Control de velocidad de motores de inducción

El control de velocidad de motores de inducción es un proceso que consiste en manipular corrientes para regular la velocidad en motores de inducción. Aunque se utilizan a menudo en aplicaciones de frecuencia fija, los motores de inducción son habituales en aplicaciones de frecuencia variable, como accionamientos industriales y vehículos eléctricos. En el caso del funcionamiento con frecuencia variable, un inversor modula la corriente dirigida a los devanados del estátor.

Los motores de inducción funcionan mediante un acoplamiento de campos magnéticos en el estátor y el rotor. Las corrientes del estátor producen un campo magnético giratorio que induce corrientes y un campo magnético desfasado en el rotor. La interacción entre los campos magnéticos hace que el rotor gire a una velocidad angular inferior a la velocidad de rotación del campo del estátor. Este desfase de rotación, que se conoce como deslizamiento, proporciona par motor en el eje del motor. Si se aumenta la carga del motor, aumentarán el deslizamiento y el par motor.

En el caso de un motor de inducción de tipo jaula de ardilla, el control de velocidad mediante control de campo orientado (FOC) regula I_d e I_q de modo que el flujo es proporcional a I_d y el par motor es proporcional a I_q. Este enfoque aumenta el rango de velocidad y mejora el rendimiento en régimen dinámico y estacionario. Simulink^® permite utilizar la simulación multifrecuencia para diseñar, ajustar y verificar algoritmos FOC en todo el rango de funcionamiento del motor antes de realizar pruebas de hardware.

Este diagrama de Simulink muestra un algoritmo FOC habitual para controlar la velocidad de un motor de inducción de tipo jaula de ardilla trifásico.

Los principales componentes de las estrategias de control de motores de inducción son los siguientes:

• Lazo interno (proporcional integral, o PI)
  • Control de corriente del eje q: regula la corriente del eje q para controlar el par motor eléctrico aplicado al motor
  • Control de corriente del eje d: en el control de debilitamiento de campo, regula la corriente para reducir el flujo del eje d y permitir que el motor gire por encima de su velocidad de referencia a expensas del par motor
• Lazo exterior (PI): lazo de control de velocidad de motores de inducción. Este lazo tiene una tasa de muestreo más lenta que el lazo interno (control de corriente) y genera un punto de referencia de par motor. El punto de referencia se procesa para crear la referencia de corriente del eje d y del eje q para el lazo interno
• Transformadas de Clarke, de Park y de Park inversa: realizan conversiones entre los marcos síncronos estacionario y rotatorio
• Estimación de la velocidad de deslizamiento: dado que los motores de inducción son asíncronos, se estima el deslizamiento entre la frecuencia del estátor y del rotor para calcular la velocidad síncrona y la posición del rotor
• Modulación de vector espacial (SVM): genera pulsos modulados para controlar los conmutadores de la electrónica de potencia del inversor
• Sensor de velocidad: la velocidad del motor de inducción se puede medir con un codificador de cuadratura u otro sensor. En el caso del control sin sensores de un motor de inducción, un algoritmo basado en observadores sustituye al sensor físico y estima la velocidad del motor en tiempo real.

Simscape Electrical y Motor Control Blockset proporcionan ejemplos de desarrollo de modelos de simulación de un motor de inducción y de control de campo orientado para el control de velocidad de motores de inducción. Simular el control de velocidad de motores de inducción con Simulink ayuda a reducir las pruebas con prototipos y permite verificar la solidez de los algoritmos de control ante condiciones de fallo que resulta poco práctico probar en hardware.

Con Simscape Electrical y Motor Control Blockset, los ingenieros de control de motores desarrollan sistemas de control de velocidad de motores de inducción mediante:

• Modelado de motores de inducción, inversores y controladores de velocidad y corriente
• Ajuste automático de las ganancias de los lazos de control de velocidad de motores de inducción con técnicas de diseño de sistemas de control
• Diseño de algoritmos de observador para estimar la posición y la velocidad del rotor.
• Simulación de los modos de arranque, parada y error, y diseño de lógica de reducción y protección para garantizar un funcionamiento seguro
• Ejecución de simulaciones de lazo cerrado del motor y del controlador para probar el rendimiento del sistema en escenarios de funcionamiento normal y anormal
• Generación de código C y HDL optimizado para el procesador, ANSI o ISO a partir del modelo para prototipado rápido, pruebas de hardware-in-the-loop e implementación en producción