Introducción al control de debilitamiento de campo

El debilitamiento de campo, o debilitamiento de flujo, es una técnica para aumentar la velocidad de un motor eléctrico por encima de su capacidad nominal, a expensas de reducir el par motor. El debilitamiento de campo se utiliza para controlar motores en aplicaciones de automatización y para controlar motores de tracción en vehículos y trenes eléctricos, para lograr una mayor velocidad del motor cuando es admisible disponer de menos par motor.

El motor síncrono de imanes permanentes (PMSM) es de uso frecuente en estas aplicaciones, debido a su alta densidad de potencia, gran velocidad y rápida respuesta dinámica.  Sin embargo, la velocidad de los PMSM es limitada cuando la tensión del terminal del estátor alcanza el límite de salida del inversor.  Por lo tanto, para aumentar la velocidad del eje de un PMSM por encima de su capacidad nominal es necesario recurrir al debilitamiento de campo.  Una forma de aumentar la velocidad del motor es regular la electrónica de potencia del inversor para manipular las corrientes de los ejes d y q del estátor y contrarrestar así el flujo magnético del entrehierro que generan los imanes del rotor.

El control de debilitamiento de campo implica reducir el flujo resultante del eje d, \(\ lambda_{d}\), disminuyendo el efecto del enlace de flujo del entrehierro resultante asociado a los imanes permanentes, \(\lambda_{pm}\). Esto se logra accionando a negativo la componente de la corriente del estátor del eje d de magnetización del PMSM, como se muestra en la Figura 1.

La curva característica de la velocidad de par motor de la Figura 2 muestra que la fuerza contraelectromotriz del motor (tensión del estátor) aumenta de forma proporcional a la velocidad del motor. Este comportamiento ocurre en la región de par motor constante del PMSM, donde el control de campo orientado (FOC) es una forma aceptada de regular el motor. No obstante, cuando la velocidad sigue aumentando, la tensión aplicada alcanza el máximo y la tensión contraelectromotriz supera la tensión aplicada, lo que impide que aumente la velocidad del motor. Para aumentar la velocidad del motor por encima de su velocidad de referencia se utiliza el modo de debilitamiento de campo mientras se mantiene una potencia de salida constante, que es el producto del par motor y la velocidad del motor. Durante el debilitamiento de campo, el motor puede girar más rápido a la tensión máxima disponible, a expensas de reducir el par motor máximo.

La Figura 3 ilustra la operación de control de debilitamiento de campo como la intersección de la elipse del límite de tensión y el círculo del límite de corriente en la parte izquierda del plano de corrientes del estátor (i_d, i_q).

Para comprender el debilitamiento de campo, se pueden evaluar las trayectorias de los vectores de corriente con trayectorias que acoten la región de debilitamiento de campo OABC. La trayectoria I a lo largo de OA es la curva del máximo par motor por amperio (MTPA), donde se puede lograr el MTPA manipulando la trayectoria del vector de corriente para que coincida con la curva OA. La trayectoria II sigue el círculo del límite de corriente de A a B. El límite de corriente viene definido por las restricciones del bus de CC y la electrónica de potencia. La trayectoria III representa el debilitamiento de campo profundo a lo largo de BC, la curva del máximo par motor por voltio (MTPV). Durante la operación de MTPV, el motor genera la velocidad y el par motor máximos permitidos dentro de la elipse de restricción de tensión, que está acotada por el bus de CC. Independientemente de la respuesta de régimen transitorio del par motor, las trayectorias de debilitamiento de campo optimizadas o los puntos de funcionamiento siempre se encuentran dentro del área gris.

La Figura 4 muestra el diagrama de bloques en el nivel de sistema correspondiente al control de debilitamiento de campo de un motor PMSM en Simulink^®. El lazo de control de velocidad externo genera un comando de par motor como entrada para el bloque de control de debilitamiento de campo con MTPA. El lazo de corriente interno está compuesto por las transformadas de Clarke y de Park y un generador de vectores espaciales.

Motor Control Blockset™ proporciona ejemplos de referencia que muestran el control de debilitamiento de campo y el despliegue de la generación de código para ayudarle a implementar el control de debilitamiento de campo con Simulink.

Para obtener más información sobre cómo diseñar e implementar algoritmos de control de motores, consulte Motor Control Blockset y Simscape Electrical™.