Aplicación del conjunto de vectoes de ecupeación al esquema de Contol Diecto de Pa paa el Moto de Inducción usando un Convetido Puente Asimético J.A. Restepo, M.I. Giménez, V.M. Guzmán, J.M Alle, J.C. Viola Univesidad Simón Bolíva, Caacas 1080A, Venezuela Resumen En este tabajo se pesenta el compotamiento de un moto de inducción manejado po un Puente Asimético, cuando se aplica uno de los cuato posibles conjuntos de vectoes paa esta topología, denominado de ecupeación, paa ealiza el contol de la máquina mediante la estategia de Contol Diecto de Pa. Los esultados, tanto simulados como expeimentales, se compaan con los obtenidos con oto de los conjuntos, denominado conjunto meno, cuyo desempeño fué epotado en un tabajo anteio. La topología del Puente Asimético alimenta las fases del moto de foma independiente, lo que hace a este convetido menos popenso a fallos, po lo que esulta conveniente conoce en detalle el desempeño de los sistemas que utilizan esta topología y analiza todas las posibilidades que ofecen, paa establece las ventajas y desventajas ente dichas posibilidades y con el compotamiento de los sistemas cuando se utiliza un convetido tifásico convencional. I. INTRODUCCIÓN El poblema de las posibles fallas en la opeación de los convetidoes invesoes clásicos usados paa contola el funcionamiento de los motoes de inducción ha llevado a estudia nuevas topologías a fin de evita estos eventos[1]. Ente las divesas topologías de convetidoes diseñadas paa este fin se encuenta el Convetido Puente Asimético. En el Convetido Puente Asimético, pesentado en la Fig. 1, las fases del moto, alimentadas de foma independiente, se intecalan ente los conmutadoes pincipales de cada una de las tes columnas invesoas, lo cual natualmente impide la ocuencia de un coto cicuito fanco en la baa de coiente continua po opeaciones indebidas de los dispositivos o po fallos en los mismos. Gacias a esta configuación, el Conveso Puente Asimético emplea la misma cantidad de componentes que un inveso convencional paa contola un moto de inducción, lo que le da una ventaja impotante sobe las otas configuaciones que sopotan fallas, las cuales utilizan un númeo de componentes electónicos adicionales que entan en opeación en caso de fallas, aumentando el costo y la complejidad del sistema. Esta topología ya ha sido estudiada po los autoes en un tabajo anteio [7], aplicándola al contol de la máquina de inducción utilizando la técnica de contol diecto de pa, la cual pemite un ajuste ápido del pa y del flujo de estato, es pácticamente independiente de los paámetos de la máquina de inducción y es de fácil implantación con los sistemas de pocesamiento disponibles actualmente [2]. Como se explica en el siguiente punto, las caacteísticas especiales de esta topología dan luga a que se disponga de ventisiete vectoes de contol básicos, en luga de los ocho vectoes caacteísticos de un inveso tifásico de tensión clásico, de los cuales dos casos coesponden al vecto espacial nulo. Los ventisiete vectoes coespondientes a la topología del Convetido Puente Asimético se pueden clasifica en vaios gupos, de acuedo a sus caacteísticas. En el tabajo anteio se hacía uso de uno de dichos gupos, identificado como conjunto meno [7]. En el pesente tabajo se analiza el compotamiento del sistema cuando se aplica el conjunto de vectoes que se ha denominado de ecupeación. Paa ello se pesentan las simulaciones, planteadas con un modelo de la máquina de inducción en vectoes espaciales y ealizadas utilizando una tajeta de pocesamiento basada en el pocesado digital de señales DSP- 21364 de Analog Devices, y las puebas expeimentales, hechas en la platafoma de puebas desaollada en el laboatoio de investigación de la Univesidad Simón Bolíva (PLATAFORMA III) [3], paa veifica la opeación eal del convetido. Fig. 1. Convetido Puente Asimético II. CONVERTIDOR PUENTE ASIMÉTRICO Como se indicó en la Intoducción, en el Convetido Puente Asimético diseñado con IGBTs, el cual se
muesta en la Fig. 1, las fases del moto se alimentan de foma independiente. Una de las caacteísticas esaltantes de esta topología es que debido a su especial configuación, cada fase puede tene los siguientes tes estados: En el pime estado los dos dispositivos están encendidos, con lo cual la bobina queda conectada diectamente a la baa CC, estado que se va a identifica como 1. El segundo estado, o estado de ecupeación, se obtiene apagando los dos dispositivos de la ama y la conducción ocue a tavés de los diodos de dicha ama, estado que se va a identifica como -1. En el tece estado se enciende un dispositivo mientas el oto se apaga, con lo cual los dos extemos de la bobina se conectan al mismo punto de la baa CC, dando luga al estado 0. De foma altenativa, el estado 0 se puede sintetiza pomediando duante tiempos iguales la aplicación de los estados 1 y -1. Los dos últimos estados de opeación equieen que la coiente sea distinta de ceo, paa foza el encendido de los espectivos diodos involucados en el modo de opeación. Debido a lo anteio se dispone de veintisiete posibles estados paa los vectoes espaciales [4], mostados en las Fig. 2 y 3, que se pueden clasifica de la siguiente manea de acuedo a su magnitud: a) Seis vectoes de meno magnitud, identificados como conjunto meno, los cuales utilizan exclusivamente los estados 1 y 0 de las fases, sin inclui en ningún caso el estado -1. b) Seis vectoes de magnitud intemedia, identificados como conjunto medio, paa los cuales a un aollado se le aplica el estado 0, a oto aollado se le aplica el estado 1 y al teceo se le aplica el estado -1. c) Seis vectoes de mayo magnitud, identificados como conjunto mayo, que se obtienen al utiliza solamente los estados 1 y -1 paa las fases. Fig. 3. Conjunto de vectoes espaciales de ecupeación paa el Puente Asimético d) Seis vectoes adicionales, equivalentes a los de meno magnitud, que utilizan los estados 0 y -1 de las fases, y que se van a identifica como vectoes de ecupeación. e) Tes vectoes coespondientes al vecto espacial nulo, dados po las combinaciones (1,1,1), (0,0,0) y (-1,-1,-1) espectivamente. Los vectoes del conjunto meno, mostado en la Fig. 2, son los equivalentes a los empleados en los invesoes tifásicos de tensión clásicos, y fueon los utilizados en un estudio pevio ealizado po los autoes [7]. En el pesente tabajo se utilizan los vectoes de ecupeación, mostados en la Fig. 3, tanto paa ealiza simulaciones como paa obtene esultados expeimentales, los cuales se compaan con los obtenidos en el tabajo indicado anteiomente. III. MODELO DE LA MÁQUINA DE INDUCCIÓN Al igual que en [7], paa la simulación del contolado se ha empleado el modelo de la máquina de inducción en el maco de efeencia del estato, en el sistema de coodenadas d-q-0 [1], [5], el cual pemite hace un seguimiento diecto a las coientes estatóicas que contienen un valo medio difeente de ceo en las fases del moto. A continuación se pesentan las ecuaciones completas en este maco de efeencia: Fig. 2. Conjuntos de vectoes espaciales de voltaje menoes, medios y mayoes paa el Puente Asimético V d dt s s = λ + Rsis (1)
donde: dλ V = + Ri jwλ dt 3 T e = P λs 2 m s ( i ) λs = ( Ls + Lm ) is + L i λ = L i + ( L + L ) i λ λ os o = L i s os = L i o s m m (2) (3) La tansfomación de los valoes instantáneos de las fases a los valoes de las coodenadas d-q-0 se ealiza utilizando la siguiente expesión: donde: (( 4) 1 (5) IV. APLICACIÓN DEL CONTROL DIRECTO DE PAR Paa la aplicación del esquema de Contol Diecto de Pa (DTC) sobe el Convetido Puente Asimético a fin de maneja un moto de inducción, se utilizan en este caso los vectoes de ecupeación como el conjunto básico de los vectoes espaciales a pati de los cuales va a tabaja el sistema de contol. El poceso de contol se lleva a cabo seleccionando uno de los seis posibles vectoes espaciales de tensión en cada peíodo de contol paa mantene el enlace de flujo de estato y el pa eléctico dento de una banda de histéesis. La selección básica de los vectoes espaciales se pesenta en la Tabla I. El vecto de flujo de estato se detemina calculando los enlaces de flujo de cada fase a pati de las mediciones de coiente y voltaje de las fases. Luego se efectúa la tansfomación al sistema de efeencia estacionaio y finalmente, po medio de modulación de pulsos (PWM), se sintetizan los voltajes aplicados a cada una de las fases del moto. El módulo PWM utilizado en este sistema es capaz de contola la duación de aplicación de solamente dos estados: ambos inteuptoes encendidos (estado 1) o ambos inteuptoes apagados, pemitiendo así la conducción de los diodos (estado -1). Debido a esto, el estado 0 se va a sintetiza mediante un ciclo de tabajo de 50%. Las tensiones aplicadas a las fases del moto se obtienen a tavés de la invesa de la tansfomación anteio: ( (6) TABLA I TABLA DE SELECCIÓN DE LOS VECTORES ESPACIALES Ψ Ψ τ τ τ τ S=1 V3 V5 V2 V4 S=2 V2 V1 V6 V5 S=3 V6 V3 V4 V1 S=4 V4 V2 V5 V3 S=5 V5 V6 V1 V2 S=6 V1 V4 V3 V6 La coiente en la máquina siempe debe se mayo que ceo a fin de que se pueda ealiza el contol DTC, po lo que contolando la tensión de secuencia ceo, v 0, se egula el valo medio de dicha coiente paa que sea siempe positiva. El valo de v 0 se puede detemina mediante la expesión siguiente: v 0 = IsRs (7) donde Is es el módulo del vecto especial de la coiente del estato. El esquema del sistema de Contol Diecto de Pa (DTC), simila al utilizado en [7], se muesta en la Fig. 4. El convetido Puente Asimético necesita acceso a la caja de teminales del moto paa pode conectase a los dos extemos de cada una de las bobinas de las tes fases y tes cables adicionales, lo cual podía se un inconveniente fente a la alimentación con un inveso convencional. Fig. 4. Esquema del sistema de Contol Diecto de Pa V. SIMULACIONES Las simulaciones se ealizaon utilizando el sistema ya existente en el laboatoio, constituido po un pocesado Digital de Señales (ADSP-21364), que opea a 320MHz y en el que los modelos se pogamaon en el
ambiente de desaollo del fabicante, VisualDSP++4.5 [6]. Las simulaciones del contolado utilizan las utinas de integación de ecuaciones difeenciales odinaias (ODE) Runge-Kutta de cuato oden y paso fijo. Aún cuando la estategia de contol es independiente paa cada fase, es necesaio evita que el flujo en la máquina se satue. Esto queda aseguado en este contolado po el contol diecto del flujo que poduce el DTC. Las Fig. 5, 6 y 7 muestan espectivamente la coiente de estato de la fase a, el vecto espacial de flujo de estato y el pa eléctico obtenidos en la simulación cuando se utiliza el conjunto de vectoes de ecupeación. A fin de pode establece compaaciones con los esultados del tabajo anteio [7], las Fig. 8 y 9 muestan espectivamente las gáficas de la coiente de estato de la fase a y del pa eléctico obtenidas en la simulación cuando se utiliza el conjunto meno, tomadas del tabajo mencionado. Fig. 7. Pa eléctico obtenido en la simulación cuando se aplican los vectoes de ecupeación Fig. 8. Coiente de estato de la fase a de la máquina de inducción obtenida en la simulación cuando se aplican los vectoes del conjunto meno Fig. 5. Coiente de estato de la fase a de la máquina de inducción obtenida en la simulación cuando se aplican los vectoes de ecupeación Fig. 9. Pa eléctico obtenido en la simulación cuando se aplican los vectoes del conjunto meno Fig. 6. Vecto espacial del flujo de estato obtenido en la simulación cuando se aplican los vectoes de ecupeación Estos esultados pemiten conclui que el izado de las vaiables de la máquina es simila en ambos casos, siendo el izado de pa ligeamente mayo cuando se usan los vectoes de ecupeación.
VI. RESULTADOS EXPERIMENTALES La Fig. 10 pesenta un diagama de la Platafoma de puebas desaollada po el gupo de Sistemas Industiales de Electónica de Potencia (SIEP) de la Univesidad Simón Bolíva. El pocesamiento utiliza el mismo DSP empleado en las simulaciones. Una tajeta de intefaz pemite la comunicación de las señales y vaiables medidas ente la tajeta DSP y el esto del actuado. La intefaz se emplea paa tansfei las señales de dispao equeidas paa contola los tansistoes IGBT del convetido puente asimético. El convetido utiliza seis IGBT de 25A, 600V como dispositivos de conmutación y alimenta a un moto de inducción con oto de jaula de adilla de 220 V, 1 HP, 60 Hz. A fin de compoba la confiabilidad de los esultados poducidos po la Platafoma de Puebas, la Fig. 12 pesenta la coiente medida en la fase a con un osciloscopio Tektonix cuando se aplican los vectoes de ecupeación. Como se puede obseva, la coespondencia es exacta ente esta señal y la obtenida expeimentalmente paa el mismo caso con la mencionada Platafoma (Fig. 11). En el osciloscopio puede deteminase que el pime pico negativo se alcanza a los 0,2s, al igual que lo indicado po el egisto gáfico de la Platafoma. Fig. 10. Diagama de la Platafoma de Puebas En la Fig. 11 se muesta la coiente medida expeimentalmente en la fase a del estato cuando se aplican los vectoes de ecupeación. El esultado obtenido es simila al de la simulación coespondiente, con un nivel de izado ligeamente supeio y una pendiente de aanque más lenta, ya que en el caso expeimental el pime pico negativo se alcanza a los 0,2s mientas que en la simulación apaece a poco más de 0,1s. Fig. 12. Coiente de estato de la fase a de la máquina de inducción obsevada con el osciloscopio cuando se aplican los vectoes de ecupeación Paa completa las compaaciones, la Fig. 13 muesta la coiente medida expeimentalmente en la fase a del estato cuando se aplica el conjunto meno, tomada de [7], la cual pesenta una gan similitud con la de la Fig. 11, demostando que la aplicación de los vectoes de ecupeación va a poduci efectos similaes a los del conjunto meno cuando se utilice dento del esquema de DTC paa contola un moto de inducción utilizando un Puente Asimético. Fig. 11. Coiente de estato de la fase a de la máquina de inducción obtenida expeimentalmente cuando se aplican los vectoes de ecupeación Fig. 13. Coiente de estato de la fase a de la máquina de inducción obtenida expeimentalmente cuando se aplican los vectoes del conjunto meno
La Fig. 14 muesta el vecto espacial de flujo de estato y la Fig. 15 pesenta el pa eléctico, obtenidos expeimentalmente cuando se aplican los vectoes de ecupeación. Las difeencias ente las señales obtenidas en la simulación y los esultados expeimentales se debe pincipalmente a los efectos de segundo oden del modelo y a las difeencias existentes ente los paámetos eales exactos del sistema y los paámetos calculados utilizados en la simulación, especialmente los coespondientes a la pate mecánica, peo sigue existiendo una gan similitud ente los esultados obtenidos con este conjunto de vectoes y los coespondientes a los vectoes del conjunto meno epotados en [7]. Fig. 14. Vecto espacial del flujo de estato obtenido expeimentalmente cuando se aplican los vectoes de ecupeación Fig. 15. Pa eléctico obtenido expeimentalmente cuando se aplican los vectoes de ecupeación VII. CONCLUSIONES Los esultados de las simulaciones y puebas expeimentales demuestan que el conjunto de vectoes de ecupeación tiene un compotamiento simila al conjunto meno de los vectoes disponibles cuando se usa la topología del Puente Asimético paa contola un moto de inducción aplicando la estategia de Contol Diecto de Pa, y que dicho compotamiento se asemeja igualmente al obtenido cuando se utiliza un conveso tifásico convencional, lo cual abe la posibilidad de considea el uso de la topología estudiada cuando las condiciones de seguidad ante posibles fallas po cotocicuito de los dispositivos así lo ameiten. Adicionalmente esta topología ofece la posibilidad de tabaja con cuato conjuntos de vectoes en luga del conjunto único inheente al convetido tifásico convencional, de los cuales ya se han estudiado los dos pimeos y se están ealizando tabajos paa epota el compotamiento del sistema cuando se aplican los vectoes del conjunto medio y los del conjunto mayo. Una vez que se tengan los datos expeimentales del compotamiento del sistema con cada uno de los cuato conjuntos de vectoes, puede estudiase la posibilidad de utiliza en el mismo contol vectoes petenecientes a difeentes gupos paa mejoa el desempeño del moto de inducción contolado po el Puente Asimético aplicando DTC. Sin embago, la componente de coiente continua necesaia paa la opeación del convetido incementa la coiente RMS, educiendo de este modo la potencia nominal, po lo que en cada caso hay que analiza las ventajas y desventajas de las difeentes topologías paa aplica la más conveniente al sistema específico. REFERENCIAS [1] Welchko, B. Lipo, T., Fault Toleant Thee-Phase AC Moto Dive Topologies: A Compaison of featues, Cost, and Limitations. IEEE Tans. on Powe Electonics, vol. 19, No 4, Julio 2004. [2] Takahashi I., Noguchi T., A new quick-esponde and highefficiency contol stategy of an induction moto, IEEE Tans. Ind. Appl., Vol IA-22, No 5 Sept/Oct 1986. [3] Restepo, J. Giménez, M.I. Guzmán, V.M. Alle, J.M. Bueno, A. Millán, A., Platfom III: A new vesion fo the integated test system fo AC machine dives pefomance analysis. Poceedings of the Fouth IEEE Intenational Caacas Confeence on Devices, Cicuits and Systems, ICCDCS-2002, pp. IO36.1-6, Abil 2002. [4] Cheok A.D.,Fukuda.Y, A new toque and flux contol method fo switched eluctance moto dives. IEEE Tans. on Powe Electonics, vol. 17, No 4, Jul 2002, pp. 543-557. [5] Vas, P., Sensoless Vecto and diect toque contol de induccion machines. Oxfod Univesity Pess. 1998, pp. 30-53. [6] VisualDSP++4.5, C/C++ Compile and libay, Manual fo ADSP-21xxx DSPs. Analog Devices Inc., 2005. [7] Cabello, A.; Restepo, J.A; Guzmán, V.M; Giménez, M.I.; Laa, J.; Alle, J.M., Contol Diecto de Pa del Moto de Inducción Usando un Convetido Puente Asimético. Memoias del Seminaio Anual de Automática, Electónica Industial e Instumentación, SAAEI 2007, CD. pp. 177 181, Sept. 200