Design, Simulation and Implementation of a PMSM Drive System

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Juan José Contreras Cuenca
hace 5 años
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Design, Simulation and Implementation of a PMSM Drive System Thesis for the Degree of Master of Science in Engineering PROYECTO REALIZADO POR: DAVID

1 Design, Simulation and Implementation of a PMSM Drive System Thesis for the Degree of Master of Science in Engineering PROYECTO REALIZADO POR: DAVID VINDEL MUÑOZ División de Electric Power Engineering Departamento de Energy and Environment Chalmers University of Technology Göteborg, Suecia

2 1. Datos de interés Autor: DAVID VINDEL MUÑOZ Título del proyecto: DESIGN, SIMULATION AND IMPLEMENTATION OF A PMSM DRIVE SYSTEM Universidad dónde se ha realizado: CHALMERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY, SE , GÖTEBORG, SWEDEN. Telephone: + 46 (0) Coordinador en universidad de destino: SAEID HAGHBIN Examinador en universidad de destino: OLA CARLSON Cotutor en UC3M: JULIO USAOLA GARCIA Fecha de lectura: Tribunal: 18 de MAYO de 2011 SAEID HAGHBIN como coordinador OLA CARLSON como examinador CARLOS CASTILLO y MARIA CABRÉ como oposición Calificación obtenida: 10 sobre 10 2

3 2. Introducción y alcance Este proyecto fin de carrera es un subproyecto dentro de la tesis de postgrado titulada Integrated isolated charger for plug-in hybrid vehicles llevada a cabo por Saeid Haghbin. Este proyecto consiste en el diseño e implementación de un novedoso motor de doble devanado estatórico, el cual nos permitirá cargar las baterías del vehículo eléctrico cuando este se encuentre conectado a la red, sin necesidad de cargador. Esto ahorra espacio y peso al sistema, y le otorga una mayor sencillez. En particular, el proyecto fin de carrera desarrollado pretendía diseñar un método de control de velocidad para dicho motor, llevar a cabo simulaciones en ordenador para comprobar la validez del método seleccionado y finalmente implementar en el laboratorio un sistema formado por motor, convertidor, diversos sensores y software controlador, con el cual realizar los ensayos oportunos para verificar el funcionamiento práctico del montaje. Para este fin se eligió el control de velocidad por orientación de flujo (en inglés, Flux Oriented Control o FOC). La máquina eléctrica diseñada para el proyecto es un motor síncrono de imanes permanentes (en inglés, Permanent Magnet Synchronous Machine o PMSM) de 2 kw, 6 polos y rotor liso. La peculiaridad de este motor es su doble devanado estatórico. Este nos permite, por medio de una serie de relés capaces de cambiar la configuración eléctrica de los devanados, conectar ambos como uno único para el modo de tracción y separarlos en dos devanados aislados (a modo de transformador) en modo de carga. Para este proyecto, se conectaron como un único devanado en forma de estrella, ya que su uso solo requiere del modo tracción. 3

4 3. Modelado del motor y control de velocidad MOTOR SINCRONO DE IMANES PERMANENTES En la Figura 3.1 se ve la sección del motor, y en ella están indicadas las distintas variables necesarias para el modelo matemático del mismo. Figura 3.1: Sección del motor Las ecuaciones matemáticas usadas para el modelado del motor son las clásicas de una máquina asíncrona de imanes permanentes. Estas, expresadas directamente en un sistema de referencia rotórico (el cual gira a la velocidad de sincronismo) son las siguientes: (3.1) (3.2) 4

5 Dónde: es la tensión en el eje d es la tension en el eje q es la corriente en el eje d es la corriente en el eje q es la Resistencia por fase de los devanados estatóricos es la inductancia por fase de los devanados estatóricos es la velocidad eléctrica del rotor es el flujo creado por los imanes permanents de la máquina También será necesaria para el modelado del motor y el control de velocidad, las ecuaciones mecánicas de la máquina. Estas son las siguientes: (3.3) (3.4) Todas estas ecuaciones son especificas para un motor síncrono de imanes permanentes y rotor liso. En el caso de un motor de polos salientes, las ecuaciones sufrirán ciertas modificaciones. CONTROL DE VELOCIDAD POR ORIENTACION DE FLUJO El método elegido para el control de velocidad (FOC) persigue controlar el flujo magnético y el par desarrollado por el motor, a base de controlar los componentes d y q de las corrientes estatóricas. Para ello, con la información de las corrientes del estator y el ángulo del rotor, se puede controlar el flujo que circula por el entrehierro así como el par desarrollado por la máquina de una forma muy efectiva. Las principales ventajas de este método son su rápida respuesta antes cambios en la carga o variaciones en la referencia de velocidad, así como su mínimo rizado en el par desarrollado. La Figura 3.2 muestra un esquema del controlador de velocidad diseñado. 5

6 Figura 3.2: Esquema del controlador de velocidad. 6

7 En este esquema se puede apreciar el control aplicado. Primero, se compara la referencia de velocidad con la velocidad real del motor. El error obtenido se introduce en un regulador PI (proporcional-integral) de el cual obtendremos el par que hay que tiene que desarrollar el motor para obtener la velocidad requerida. Aplicando la ecuación 3.3, este par se transforma en la referencia de la componente q de la corriente. Por otro lado, la componente d de la corriente, responsable del nivel de flujo en el entrehierro, la fijamos a cero. Esto es así porque vamos a trabajar en un rango de velocidades comprendido entre cero y la velocidad nominal de a máquina, y por tanto, no es necesario debilitar el flujo mágnetico para trabajar a velocidades superiores a la nominal. Una vez obtenidos ambas referencias de corriente, estas serán comparadas con sus valores medidos. Nuevamente los errores se introducirán en sendos reguladores, que gracias a las ecuaciones 3.1 y 3.2, nos devolverán la referencia de tensión. Finalmente, para cerrar el bucle, necesitaremos medir la corriente que circula por los devanados trifásicos (2 fases) y el ángulo del rotor. RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES Las simulaciones han sido realizadas con el software Matlab / Simulink. En un fichero de Matlab se guardaron los datos relativos al motor y controladores y en Simulink se modelizó el motor, el inversor, la generación de pulsos PWM y las transformaciones de un sistema de referencia trifásico a uno giratorio y viceversa. Para el experimento se generó dos escalones en la velocidad de referencia con el objeto de ver la respuesta dinámica de las distintas variables eléctrica y mecánicas del motor. La Figura 3.3 muestra la respuesta del motor ante los dos escalones de velocidad. La Figura 3.4 muestra el par eléctrico desarrollado por la maquina durante la simulación. Las Figuras 3.5 y 3.6 muestran las corrientes estatóricas durante la simulación y un zoom en el momento del escalón. Como se puede apreciar en las gráficas, el sistema de control tiene una respuesta dinámica rápida y precisa. 7

8 Torque (Nm) Mechanical Speed (rad/s) Time (s) Figura 3.3: Velocidad de referencia (azul) y velocidad real (verde) Time (s) Figura 3.4: Par eléctrico desarrollado por el motor. 8

9 Stator Currents (A) Stator Currents (A) Time (s) Figura 3.5: Corrientes trifásicas del estator Time (s) Figura 3.6: Corrientes del estator (zoom en el escalón de velocidad) 9

4. Implementación práctica del accionamiento eléctrico La implementación del sistema descrito anteriormente, se lleva a cabo usando los siguientes elementos: Motor síncrono de 6 polos, 2 kw Inversor

10 4. Implementación práctica del accionamiento eléctrico La implementación del sistema descrito anteriormente, se lleva a cabo usando los siguientes elementos: Motor síncrono de 6 polos, 2 kw Inversor trifásico Sensores de tensión, corriente y ángulo del rotor Interfaz entre sistema físico y ordenador: dspace 1103 Varios sistemas de protección como fusibles e interruptor de señales PWM Todos estos equipos fueron calibrados y testados para comprobar su precisión. Los resultados obtenidos en estos test fueron altamente positivos. La Figura 4.2 muestra un esquema general del montaje. La Figura 4.1 muestra un esquema de los puntos de medida de corrientes y tensiones. Figura 4.1: Medidas de corrientes y tensiones. 10

11 Figura 4.2: Esquema del montaje del accionamiento. 11

12 Los resultados prácticos obtenidos fueron de gran precisión. Estos muestran la capacidad del controlador de ajustarse a una referencia de velocidad predeterminada y variable, así como a variaciones en la carga del eje. Se puede apreciar en las siguientes figuras dicha respuesta. Figura 4.3: Respuesta ante el primer escalón de velocidad 12

13 Figura 4.4: Respuesta ante el segundo escalón de velocidad. Figura 4.5: Corrientes estatóricas en el arranque de la máquina. 13

14 Figura 4.6: Corrientes estatóricas en el escalón de velocidad. 14

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