que ms de la mitad de la energa elctrica en todo el mundo es consumida por motores de induccin (Tigade & Sreejeth, 2018).

El acelerado avance de la electrnica de potencia y los microprocesadores ha permitido posicionar a los variadores de velocidad como la principal tecnologa para el control de movimiento en aplicaciones accionadas por motor de induccin (Anjum & Sharma, 2018; Hartono, Sudjoko, & Iswahyudi, 2019). Algunas de las aplicaciones ms comunes son: bombas, compresores, ventiladores y pequeas mquinas, que requieren un control simple, de precisin moderada y de bajo procesamiento computacional, donde la estrategia de control escalar con relacin V/f constante es la ms factible para estos casos (Arun Shankar, Umashankar, Padmanaban, Bhaskar, & Almakhles, 2019; Elan & Aishwarya, 2014). El control V/f no opera solo, sino que enva las seales de referencia al modulador de ancho de pulsos (PWM), siendo este ltimo el que controla la conmutacin de los semiconductores de potencia que alimentan al motor. Utilizar la tcnica PWM adecuada trae consigo ciertas ventajas, por ejemplo se puede reducir la distorsin armnica total (THD), usar efectivamente el voltaje en el link DC, reducir las interferencias electromagnticas (EMI), reducir las prdidas en la conmutacin y mejorar la distribucin de armnicos dentro del espectro (Kumar, Michael, John, & Kumar, 2010). El control escalar tambin puede combinarse con el tradicional controlador PID en aplicaciones donde existe retroalimentacin, por ejemplo en un control de velocidad en lazo cerrado, con lo cual se logra mejorar el desempeo (Anjum & Sharma, 2018; Bharti et al., 2019; Hartono et al., 2019; Moreano Pea & Vsquez Daz, 2016; Nasser & Szemes, 2018)

En la presente investigacin se estudian los modelos de los componentes de un sistema de accionamiento de velocidad variable, as como tambin los conceptos detrs de la estrategia de control escalar con relacin V/f constante, y de la tcnica de modulacin de vector espacial (SVM). El objeto es modelar y simular un sistema de accionamiento variable en Simulink, para analizar su funcionamiento, sus caractersticas dinmicas, y determinar sus potencialidades y limitaciones.

 

Mtodos y materiales

Para analizar el control V/f con SVM en un accionamiento de velocidad variable, se acude a la modelacin y simulacin de sistemas. Los modelos corresponden a componentes de la biblioteca Specialized Power Systems, Simscape Electrical de Simulink, en la versin 2019b de Matlab. En la Figura 1 se muestra el diagrama de bloques del accionamiento de velocidad variable a ser estudiado, con su fuente de alimentacin, elemento de maniobra y medidores.

Figura 1.

Diagrama de bloques del accionamiento de velocidad variable

 


 

Modelo del motor de induccin trifsico de doble jaula de ardilla

El bloque de mquina asincrnica de la librera Simscape Specialized Power Systems, permite modelar motores de induccin trifsicos del tipo rotor bobinado, jaula de ardilla o doble jaula de ardilla. Los bobinados del estator y del rotor estn conectados en Y con neutro interno. El componente elctrico de la mquina est representado por un modelo de espacio de estados de cuarto orden (o de sexto orden para el caso de la mquina de doble jaula de ardilla), y la parte mecnica por un sistema de segundo orden. Todas las variables y parmetros elctricos estn referidos al estator, adems, las cantidades del estator y el rotor estn en un marco de referencia arbitrario de dos ejes (MathWorks, 2021a). El marco de referencia de dos ejes, conocido como marco de referencia dq, es la resultante de la aplicacin de las transformadas de Clarke y Park (MathWorks, 2021d). En la Figura 2 se muestra el circuito equivalente del motor de induccin de doble jaula, bajo el marco de referencia dq.

 

 

Figura 2.

Circuito equivalente para la mquina de induccin de doble jaula.

Nota: Marco de referencia dq

 

El componente elctrico de la mquina se rige con las Ecuaciones (1) a la (16).

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

 

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

 

Para el componente mecnico rigen las Ecuaciones (17) y (18)

(17)

(18)

 

Donde, son la resistencia e inductancia de fuga del estator. es la inductancia de magnetizacin. es la inductancia total del estator. son el voltaje y corriente del estator, referidos al eje q. son el voltaje y corriente del estator, referidos al eje d. son los flujos del estator referidos al eje q y al eje d. son la resistencia e inductancia de fuga de la jaula 1 del rotor. son la resistencia e inductancia de fuga de la jaula 2 del rotor. son las inductancias totales de las jaulas 1 y 2 del rotor. son las corrientes de las jaulas 1 y 2 del rotor, referidos al eje q. son las corrientes de las jaulas 1 y 2 del rotor, referidos al eje d. son los flujos de la jaula 1 del rotor referidos a los ejes q y d. son los flujos de la jaula 2 del rotor referidos a los ejes q y d. es la velocidad angula del rotor. es la posicin angular del rotor. es el nmero de pares de polos. es la velocidad angular elctrica ( ). es la posicin angular del rotor elctrica ( ). es el torque electromagntico. es el torque mecnico en el eje. es el coeficiente de inercia del conjunto rotor/carga, el cual se ajusta en infinito para simular el rotor bloqueado. es la constante inercia del conjunto rotor/carga, el cual se ajusta en infinito para simular el rotor bloqueado. es el coeficiente de friccin viscoso de conjunto rotor/carga (MathWorks, 2021a).

 

Modelo del Accionamiento de Velocidad Variable

Simscape Specialized Power Systems contiene varios modelos de accionamientos de velocidad variable, con diferentes tipos de mquinas elctricas, tcnicas de control y modulacin de ancho de pulso. En esta investigacin se trabaja con el bloque Drive AC2, el cual es una mscara que contiene en su interior el bloque de mquina asincrnica (motor de induccin), y otros elementos que cumplen la funcin de variador de velocidad (accionamiento o drive). El diagrama de bloques de la mscara Drive AC2 se muestra en la Figura 3.

Figura 3.

Diagrama de bloques de la mscara Drive AC2 de Simulink.

 

El motor de induccin se modela en base a lo descrito en el punto anterior. Entre los elementos de potencia del variador de velocidad (drive), se tiene: rectificador trifsico, enlace DC e inversor trifsico, mientras que el sistema de control est conformado por controlador de velocidad y modulador de ancho de pulsos (PWM). La topologa del rectificador es la de un puente trifsico no controlado conformado por diodos de potencia, y el inversor comprende un puente trifsico controlado formado por IGBTs (con su respectiva red snnuber). En este caso el enlace DC corresponde con un chopper de frenado, en cuyo interior se encuentra el capacitor de potencia (caracterstico en variadores PWM-VSI), y el chopper de frenado en s mismo, formado por un IGBT y una resistencia de frenado dinmico. En lo que respecta al sistema de control, el Drive AC2 tiene un control de velocidad en lazo cerrado, conformado por el clsico control escalar de relacin V/f constate, ms un compensador del deslizamiento. El lazo de control de velocidad emite la referencia de deslizamiento para el motor de induccin, la cual es sumada a la velocidad del rotor medida con un tacmetro, para luego obtener la frecuencia de referencia. La referencia para el voltaje del estator se obtiene de la relacin V/f, con la condicin de flujo constante. Las referencias de voltaje y frecuencia del estator se utilizan luego para obtener las seales PWM requeridas para el inversor, siguiendo la tcnica de modulacin por vector espacial (SVM) (MathWorks, 2021c). Los diagramas de bloques del control escalar V/f, y la modulacin SVM se aprecian en la Figura 4.

Figura 4.

Diagrama de bloques del sistema de control de la mscara Drive AC2.

Nota: Arriba, control escalar con tcnica V/f constante. Abajo, generador de seal PWM con tcnica de vector espacial (SVM).

 

Tcnica de control escalar con relacin V/f constante

Cuando el motor de induccin opera en estado estable, la velocidad sincrnica de induccin, ns, y la frecuencia de la fuente de alimentacin a dicho motor, f, se relacionan de acuerdo a lo mostrado en la Ecuacin (19) (Chapman, 2012).

 

(19)

 

Donde, p es el nmero de polos. Por otro lado, la Ecuacin (20) representa la relacin entre el flujo del entrehierro, , y el voltaje en el entrehierro del motor, Em; el cual es aproximadamente igual al voltaje de la fuente de alimentacin, Vs , cuando el motor opera a condiciones nominales (Mohan, Undeland, & Robbins, 2009).

 

(20)

 

Con la Ecuacin (19) se deduce que la velocidad de un motor de induccin se puede controlar variando la frecuencia de la fuente de alimentacin, pero la Ecuacin (20) tambin nos dice que si el voltaje permanece constante, y se reduce la frecuencia bajo el valor nominal, el flujo se incrementa. Una operacin con flujo por arriba del valor nominal, implica incremento de las prdidas en el cobre y alta corriente de magnetizacin debido al indeseable alto nivel de saturacin magntica (Chapman, 2012). Para mantener una adecuada operacin con densidad de flujo nominal, es necesario variar el voltaje Vs de la fuente de manera proporcional con la variacin de la frecuencia f, de manera que la relacin entre estas dos variables permanezca constante.

(21)

 

Cuando el voltaje es ajustado de manera que la relacin V/f se mantiene constante hasta la velocidad nominal, se obtienen las curvas caractersticas de torque versus velocidad mostradas en la Figura 5.. Si la relacin V/f se mantiene constante, se observa que hasta la velocidad nominal el torque se mantiene constante, sobre la velocidad nominal la potencia se mantiene constante y el torque se reduce a medida que se incrementa la velocidad (Hughes, 2013).

Figura 5.

Regiones de torque constante y potencia constante en el control de velocidad de un motor de induccin

Nota. Adaptado de Limitations imposed by the inverter constant power and constant torque regions por Hughes, 2013, Electric Motors and Drives Fundamentals, Types and Applications, p. 212. Derechos Reservados 2010 por Pearson Educacin, S.A

 

 

 

 


La tcnica de control escalar con relacin V/f constante puede ser implementada tanto en lazo abierto como en lazo cerrado. El control V/f en lazo abierto es adecuado para controlar el estado estable de aplicaciones simples, como ocurre con bombas, compresores y ventiladore, donde los cambios ocurren de manera no tan severa. Esta tcnica no es muy recomendada en procesos donde ocurre lo siguiente (Rinkevičienė & Batkauskas, 2009):

-              Aplicaciones donde se desea operar en bajas velocidad (menos de 10 Hz), debido a que el torque en bajas velocidades es pobre porque la cada de voltaje en el estator afecta significativamente la corriente generadora de flujo. Es por esto que muchos variadores de velocidad incluyen la opcin de compensador de voltaje para potenciar la relacin V/f en el arranque, mejorando as el flujo y consecuentemente el torque de arranque.

-              Aplicaciones que requieren un desempeo dinmico superior.

-              Aplicaciones que requieren un control directo del torque, ms que la frecuencia.

Cuando se desea tener una mayor precisin en el control de la velocidad, se puede implementar el control V/f en lazo cerrado mediante un compensador del deslizamiento. La principal desventaja del control escalar en lazo abierto es que no logra controlar el torque, por lo que si el torque de la carga cambia, la velocidad del motor tambin cambia (Habbi, Ajeel, & Ali, 2016).

Modulacin por vector espacial (SVM)

Existen varias tcnicas PWM, y en inversores del tipo PWM-VSI las dos tcnicas ms utilizadas son: Modulacin de Ancho de Pulso Senoidal (Sinusoidal PWM, SPWM), y Modulacin por Vector Espacial (Space Vector Modulation, SVM) (Kumar et al., 2010; Shayaa & Tawfik, 2014). La SVM, la cual tambin es conocida como Modulacin de Ancho de Pulso por Vector Espacial (Space Vector Pulse With Modulation, SVPWM), presenta algunas ventajas frente a la SPWM, las cuales se describen a continuacin:

-              Mejor utilizacin del voltaje del enlace DC, ya que la tcnica SVM puede usar hasta un 15% ms del voltaje del enlace DC frente a la tcnica SPWM. (Mudassir, Ismail.B, Khan, & Azam, 2015; Thorat, Waware, Shingade, & Matre, 2014).

-              Menor distorsin armnica total (THD) (Ahmed & Ali, 2013; Ojha, Pandey, & Systems, 2016; Sharma & Garg, 2014).

-              Mayor factor de potencia (Ahmed & Ali, 2013; Mudassir et al., 2015).

-              Menores prdidas en la conmutacin (Biabani & Ali, 2016; Sharma & Garg, 2014).

La Figura 6 muestra el concepto de la SVM para el sistema de control de un inversor trifsico conectado a un motor de induccin, conformado por de seis elementos conmutadores. Existen 8 configuraciones vlidas de conmutacin, y cada configuracin produce una tensin especfica en los terminales de la mquina. Estas tensiones son vectores espaciales bsicos, y estn representados en magnitud y direccin en un hexgono de vectores espaciales, tal como se muestra en la Figura 7. Los estados de conmutacin que corresponden a los vectores bsicos (para la direccin) y a los vectores nulos (para la magnitud), se combinan para aproximar un vector de tensin de cualquier magnitud, en cualquier posicin, dentro del hexgono de vectores espaciales. Por ejemplo, por cada periodo PWM el vector de referencia de tensin Vref se promedia usando una secuencia de conmutacin de dos vectores espaciales adyacentes (V3 y V4) por un periodo de tiempo especificado, y un vector nulo (V7 o V8) durante el resto del periodo (MathWorks, 2021b).

Controlando la secuencia de conmutacin, y por consiguiente el tiempo de activacin de los pulsos, se puede obtener cualquier vector de tensin con magnitud y direccin variantes para cada periodo de PWM. El objeto de la tcnica SVM es generar secuencias de conmutacin que correspondan con el vector de tensin de referencia para todos los periodos de PWM, y de esta forma obtener un vector espacial en rotacin continua (MathWorks, 2021b). Por cada periodo de PWM, con el vector de tensin como referencia de entrada, el algoritmo SVM realiza lo siguiente:

-              Calcula los tiempos de activacin y desactivacin basndose en el vector de tensin de referencia.

-              Utiliza tiempos de compuerta para generar las formas de onda de modulacin de doble cresta.

-             

Figura 6.

Concepto de la modulacin SVM en inversor trifsico conectado a motor.

Nota. Los estados de los conmutadores S2, S4 y S6 son complementarios a S1, S3 y S5. Adaptado de Modulacin de vector espacial (SVM) para sistemas de control de motores por MathWorks (2021b)


Utiliza tiempos de compuerta para generar pulsos de compuerta adecuados para los conmutadores del inversor.

 

Figura 7.

Hexgono de vectores espaciales de la tcnica SVM.

Nota. Hexpagono de vectores espaciales con vectores bsicos V1-V6 y vectores nulos V7 V8. Adaptado de Modulacin de vector espacial (SVM) para sistemas de control de motores por MathWorks (2021b)

 

Figura 8.

Funcionamiento del algoritmo SVM.

Nota. Arriba, seales de tensin de referencia con SVM. Abajo, Generacin de pulsos de compuerta como resultado de comparar la onda moduladora con la onda portadora. Adaptado de Modulacin de vector espacial (SVM) para sistemas de control de motores por MathWorks (2021b)

 

La onda de tensin generada con una doble cresta mostrada en la Figura 8, maximiza la utilizacin de la tensin del enlace DC disponible. Esto proporciona una mejor salida de tensin nominal si se compara con la tcnica SPWM (MathWorks, 2021b). Finalmente las seales de compuerta generadas son aplicadas a los conmutadores del inversor trifsico para el accionamiento del motor a la velocidad o par deseado.

 

Anlisis y discusin de resultados

Para las simulaciones se consider un motor de induccin trifsico tipo jaula de ardilla, con valores nominales de 3 HP, 220 Vrms, 60 Hz y 1725 r.p.m. En la Figura 9 se presenta la respuesta dinmica de la velocidad y el torque, para una carga nominal de 7 N.m. constante.

 

Figura 9.

Respuesta dinmica de la velocidad y el torque para carga de 7 N.m. constante

(a) (b) (c) (d)

Nota: (a) conexin directa a la red (velocidad nominal fija). (b) variador de velocidad sin compenzacin del deslizamiento (lazo abierto). (c) variador de velocidad con compensazin del deslizamiento (lazo cerrado). (d) variador de velocidad con compensacin del deslizamiento y compensacin de voltaje en bajas velocidades del 7%. Para los casos de variador de velocidad el set-point se fij en 1700 r.p.m. (178 rad/s)

 

 

La Figura 9a corresponde con el motor de induccin operando a condiciones nominales, con conexin directa a la red mediante arranque directo. Aqu se aprecia el deslizamiento caracterstico de las mquinas asincrnicas. En Figura 9b ya se opera con variador de velocidad con rampa de aceleracin/desaceleracin de 1800 rpm/s, con un set-point de velocidad de 1700 rpm (178 rad/s), y el sistema de control en lazo abierto, razn por la que se observa un considerable error de velocidad, y por lo tanto gran deslizamiento. En la Figura 9c se cierra el lazo de control mediante el compensador de deslizamiento (controlador PI), con esto se logra corregir el error de velocidad. En los dos casos anteriores se aprecia que en los primeros 200 milisegundos la velocidad toma valores negativos, producto del insuficiente torque en velocidades menores a 10 Hz (debido a la relacin V/f constante). En la Figura 9d se corrige el problema anterior, configurando un 7% de compensacin de voltaje para bajas velocidades. Se observ que si el torque de la carga aumenta, y no se realiza compensacin de voltaje para bajas velocidades, el torque del motor no logra cubrir el torque de la carga y no se produce velocidad.

 

En la Figura 10 se aprecia la respuesta dinmica del sistema para una carga de torque variable, entre 1 y 7 N.m, con referencia de velocidad en 1700 rpm (178 rad/s). Cuando se opera en lazo abierto, a mayor torque de carga mayor deslizamiento y mayor error de velocidad. Cuando se cierra el lazo de control el error de velocidad en estado estable es cero.

 

Figura 10.

Respuesta dinmica de la velocidad y el torque para carga entre 1 y 7 N.m.

(a) (b)

Nota: (a) operacin en lazo abierto. (b) operacin en lazo cerrado (con compensacin del deslizamiento). Para ambos casos una compensacin de voltaje para bajas velocidades del 7%.

 

 

En la Figura 11 se presenta la operacin continua a varias velocidades, para un torque de carga constante de 7 N.m.

Figura 11.

Respuesta dinmica de la velocidad y el torque para diferentes velocidades

(a) (b)

Nota: (a) operacin en lazo abierto. (b) operacin en lazo cerrado (con compensacin del deslizamiento). Para ambos casos una compensacin de voltaje para bajas velocidades del 7%.

 

En la Figura 12 se aprecian las formas de onda de las corrientes y los voltajes durante el proceso de arranque del motor de induccin. La Figura 12a corresponde con el arranque directo mediante conexin directa a la red, proceso que dura aproximadamente 250 ms (15 ciclos). Se observa que la corriente de arranque es aproximadamente 10 veces la corriente en estado estable. Por otro lado, la Figura 12b muestra el proceso de arranque mediante rampa de aceleracin de 1800 rpm/s, provista por el variador de velocidad. En este segundo caso se observa que la corriente de arranque se reduce algo ms de la mitad, comparado con el mtodo de arranque directo.

Las formas de onda de los voltajes y las corrientes en estado estable, tanto en la entrada del variador como del motor, son como se muestran en la Figura 13, donde se puede apreciar claramente la distorsin armnica.

 

Figura 12.

Corrientes y voltajes en el arranque

(a)

(b)

Nota: a) arranque directo, carga nominal de 7 N.m constante (b) arranque con variador de velocidad, carga nominal de 7 N.m constante, set-point de velocidad en 1700 rpm, rampa de aceleracin de 1800 rpm/, con compensacin del deslizamiento y del voltaje en bajas velocidades.

 

 

Figura 13.

Corrientes y voltajes en estado estable cuando se opera con variador de velocidad

Nota: Carga nominal de 7 N.m, y velocidad de 1700 rpm.

 

 

La Tabla 1 presenta los indicadores de la distorsin armnica total (THD), el cual puede ser obtenido mediante la transformada rpida de Fourier (FFT), herramienta que forma parte del bloque especializado powergui de Simulink.

 

Tabla 1

Distorsin Armnica Total (THD)

 

THD de Corriente

THD de Voltaje

Lnea

Motor

Lnea

Motor

38,72

23,93

8,39

55,11

 

Nota. Valores expresados en %

 

La operacin con variador de velocidad afecta la calidad de la energa tanto del lado de la red elctrica, como del motor de induccin. La solucin para reducir las armnicas es la implementacin de filtros a la entrada y la salida del variador de velocidad.

 

Conclusiones

En el presente trabajo se estudiaron los modelos de los componentes de potencia y control de un accionamiento de velocidad variable, conformado por motor de induccin trifsico y variador de velocidad, comandados por el control escalar con relacin V/f constante combinado con la tcnica de modulacin de vector espacial (SVM). Los modelos fueron obtenidos del bloque Drive AC2 de la biblioteca Specialized Power System de Simulink, Matlab. Se simularon varios escenarios operativos para el anlisis del desempeo. Una ventaja de operar con variador de velocidad es que la rampa de aceleracin reduce notablemente la corriente de arranque, frente al arranque directo. Se observ que la operacin en lazo cerrado con compensacin del deslizamiento tiene un mejor desempeo que la operacin en lazo abierto, logrando corregir el error de velocidad, pero se requiere un tacogenerador para tener la retroalimentacin de la velocidad. Adems, en bajas velocidades se debe realizar una compensacin de voltaje para que el motor pueda producir el torque suficiente para mover la carga. Una desventaja es la produccin de armnicos que se genera tanto en la red como en el motor, pero esto puede ser mejorado mediante la implementacin de filtros de armnicos. Esta tcnica de control es adecuada en aplicaciones con bajos requerimientos dinmicos, como bombas, compresores y ventiladores; en otras aplicaciones ms exigentes se deben estudiar la implementacin de otras estrategias de control que brinden un mejor desempeo.

Referencias

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