El control directo de par (DTC) es una estrategia de control avanzada y altamente eficiente para motores eléctricos, especialmente adecuada para motores síncronos de imanes permanentes (PMSM). Como proveedor de motores síncronos magnéticos, me entusiasma profundizar en los detalles del DTC y su importancia en el funcionamiento de estos motores.
Comprensión de los conceptos básicos de los motores síncronos de imanes permanentes
Antes de sumergirnos en el DTC, comprendamos brevemente qué es un motor síncrono de imanes permanentes. AMotor síncrono de CA de imán permanenteUtiliza imanes permanentes en el rotor, que interactúan con el campo magnético generado por los devanados del estator. Esta interacción da como resultado la rotación del eje del motor. La naturaleza síncrona de estos motores significa que el rotor gira a la misma velocidad que el campo magnético giratorio en el estator, lo que proporciona alta eficiencia y un control de velocidad preciso.
También hayMotores síncronos de imanes permanentes trifásicos, que se utilizan ampliamente en aplicaciones industriales debido a su buen funcionamiento y alta densidad de potencia. Estos motores están diseñados para funcionar con una fuente de alimentación trifásica y la combinación de los devanados del estator trifásico y el rotor de imán permanente crea un sistema de motor estable y eficiente.
El concepto de control directo del par
El control directo del par se introdujo por primera vez en la década de 1980 como una alternativa a los métodos tradicionales de control orientado al campo (FOC). La idea principal detrás del DTC es controlar directamente el par y el flujo del motor, en lugar de controlarlos indirectamente mediante complejas transformaciones de coordenadas como en FOC.
En un sistema DTC para un motor síncrono de imanes permanentes, el flujo del estator y el par electromagnético se estiman en tiempo real. Luego los valores estimados se comparan con los valores de referencia. Con base en el error entre los valores estimados y de referencia, los interruptores del inversor se controlan para ajustar el vector de voltaje del estator. Este ajuste directo del vector de voltaje permite cambios rápidos en el par y el flujo del motor, lo que da como resultado una respuesta dinámica rápida.
Cómo funciona el DTC en un motor síncrono magnético
Estimación del flujo y del par del estator
El primer paso en el DTC es estimar el flujo del estator y el par electromagnético. El flujo del estator se puede estimar utilizando el voltaje y la corriente del estator medidos. El vector de enlace de flujo del estator $\psi_s$ se puede calcular como:
[ \psi_s=\int(v_s - R_si_s)dt ]
donde $v_s$ es el vector de voltaje del estator, $R_s$ es la resistencia del estator y $i_s$ es el vector de corriente del estator.
El par electromagnético $T_e$ se puede estimar mediante la siguiente fórmula:
[ T_e = \frac{3}{2}p(\psi_{s\alpha}i_{s\beta}-\psi_{s\beta}i_{s\alpha}) ]
donde $p$ es el número de pares de polos, y $\alpha$ y $\beta$ son los componentes del flujo del estator y los vectores de corriente en el sistema de referencia estacionario.
Controladores de histéresis
Una vez estimados el flujo y el par del estator, se utilizan controladores de histéresis para comparar los valores estimados con los valores de referencia. Un controlador de histéresis tiene un ancho de banda determinado. Si el valor estimado está fuera del ancho de banda del valor de referencia, el controlador emitirá una señal para cambiar el estado del interruptor del inversor.
Por ejemplo, el controlador de histéresis de par compara el par estimado $T_{e}$ con el par de referencia $T_{e}^$. Si $T_{e}<T_{e}^- h_T$, donde $h_T$ es la banda de histéresis de par, el controlador intentará aumentar el par. Por el contrario, si $T_{e}>T_{e}^*+h_T$, el controlador intentará disminuir el par.
De manera similar, el controlador de histéresis del flujo del estator compara la magnitud estimada del flujo del estator $|\psi_{s}|$ con la magnitud del flujo del estator de referencia $|\psi_{s}^|$. Si $|\psi_{s}|<|\psi_{s}^|-h_{\psi}$, el controlador intentará aumentar el flujo del estator, y si $|\psi_{s}|>|\psi_{s}^*| + h_{\psi}$, el controlador intentará disminuirlo.
Selección del vector de voltaje
Con base en las salidas de los controladores de histéresis y la posición del vector de flujo del estator, se utiliza una tabla de selección de vector de voltaje para seleccionar el vector de voltaje apropiado que se aplicará al motor. La selección del vector de voltaje está diseñada para minimizar el error entre los valores estimados y de referencia de torque y flujo.
Luego se controlan los interruptores del inversor para aplicar el vector de voltaje seleccionado al motor. Este proceso se repite a alta frecuencia (normalmente en el rango de unos pocos kilohercios) para garantizar un control rápido y preciso del par y el flujo del motor.
Ventajas del DTC en motores síncronos magnéticos
Respuesta dinámica rápida
Una de las principales ventajas del DTC es su rápida respuesta dinámica. Dado que el par y el flujo se controlan directamente, el motor puede responder rápidamente a cambios en la carga o los valores de referencia. Esto es particularmente importante en aplicaciones donde se requieren rápidas aceleraciones y desaceleraciones, como en robótica y vehículos eléctricos.
Estructura de control sencilla
En comparación con el control orientado a campos, el DTC tiene una estructura de control relativamente simple. En algunos casos no requiere complejas transformaciones de coordenadas ni sensores de posición del rotor. Esto simplifica el diseño del sistema de control y reduce el costo del sistema de accionamiento del motor.
Alta precisión de par
El DTC puede proporcionar una precisión de par alta, especialmente a bajas velocidades. El control directo del par permite una regulación precisa, lo cual resulta beneficioso en aplicaciones donde el control preciso del par es esencial, como en las máquinas herramienta.
Desafíos y limitaciones del DTC
Ondulación de par y flujo
Uno de los principales desafíos del DTC es la presencia de torsión y ondulación del flujo. El método de control de histéresis utilizado en DTC puede hacer que el par y el flujo fluctúen alrededor de los valores de referencia. Esto puede provocar una mayor tensión mecánica en el motor y ruidos audibles.
Frecuencia de conmutación variable
El DTC normalmente funciona con una frecuencia de conmutación variable. Esto puede dificultar el diseño del filtro de salida del inversor y también puede causar problemas de interferencia electromagnética (EMI).
Aplicaciones de DTC en motores síncronos magnéticos
Accionamientos industriales
En aplicaciones industriales, como sistemas transportadores, bombas y ventiladores, los motores síncronos de imanes permanentes controlados por DTC pueden proporcionar un funcionamiento fiable y eficiente desde el punto de vista energético. La rápida respuesta dinámica y la alta precisión del par hacen que estos motores sean adecuados para aplicaciones donde se requiere un control preciso de la velocidad y el par.
Vehículos eléctricos
El DTC también se utiliza cada vez más en aplicaciones de vehículos eléctricos. La rápida respuesta de par de los motores controlados por DTC puede mejorar el rendimiento de aceleración y desaceleración de los vehículos eléctricos. Además, el funcionamiento de alta eficiencia de los motores síncronos de imanes permanentes puede ampliar la autonomía de conducción de los vehículos eléctricos.
Conclusión
El control directo del par es una estrategia de control potente y eficiente para motores síncronos de imanes permanentes. Como proveedor de motores síncronos magnéticos, entendemos la importancia de proporcionar motores de alta calidad con tecnologías de control avanzadas. El DTC ofrece muchas ventajas, como una respuesta dinámica rápida, una estructura de control simple y una precisión de par alta, que lo convierten en una opción popular en diversas aplicaciones.
Si estás interesado en nuestroMotores de CA síncronos de imanes permanenteso tiene alguna pregunta sobre motores controlados por DTC, lo invitamos a contactarnos para adquisiciones y discusiones adicionales. Estamos comprometidos a brindarle las mejores soluciones de motores para satisfacer sus necesidades específicas.
Referencias
- Boldea, I., y Nasar, SA (2005). Accionamientos eléctricos: un enfoque integrado. Prensa CRC.
- Krishnan, R. (2001). Accionamientos de motores eléctricos: modelado, análisis y control. Prentice Hall.
- Takahashi, I. y Noguchi, T. (1986). Una nueva estrategia de control de respuesta rápida y alta eficiencia de un motor de inducción. Transacciones IEEE sobre aplicaciones industriales, 22(5), 820 - 827.