Electricidad

Conceptos relativos a las instalaciones eléctricas

El control vectorial o control de campo orientado es una estrategia usada para dirigir un inversor de frecuencia variable y lograr control desacoplado de par motor y flujo magnético en motores AC.

El principio de control de campo orientado fue introducido a finales de la decada de 1960 y principos de 1970 por K. Hasse en la TH de Darmstadt y F. Blaschke de la Compañía Siemens.¹

Puede decirse que este método de control permite modelar un motor AC como uno de corriente continua para controlarlo de manera semejante, es decir, controlar de manera independiente la magnetizacion de la máquina y el torque desarrollado.La corriente alimentada a un motor AC puede ser manejada como un vector rotando. Si se considera este vector en un marco de referencia que también esté rotando con una velocidad angular igual a la frecuencia síncrona de la máquina, se puede separar en sus componentes reales e imaginarios, siendo correspondientemente, uno proporcional al flujo magnético que origina la rotación y el otro componente proporcional al par generado por el motor eléctrico.

La corriente alterna aplicada a las fases del estator genera un campo magnético rotatorio. Desde una referencia fija, por ejemplo, el estator de referencia, el campo magnético parace una cantidad variable. Sin embargo, con un marco de referencia rotatorio, girando a la misma velocidad del campo magnético, su magnitud parece constante. ² Bajo esta perspectiva se pueden obtener dos componentes del fasor de corriente, de manera que cada componente controla independientemente el par y la magnetización de la máquina.

El control vectorial es un control centrado en el flujo (Flux Oriented Control).
En este post se explicarán los fundamentos de este tipo de control. Cabe decir… que en la práctica no es necesario conocer la teoría de control del flujo, pero tal vez resulte interesante…, y nos podrá servir para entender cuándo no  utilziar variadores ‘escalares’ y porqué estos últimos són más ‘economicos’ que los primeros.

En una cierta ‘referencia vectorial privilegiada’ se cumple que el par motor es directamente proporcional a la corriente. El control vectorial… se basa en  una serie de transformaciones algebraicas que permiten trabajar sobre esa referencia ‘especial’ en la que podemos ‘ver’ directamente con  la corriente  de par.

En esa referencia ‘privilegiada’ podemos ‘asemejar’ el motor de inducción a un motor de continua.  Par= K*Iq   (siendo Iq la corriente de par)
Vamos por pasos…

La suma vectorial de las corrientes del sistema trifásico del estator da como resultado un vector corriente que se utilizará para :

• Generar Par
• Generar corriente inducida en el rotor. (y a su vez flujo en el rotor)

Es decir… tenemos tres vectores de corriente (que varían con el tiempo) … uno por fase… I_U(t), I_V(t), I_W(t), que sumados… nos daran una corriente resultante I_Stator(t) (que varía con el tiempo) .

La corriente I_Stator a su vez se puede proyectar adecuadamente sobre el eje U (el de la fase I_U(t)) y un nuevo eje ‘imaginario’  ortogonal a U.Este es un simple artilugio matemático para pasar de tres vectores de corriente a dos vectores:

• El primero I_a(t) sobre el eje U
• El segundo I_b(t) sobre el eje ortogonal

Esta transformación (llamada de Clarke) no es la más importante… se trata de  un paso intermedio.

Si se tratara de un juego de magia, un juego de cartas… ahora… damas y caballeros es cuando se les pediría que prestaran más atención, pues ahora llega el truco final…

¿Porqué gira un motor de inducción?…  porque el flujo del rotor intenta ‘alcanzar’ al flujo del estator, existe pues un desfase (deslizamiento) entre stator y rotor.

El truco final es la transformación a los vectores d-q , (llamada de Park) consite en proyectar las corrientes I_a(t), I_b(t)  sobre una nueva base, solidaria al vector flujo del rotor … y… no es un truco cualquiera… puesto que… de este modo.. hemos conseguido pasar de tres corrientes trifásicas a dos:

• Una siempre alineada con el flujo del rotor,la corriente de flujo (Id)
• Otra ortogonal a la misma, dedicada a generar par. (Iq).

De este modo, ahora el convertidor es capaz de controlar de una forma eficiente la corriente destinada a par, por tanto es posible reaccionar de una forma muy fina ante una variacion en la demanda de par o, directamente aplicar par prácticamente constante durante todo el rango de operación (recordemos que en el control escalar… el par a bajas vueltas… nos cae por los suelos…)

Esto está muy bien… pero… queda álgo pendiente…

¿Cómo calculamos el ángulo de deslizamiento?

El cálculo del deslizamiento es fundamental para poder alinear el vector ‘I_d’ con el flujo del rotor y así hacer cierto que la corriente de par se corresponda con el vector ortogonal ‘I_q’.

Existen varios métodos para poder calcular o estimar este ángulo.

• Los variadores vectoriales llamados de lazo abierto, sensorless vector,.., ‘estiman’ el valor del ángulo sin utilizar sistemas de realimentación adicionales (como un encoder…).
• Los variadores vectoriales con lazo cerrado, precisan de un sistema de realimentación (generalmente encoder o resolver) para determinar (que no estimar..) el desplazamiento entre estator y rotor.

En un varidor sin realimentación… nos ahorramos el coste del encoder… pero… el resultado… dependará de la ‘bondad’ del algoritmo utilizado por el fabricante del equipo.