Conceptos básicos del principio del control vectorial en motores asíncronos

Conceptos básicos del principio del control vectorial en motores asíncronos

Para conseguir velocidades variables es necesario variar la frecuencia de las señales aplicadas al estator, como hemos visto hasta ahora. Nos interesa que el flujo magnético en el motor se mantenga constante, por lo que, al mismo tiempo, variamos la tensión y, por consiguiente, la corriente. Habitualmente, se ha utilizado la técnica V/F=constante, mediante un inversor trabajando en PWM, (como se comentó anteriormente), por modulación senoidal para conseguir variar la velocidad y la tensión, pero esta técnica asegura un buen control en régimen permanente, no así en el transitorio (aceleraciones y deceleraciones), lo que da lugar a unos comportamientos dinámicos peores que en el motor de corriente continua.

Hoy en día, hay unas técnicas de control llamadas de control vectorial o de orientación de campo que, incorporando rápidos microprocesadores para realizar cálculos complejos, han hecho posible que el motor de inducción se controle y se comporte como un motor de corriente continua, lo que permite que sea utilizado en aplicaciones que requieren grandes prestaciones dinámicas. Este control se empezó a desarrollar en Alemania a principios de la década de 1970, pero debido a su gran complejidad de implementación, no se comenzaron a realizar prototipos hasta la década de 1980, y a partir de 1990 los primeros accionamientos de control electrónico.

El sistema se basa en la modelización del motor asíncrono, y se utiliza la teoría de vectores espaciales o la teoría de los ejes d-q en cuadratura (transformación de una máquina trifásica en una máquina bifásica equivalente). Ambas teorías trabajan con notación vectorial, es decir, módulo y ángulo. Este sistema de control, mediante complejos sistemas matemáticos, controla y orienta los componentes o vectores magnetizantes y productor de par de la corriente de estator, para conseguir que el resultado sea, en todo momento, la obtención del máximo par del motor.

Esquema fasorial representativo para una fase del estator de un motor asíncrono.

U la tensión aplicada al estator del motor y ∅ el campo magnético resultante en el motor como consecuencia de aplicar dicha tensión, que forma entre sí un ángulo de 90º o cuadratura. Esto genera una fasor de corriente en el estator I1, cuyas componentes son descompuestas en dos: I∅ que es la llamada corriente magnetizante, y IM o corriente motriz, que es la que genera realmente el par motor. Por lo que el sistema de control electrónico hace corregir en todo momento el ángulo φ en función de la velocidad del rotor del motor, manteniendo así constante el flujo del motor y, en consecuencia, el par aplicado al mismo.

De toda esta técnica, la base primordial está en calcular adecuadamente las constantes de tiempo del rotor. Tr=Lr/Rr es el parámetro que tiene que estar bien identificado y, aunque su valor se calcule correctamente en ensayos previos, cambiará debido a que la resistencia del rotor depende de la temperatura, y la inductancia, de la saturación. La identificación on-line de este parámetro es clave.

Existen para ello infinidad de métodos, entre los cuales podemos destacar:

  • Compensación de la variación de la resistencia del rotor mediante sensores de temperatura incorporados en el motor (solo a nivel experimental de laboratorio).
  • Control adaptativo, con modelo de referencia (caso más usual de variadores sin ningún tipo de sensores).
  • Estimación con filtros de Kalman.

La mayoría de estos métodos utilizan sensores adicionales, son dependientes del resto de los parámetros y usan algoritmos difíciles de implementar. En condiciones de régimen permanente, el variador opera normalmente, pero este modo de operación varía durante un cambio repentino de carga, lo cual puede ser explicado como sigue:

  • El par de carga crece rápidamente.
  • La corriente del estator se incrementa y cambia la componente de carga, y esta es detectada por los circuitos de control.
  • La corriente de estator es forzada por el sistema de control a incrementar la amplitud.
  • La corriente de estator es forzada por el sistema de control a incrementar la frecuencia (forzando un par más alto, el deslizamiento es mayor al incrementar la carga, para una misma velocidad).
  • La corriente del estator es forzada por el sistema de control a una nueva posición de la fase (la fuerza magnetomotriz está siendo forzada más allá del flujo principal).

En conclusión, con esta técnica se consiguen unas prestaciones dinámicas similares a las de los motores de corriente continua, pero utilizando un motor mucho más barato, estándar y sin mantenimiento.

Por contra, el control es algo más caro y muchísimo más complejo, ya que utilizan procesadores digitales muy rápidos (DSP) que tienen que estimar en tiempo real la posición del vector flujo en el rotor, transformar coordenadas, calcular algoritmos PI en los reguladores y hacer una estimación on-line de las resistencias rotóricas.

Pero, debido a la gran evolución de los circuitos integrados y a la reducción de los costes de fabricación de todos estos procesadores digitales, los precios de los variadores de frecuencia han ido ajustándose cada vez más a las necesidades del mercado. Resumiendo: este método de trabajo en modo vectorial, a nivel práctico se aconseja en los siguientes casos:

  • Máquinas que requieren un alto par de arranque.
  • Máquinas que requieren par a bajas vueltas.
  • Máquinas donde las fluctuaciones de carga tengan un amplio margen.