Introducción al modelado y simulación de motores

El modelado y la simulación de motores ayudan a los equipos de ingeniería a realizar diferentes tareas, desde analizar el rendimiento de un motor en nivel de sistema hasta desarrollar un sistema de control de motor eléctrico detallado. Según la tarea, el modelo de simulación de motor debe representar diferentes efectos físicos. Los equipos de ingeniería de sistemas analizan motores dentro de un sistema más amplio, y necesitan modelos de motores más abstractos que se puedan simular rápidamente y ofrezcan información sobre par motor y potencia. Y los equipos de ingeniería de control de motores necesitan modelos de motores que capturen los efectos de los cambios de tensión y corriente.

Simulink^® y Simscape Electrical soportan varios niveles de fidelidad de modelado y simulación de motores para adaptarse a diversas aplicaciones, tales como dimensionamiento de motores y diseño de control de motores de tracción para vehículos eléctricos. Los diversos niveles de fidelidad de modelos de motores permite seleccionar el nivel de detalle adecuado para cada aplicación específica.

Modelado para diseño de sistemas

El objetivo del modelado y simulación de motores para el diseño de sistemas es capturar el rendimiento del motor en diferentes condiciones de funcionamiento y predecir el consumo de energía del motor en su rango operativo. En este escenario, se utiliza una dinámica simplificada del comportamiento del sistema que implica:

• Ausencia de modulación por ancho de pulsos (PWM) o conmutación de electrónica de potencia
• Modelado basado en energía, equivalente en estado estacionario y mapa de eficiencia

Para este enfoque simplificado de modelado de motores puede utilizar el bloque Motor & Drive (System Level), que representa un motor genérico en un rango de valores de par motor y velocidad. De este modo se consigue una envolvente de par motor-velocidad que captura el comportamiento general del motor y permite que el sistema sea más fácil de modelar y simular, lo que acelera las simulaciones a la vez que ofrece predicciones precisas sobre pérdidas.

Modelado para diseño de accionamientos

El diseño de sistemas de control desempeña un papel esencial en la gestión de velocidad, par motor y consumo de energía de motores eléctricos para aplicaciones de accionamientos industriales. Para priorizar el diseño de control y permitir una simulación más rápida al tiempo que se mantiene la precisión, los equipos de ingeniería desarrollan sistemas de control de motores optimizados y fiables empleando modelos de motores que incorporan:

• Conmutación ideal
• Modelado con parámetros concentrados
• Relación lineal par motor-corriente

Para facilitar el modelado de motores con parámetros concentrados, Simscape Electrical ofrece bloques de motor previamente parametrizados que contienen datos de motor de los fabricantes. Si no existen datos de los fabricantes disponibles, Motor Control Blockset™ permite ejecutar pruebas instrumentadas para estimar valores de parámetros de motores.

Modelado para aplicaciones de motores de tracción

Los modelos de motor de alta fidelidad y precisos permiten replicar comportamientos no lineales en aplicaciones para vehículos eléctricos cuando las pérdidas de energía de un motor de tracción reducen la autonomía de un vehículo. En lugar de un modelo de motor lineal con parámetros concentrados, los equipos de ingeniería pueden incorporar resultados de simulación de motores del método de los elementos finitos (FEM), que incluye correspondencia no lineal entre posición del rotor, enlace de flujo, corriente y par motor. Es posible lograr una simulación de motores con el mayor grado de fidelidad utilizando datos de FEM adicionales, incluidos armónicos espaciales, para facilitar el desarrollo de algoritmos de reducción de oscilación de par motor y optimizar la eficiencia del control de motores. Para representar con precisión sistemas de control de motores de tracción, los equipos de ingeniería utilizan:

• Conmutación no ideal: Modelado basado en la física de semiconductores de potencia.
• Saturación: Dependencia no lineal de corriente o ángulo del rotor.
• Armónicos espaciales: Incluida la oscilación de par motor debido a cogging y armónicos en el enlace de flujo.

El modelado de motores de alta fidelidad ayuda a investigar condiciones de funcionamiento extremas empleando simulación con Simulink. Para lograr modelado de motores de alta fidelidad y cosimulación de modelos de motores para validación, se pueden importar datos de FEA de herramientas de terceros tales como ANSYS Maxwell, Motor-CAD y JMAG-RT en el bloque FEM-Parameterized PMSM de Simscape Electrical.

Para obtener más información sobre modelado y simulación de motores con MATLAB y Simulink, consulte Simscape Electrical y Motor Control Blockset.