¿Qué es el Control Orientado al Campo?

¿Qué es el Control Orientado al Campo?

Definición del Control Orientado al Campo

El control orientado al campo es una técnica sofisticada que gestiona los motores de inducción de corriente alterna controlando independientemente el par y el flujo magnético, similar a los motores de corriente directa.

Principio de Funcionamiento del Control Orientado al Campo

El control orientado al campo consiste en controlar las corrientes del estator representadas por un vector. Este control se basa en proyecciones que transforman un sistema de tres fases dependiente del tiempo y la velocidad en un sistema invariante en el tiempo con dos coordenadas (marco d y q).

Estas transformaciones y proyecciones llevan a una estructura similar a la del control de una máquina de corriente directa. Las máquinas FOC necesitan dos constantes como referencias de entrada: el componente de par (alineado con la coordenada q) y el componente de flujo (alineado con la coordenada d).

Las tensiones, corrientes y flujos de tres fases de los motores de corriente alterna pueden analizarse en términos de vectores espaciales complejos. Si tomamos ia, ib, ic como las corrientes instantáneas en las fases del estator, entonces el vector de corriente del estator se define de la siguiente manera:

Donde, (a, b, c) son los ejes del sistema de tres fases. Este vector de corriente espacial representa el sistema sinusoidal de tres fases. Necesita ser transformado en un sistema de coordenadas invariable en el tiempo. Esta transformación puede dividirse en dos pasos:

(a, b, c) → (α, β) (la transformación de Clarke), que da como salida un sistema de dos coordenadas variantes en el tiempo.

(α, β) → (d, q) (la transformación de Park), que da como salida un sistema de dos coordenadas invariantes en el tiempo.

La Proyección (a, b, c) → (α, β) (transformación de Clarke)Las cantidades de tres fases, ya sean tensiones o corrientes, que varían en el tiempo a lo largo de los ejes a, b y c, pueden transformarse matemáticamente en tensiones o corrientes de dos fases, que varían en el tiempo a lo largo de los ejes α y β, mediante la siguiente matriz de transformación:

Suponiendo que el eje a y el eje α están en la misma dirección y β es ortogonal a ellos, tenemos el siguiente diagrama vectorial:

La proyección anterior modifica el sistema de tres fases en el sistema ortogonal de dos dimensiones (α, β) como se indica a continuación:

Pero estas dos corrientes (α, β) aún dependen del tiempo y la velocidad.La Proyección (α, β) → (d, q) (transformación de Park)Esta es la transformación más importante en el FOC. De hecho, esta proyección modifica el sistema ortogonal fijo de dos fases (α, β) en un sistema de referencia rotatorio d, q. La matriz de transformación se muestra a continuación:

Donde, θ es el ángulo entre el sistema de coordenadas rotatorio y fijo.

Si consideras el eje d alineado con el flujo del rotor, la Figura 2 muestra la relación entre los dos sistemas de referencia para el vector de corriente:

Donde, θ es la posición del flujo del rotor. Los componentes de par y flujo del vector de corriente se determinan mediante las siguientes ecuaciones:

Estos componentes dependen de los componentes del vector de corriente (α, β) y de la posición del flujo del rotor. Si conoces la posición exacta del flujo del rotor, entonces, mediante la ecuación anterior, los componentes d, q se pueden calcular fácilmente. En este instante, el par se puede controlar directamente porque el componente de flujo (isd) y el componente de par (isq) son independientes ahora.

Módulo Básico para el Control Orientado al Campo

Se miden las corrientes de las fases del estator. Estas corrientes medidas se alimentan al bloque de transformación de Clarke. Las salidas de esta proyección se denominan isα e isβ. Estos dos componentes de la corriente entran en el bloque de transformación de Park que proporciona la corriente en el marco de referencia d, q. 

Los componentes isd e isq se comparan con las referencias: isdref (la referencia de flujo) e isqref (la referencia de par). En este instante, la estructura de control tiene una ventaja: se puede utilizar para controlar tanto máquinas síncronas como de inducción simplemente cambiando la referencia de flujo y rastreando la posición del flujo del rotor. En el caso de PMSM, el flujo del rotor está fijado por los imanes, por lo que no es necesario crear uno. 

Por lo tanto, al controlar un PMSM, isdref debe ser igual a cero. Como los motores de inducción necesitan la creación de un flujo del rotor para operar, la referencia de flujo no debe ser igual a cero. Esto elimina fácilmente una de las principales deficiencias de las estructuras de control "clásicas": la portabilidad de los accionamientos asincrónicos a los síncronos. 

Las salidas de los controladores PI son Vsdref y Vsqref. Se aplican al bloque de transformación inversa de Park. Las salidas de esta proyección son Vsαref y Vsβref, que se alimentan al algoritmo de modulación de ancho de pulso por vector espacial (SVPWM). Las salidas de este bloque proporcionan señales que controlan el inversor. Aquí, tanto las transformaciones de Park como las inversas necesitan la posición del flujo del rotor. Por lo tanto, la posición del flujo del rotor es esencial en el FOC.

La evaluación de la posición del flujo del rotor es diferente si consideramos el motor síncrono o de inducción.En el caso de los motores síncronos, la velocidad del rotor es igual a la velocidad del flujo del rotor. Entonces, la posición del flujo del rotor se determina directamente por un sensor de posición o por la integración de la velocidad del rotor.

En el caso de los motores asincrónicos, la velocidad del rotor no es igual a la velocidad del flujo del rotor debido al deslizamiento; por lo tanto, se utiliza un método particular para evaluar la posición del flujo del rotor (θ). Este método utiliza un modelo de corriente, que necesita dos ecuaciones del modelo del motor de inducción en el marco de referencia rotatorio d, q.

Diagrama de Bloques Simplificado del FOC Indirecto

Clasificación del Control Orientado al Campo

El FOC para el accionamiento de motores de inducción se puede clasificar ampliamente en dos tipos: FOC indirecto y FOC directo. En la estrategia DFOC, el vector de flujo del rotor se mide ya sea mediante un sensor de flujo montado en el espacio de aire o utilizando las ecuaciones de tensión a partir de los parámetros de la máquina eléctrica.

Pero en el caso de IFOC, el vector de flujo del rotor se estima utilizando las ecuaciones de control orientado al campo (modelo de corriente) que requieren una medición de la velocidad del rotor. Entre ambos esquemas, el IFOC es más comúnmente utilizado porque en modo de bucle cerrado puede operar fácilmente a lo largo del rango de velocidades desde cero hasta alta velocidad con debilitamiento de campo.

Ventajas del Control Orientado al Campo

• Respuesta de par mejorada.

• Control de par a frecuencias y velocidades bajas.

• Precisión dinámica de la velocidad.

• Reducción en el tamaño del motor, costos y consumo de energía.

• Operación en cuatro cuadrantes.

• Capacidad de sobrecarga a corto plazo.