Implantación de técnicas de control vectorial mediante Simulink Francisco Aragoncillo Hernán. Fidel Fernández Bernal

Transcripción

1 Resumen Título Autor Directores Implantación de técnicas de control vectorial mediante Simulink Francisco Aragoncillo Hernán Juan Luis Zamora Macho Fidel Fernández Bernal Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 1

2 Introducción. El presente proyecto nace con la idea de implantar un control vectorial en un sistema PWM del laboratorio de máquinas eléctricas para regular la velocidad de motores de inducción que funciona con control escalar. Para ello se procederá mediante un método de ingeniería inversa al análisis del funcionamiento interior del variador Unidrive de Control Techniques y posteriormente se modificará su funcionamiento normal mediante el control del variador con un PC y una tarjeta interface, que se encargará de dar las órdenes al variador para que actúe según los mandatos emitidos desde el PC con Simulink. Solución planteada. Para poder implantar un control vectorial paralelamente al escalar se va a emplear una tarjeta interfaz desarrollada por el Departamento de Electrónica y Automática de la Universidad Pontificia Comillas. Esta tarjeta se introduce dentro del ordenador y comunica a este con el variador. De esta forma las señales lógicas mandadas desde el PC se adecuarán a los niveles con los que funciona la placa de control del variador Unidrive, y así posteriormente se podrá implantar el control vectorial. Esta tarjeta de interface se programa con Matlab y se maneja desde Simulink. Para su puesta en marcha el programa Matlab tiene que emplear un sistema en tiempo real basado en el Real Time Windows Target de MatLab. Las ventajas que aporta este control sobre un control escalar es que ofrece mejores prestaciones y control que el escalar, pero en contra tiene que es más sofisticado y más caro. El control vectorial es algo que ya se está llegando a implantar en multitud de máquinas, tanto de aplicación industrial: motores de fábricas, de grúas, etc. como en el entorno doméstico: aparatos de aire acondicionado con tecnología inverter, etc. Sin olvidar la Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 2

3 gran importancia que tiene en el sector del transporte: locomotoras de trenes, en el metro, en los coches y autobuses híbridos, etc. Implantación. La implantación completa de un sistema de control vectorial, en el variador comercial del Laboratorio de Máquinas Eléctricas no pudo completarse, debido a que durante su manipulación, mediante un método de tecnología inversa, se produjo una avería en la placa integrada principal del variador. El variador quedó fuera de servicio, y su reparación no era posible en un plazo de tiempo lo suficientemente pequeño, como para que el desarrollo normal del proyecto, pudiera seguir su curso sin un retraso importante, por lo que el proyecto ha tenido que ser replanteado. En el Esquema 1, puede verse el planteamiento que se realizó, para poder implantar el control vectorial en el variador de Control Techniques, en el Esquema 1. INTELIGENCIA 1ª Posibilidad Multiplexor DRIVERS 2ª Posibilidad Interruptor con relés Variador V/f Driver del variador Inversor PC Tarjeta PWM Driver DEA Esquema 1 Como primera posibilidad de modificación, dados los componentes de interface de que se dispone, se contempló analizar la placa de Control Techniques que integra el driver del variador, para poder utilizar ese driver para control V/f y control vectorial ( Fotografía 1). De esta manera, se evita el tener que emplear unos drivers comprados, o una tarjeta driver diseñada por el departamento de Electrónica, Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 3

4 para poder controlar los IGBT, que constituyen los componentes de electrónica de potencia del inversor y que necesitan de un sistema de drivers específicos, para poder funcionar correctamente ( Fotografía 2). En esta posibilidad, hay que colocar un multiplexor en la placa integrada de control del variador, para poder conmutar las señales lógicas que manda el control escalar del propio variador, con las señales lógicas que se van a mandar desde un PC, pasando por una tarjeta interface para PWM. Zona de la placa donde se encuentran integrados los drivers. Fotografía 1 Las doce entradas al inversor, hay 4 por cada IGBT. Fotografía 2 Como segunda posibilidad en la modificación del variador, hay que analizar el funcionamiento de una tarjeta driver diseñada por el Departamento de Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 4

5 Electrónica y Automática (DEA). Así se prescinde de los drivers que lleva integrados el variador en la placa, y se utiliza el puente inversor del variador, evitando tener que analizar en detalle la placa, de la que no se dispone esquema alguno. En este caso, la conmutación entre el control desde variador y el control desde PC se realizará mediante una placa adicional al variador. En esta placa, un grupo de relés realizan la conmutación del las doce señales de entrada, 4 señales por cada IGBT, entre el driver diseñado por el DEA, que será gobernado desde un PC, y el driver que utiliza el propio variador con su control V/f. Ordenador. Para la implantación en el ordenador de un control vectorial, se ha tenido que emplear el programa MATLAB. Y dentro de éste, el módulo Simulink, para poder programar la tarjeta diseñada por el departamento de electrónica, para hacer de interface entre el PC y los sistemas de electrónica de potencia, que tiene el variador para el control del motor. El módulo Simulink requiere del Real Time Windows Target de Matlab, para poder ejecutar los programas de control de la tarjeta en tiempo real, y no en tiempo de simulación o en tiempo del sistema operativo (Windows), atendiendo a sus numerosas interrupciones. Con la tarjeta interface se van a realizar dos funciones distintas: Mandar señales al sistema PWM del variador, para controlar la velocidad del motor y otros parámetros. Recibir la velocidad a la que gira el eje del motor, a través de un encoger, que recogerá esa información y la mandará a una entrada de la tarjeta. Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 5

6 Summary Title Author Directors Vector control techniques implementation using Simulink Francisco Aragoncillo Hernán Juan Luis Zamora Macho Fidel Fernández Bernal Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 6

7 Introduction The present project is based on the idea of implementing a vector control on a PWM system of the electric machines laboratory which works only with scalar control techniques. The procedure method will be inverse engineering, analysing how things work inside the Unidrive variable frequency inverter made by Control Techniques. After that, its normal function will be modified by using a PC with Simulink software in order to control the variable frequency inverter with a vector control technique. Set up solution In order to be able to implement an additional vector control inside the variable frequency inverter it has been necessary to develop an interface board which substitutes the logical electronics device that the variable frequency inverter uses to implement the scalar control technique. This board is programmed using Matlab and it can be controlled from Simulink. It is necessary to use the Real Time Windows Target to allow Matlab to control the variable frequency inverter on real time. This project allows you to notice the advantages that a vector control brings compared with a scalar control, which is a cheaper control, but it offers you worse features than a vector control. Nowadays the vector control is becoming commonly used in all kinds of electric machines: industrial appliances: AC motors inside factories, cranes, etc. home appliances: air conditioning with inverter technology, etc. Vector control is very important in the means of transport: trains, subway, in some new cars and hybrid buses, etc. Implant: The implementation of a vector control inside the commercial variable frequency inverter of the electric machines laboratory couldn t be finished successfully, because during the inverse engineering method to study how things work inside it, the main board of the variable frequency inverter broke down leaving it out of order. The repairs Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 7

8 of the variable frequency inverter couldn t be done in time to allow the project to continue with its normal planning, so the project had to be redefined. Next you can see the planning done in order to implement the vector control inside the Control Techniques variable frequency inverter in the diagram 1. CONTROL 1ªPosibility Multiplexor DRIVERS 2ª Posibility Relays switch board V/f Inverter Inverter s Driver Inverter PC PWM interface Board Electronics dep. Driver Diagram 1 The first modifying possibility, since we had some certain kind of components, was analyzing the Control Techniques main board which has the drivers inside it, in order to use that integrated driver to do the scalar control and the vector control (picture 1). This way we don t need to use another drivers or a driver board developed by the electronics department to control the IGBT, which are the power electronics devices that make up the variable frequency inverter and that need a drivers system to work properly (picture 2). At this possibility we need a multiplexor inside the main board, to change between the logical signals that the scalar control sends and the logical signals the PC control sends using an interface board between the PC and the variable frequency inverter. Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 8

9 Board zone where the drivers are integrated Picture 1 The twelve inverter inputs. 4 inputs per each IGBT Picture 2 The second possibility was analyzing a driver board developed by the electronics department, this way we won t need to analyse the main board drivers. In this case the change between the variable frequency inverter and the PC control will be done by using an additional board which will switch the twelve input signals that the variable frequency inverter requires to work (4 signals per each electric branch) between the electronics department drivers which is governed from a PC, and the variable frequency inverter driver to work with scalar control. Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 9

10 Computer The computer s vector control implementation requires the MATLAB software and in particular the Simulink module to program the electronics department board which interfaces between the PC and the power electronics systems that the variable frequency inverter uses in order to control the electric motors. The Simulink module requires the MATLAB Real Time Windows Target to be able to execute the board s control programs in real time. The interface board is needed for two different functions: -Send signals to the variable frequency inverter PWM system in order to control the motor s speed and other parameters. -Receive the motor s rotation speed by using an encoder to catch the rotation speed information. Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 10