Simulación interactiva de accionamientos con SRM aplicada a las faltas

PROJECTE FI DE CARRERA TÍTOL: Simulación interactiva de accionamientos con SRM aplicada a las faltas AUTOR: Benjamí Roman Pons TITULACIÓ: Enginyeria tècnica industrial en electricitat DIRECTOR: Balduí Blanqué Molina DEPARTAMENT: Electricitat DATA: Febrer 2010 PROJECTE FI DE CARRERA RESUM (màxim 50 línies) Aquests tipus de motors son molt tolerants amb les faltes, ha d’haver-hi una falta molt greu perquè deixi de funcionar. Això ens permet tenir un marge de temps per les reparacions sense deixar els equips aturats, la qual cosa es molt interessant per algunes aplicacions com poden ser els sistemes de navegació dels vaixells i de les naus espacials. Ja que en qualsevol dels casos mencionats, un error de aturada dels sistemes podria causar conseqüències greus, fins i tot posar vides humanes en perill. Per això, es pretén en aquest projecte realitzar assaigs en prototips virtuals per conèixer el comportament dels sistemes en cas de diferents tipus de faltes. Una vegada assajat i verificat que el motor i tot l’equip controlador del mateix no corren perill de destrucció, es procedirà als assaigs del motor i controladors reals. En el primer capítol es fa una breu introducció a la direcció assistida elèctrica dels automòbils comparant-la amb la tradicional direcció assistida pneumàtica. Hi ha una petita incisió en la conducció amb “steer-by-wire” direcció amb cables, on es pretén eliminar la columna de direcció i utilitzar maquines elèctriques al volant i a l’eix d les rodes com a sensor de posició i motor per controla la direcció del cotxe. Per acabar el capítol, es presenten els avantatges i inconvenients dels motors SRM. En el segon capítol es presenta el motor de reluctància auto commutat. Comprovem, mitjançant les equacions de la conversió electromecànica de l’energia, com aquest tipus de motor genera el parell necessari per el gir sense cap tipus de bobinat ni imants en el rotor. Veiem que es degut a que les línies de flux creades per les bobines de l’estator cerquen en tot moment les posicions de equilibri que pertanyen als punts de mínima reluctància. En el tercer capítol comença el cos principal del document, s’introdueix els SRM en aplicacions tolerants a les faltes i les diferències amb les màquines elèctriques convencionals. Seguidament es classifiquen les diferents faltes, encara que no totes seran estudiades al llarg del treball. S’expliquen els efectes que te cada una de les faltes sobre l’accionament i les possibles accions correctores a aplicar en cada una de les faltes en diferents condicions de funcionament. El capítol quart comença amb una introducció a la simulació on compara l’enginyeria seqüencial i l’enginyeria concurrent presentant els avantatges d’aquesta segona. S’explica el concepte de prototipat ràpid, els sistemes multi nivell pel modelat dels accionaments, s’explica la importància de les corbes de magnetització, s’expliquen els models lineals i no lineals per el modelat de les màquines. En el següent apartat tracte les eines informàtiques utilitzades per realitzar el modelat i les simulacions necessàries per realitzar el projecte així com l’explicació de l’entorn utilitzat i les possibilitats que permet i per acabar s’explica la plataforma Real Time. En el cinquè capítol hi ha totes les gràfiques demostratives de la necessitat d’aplicar les accions correctores i l’explicació de cada cas. El sisè capítol explica els diferents mètodes per la detecció de les faltes i les estratègies a seguir per la detecció, alliberació, avaluació i actuació de cada falta. En el setè capítol s’hi agrupen totes les conclusions obtingudes al llarg del projecte. Incorpora taules comparatives i un esquema genèric del procediment a seguir per cada falta. Per acabar es presentaran possibles investigacions futures per seguir millorant el sistema de detecció i actuació en les faltes. El vuitè capítol encapsa les referències bibliogràfiques emprades per duu a terme aquest projecte. En l’annex A es mostren les característiques principals del motor SRM 8/6 emprat per les simulacions interactives incloent documentació fotogràfica del motor real. L’annex B correspon al datasheet del convertidor estàtic que composa l’accionament incorporant documentació fotogràfica del mateix i de la seva instal·lació en la bancada de proves. Paraules clau (màxim 10): Motor de reluctància auto commutat (SRM) ecodisseny Corbes de magnetització Convertidor estàtic Detecció per estimació Matlab Simulació interactiva Simulink Enginyeria concurrent Flux I ÍNDEX GENÈRIC TÍTOL: SIMULACIÓN INTERACTIVA DE ACCIONAMIENTOS CON SRM APLICADA A LAS FALTAS ÍNDEX OBJECTIUS DEL PROJECTE METODOLOGIA EMPRADA ESTRUCTURA DEL PROJECTE CAPÍTOL 1: INTRODUCCIÓ ALS ACCIONAMENTS SRM TOLERANTS A FALTES EN EL CAS PARTICULAR DE LA DIRECCIÓ ASSISTIDA DELS AUTOMÒBILS CAPÍTOL 2: INTRODUCCIÓ AL MOTOR DE RELUCTÀNCIA AUTO COMMUTAT. CAPÍTOL 3: LES FALTES ELÈCTRIQUES ALS ACCIONAMENTS AMB SRM I LES ACCIONS CORRECTORES CORRESPONENTS. CAPÍTOL 4: ENTORN DE SIMULACIÓ INTERACTIVA. CAPÍTOL 5: SIMULACIÓ INTERACTIVA PER L’ANÀLISI DE LES FALTES I L’ESTUDI DE LES ACCIONS CORRECTORES. CAPÍTOL 6: DETECCIÓ DE FALTES I ESTRATÈGIES PER L’ACTUACIÓ. CONCLUSIONS I EXPECTATIVES DE FUTUR BIBLIOGRAFIA ANNEX A: MOTOR SRM 8/6 ANNEX B : CONVERTIDOR DE POTENCIA DE 4 FASES II ÍNDEX III ÍNDEX I. OBJECTIU DEL PROJECTE……………………………………………………………………………………………………………………………………… i II. METODOLOGIA UTILITZADA PER LA REALITZACIÓ DEL PROJECTE……………………………………………………………………….. ii III. ESTRUCTURA DEL PROJECTE………………………………………………………………………………………………………………………….…… ii CAPÍTOL 1: INTRODUCCIÓ ALS ACCIONAMENTS AMB SRM TOLERANTS A LES FALTES EN EL CAS PARTICULAR DE LA DIRECCIÓ ASSISTIDA DELS AUTOMÒBILS. 1 1.1: INTRODUCCIÓ A LA DIRECCIÓ ASSISTIDA DELS AUTOMÒBILS ............................................................................ 2 1.2 PROPÒSITS I AVANTATGES DE LA IMPLEMENTACIÓ DELS SRM ENFOCAT A LA AMBIENTALITZACIÓ ................... 4 CAPÍTOL 2: INTRODUCCIÓ AL MOTOR DE RELUCTÀNCIA AUTO COMMUTAT 7 2.1 INTRODUCCIÓ ........................................................................................................................................................ 8 2.2 OBTENCIÓ DEL PARELL EN MOTORS DE ................................................................................................................ 9 2.2.2 PARELL EN SISTEMES ELECTROMECÀNICS .................................................................................................. 10 2.2.3 CAS LINEAL (MÀQUINA NO SATURADA) ..................................................................................................... 15 2.2.4 PARELL MITJÀ .............................................................................................................................................. 16 2.3 CONSTITUCIÓ DEL MOTOR DE RELUCTANCIA AUTO COMMUTAT ...................................................................... 17 2.4 DESCRIPCIÓ DE L’ACCIONAMENT ........................................................................................................................ 18 2.4.1 ESTRUCTURA MAGNÈTICA RELUCTANT ...................................................................................................... 18 2.4.2 CONVERTIDOR ESTÀTIC DE POTÈNCIA ........................................................................................................ 19 2.5 PRINCIPI DE FUNCIONAMENT ............................................................................................................................. 25 2.6 INDUCTÀNCIA DE FASE I PARELL ESTÀTIC ........................................................................................................... 27 2.7 CARACTERISTICA PARELL – VELOCITAT ............................................................................................................... 32 2.8 CONTROL DE L’ACCIONAMENT ........................................................................................................................... 33 CAPÍTOL 3: LES FALTES ELÈCTRIQUES ALS ACCIONAMENTS AMB SRM I LES ACCIONS CORRECTORES CORRESPONENTS 37 3.1 INTRODUCCIÓ ...................................................................................................................................................... 38 3.2 CLASSIFICACIÓ DE LES FALTES ELÈCTRIQUES ...................................................................................................... 39 3.3 DESCRIPCIÓ DE LES DIFERENTS FALTES ............................................................................................................... 40 3.3.1 FALTES EN EL MOTOR .................................................................................................................................. 40 3.3.2 FALTES EN EL CONVERTIDOR ...................................................................................................................... 44 3.3.3 FALTES EN L’ALIMENTACIÓ ......................................................................................................................... 50 ÍNDEX IV CAPÍTOL 4: ENTORN DE SIMULACIÓ INTERACTIVA 51 4.1 INTRODUCCIÓ A LA SIMULACIÓ [1] ..................................................................................................................... 52 4.2 INTRODUCCIÓ AL PROTOTIPAT RÀPID D’ACCIONAMENTS AMB SRM[1] ............................................................ 54 4.3 MODELAT DE L’ACCIONAMENT AMB SRM [1] .................................................................................................... 56 4.3.1 INTRODUCCIÓ ............................................................................................................................................. 56 4.3.2 TRACTAMENT DE LES CORBES DE MAGNETITZACIÓ ADOPTAT. .................................................................. 63 4.4 EINES INFORMÀTIQUES ....................................................................................................................................... 70 4.4.1 INTRODUCCIÓ [1] ........................................................................................................................................ 70 4.4.2 SOFTWARE EMPRAT .................................................................................................................................... 71 4.5 ENTORN UTILITZAT I POSSIBILITATS QUE ENS PERMET ...................................................................................... 73 4.5.1 MODLAT DEL MOTOR SRM ......................................................................................................................... 74 4.5.2 MODLAT DEL CONVERTIDOR ESTÀTIC ......................................................................................................... 78 4.5.3 MODLAT DEL MODE D’OPERACIÓ DEL CONVERIDOR ................................................................................. 80 4.5.4 MODLAT DEL GENERADOR DE LA SEQÚÈNCIA DE COMMUTACIÓ (FIRING ANGLE) ................................... 82 4.5.5 MODLAT DEL REGULADOR DE CORRENT .................................................................................................... 84 4.5.6 MODLAT DEL PI PEL CONTROL DE VELOCITAT ............................................................................................ 84 4.5.7 MODLAT DEL BLOC PER LES FALTES ............................................................................................................ 85 4.5.8 MODLAT DEL BLOC PER LES MESURES ........................................................................................................ 89 4.6 PLATAFORMA REAL TIME (RI) [1] ........................................................................................................................ 92 4.6.1 CONSTITUCIÓ DEL MAQUINARI................................................................................................................... 93 4.6.2 CONSTITUCIÓ DEL SOFTWARE. ................................................................................................................... 97 4.6.2.2 GENERACIÓ I ADQUISICIÓ DE SENYALS EN TEMPS REAL ............................................................................... 99 CAPÍTOL 5: SIMULACIÓ INTERACTIVA EN L’ANÀLISI DE LES FALTES I L’ESTUDI DE LES ACCIONS CORRECTORES. 105 5.1 INTRODUCCIÓ .................................................................................................................................................... 106 5.2 FALTES AL MOTOR ............................................................................................................................................. 106 5.2.1 CURT CIRCUIT PARCIAL D’UNA FASE ......................................................................................................... 106 5.2.2 CURT CIRCUIT EN TOTA LA FASE: .............................................................................................................. 127 5.2.3 CIRCUIT OBERT DEL DEBANAT: ................................................................................................................. 128 5.3 FALTES AL CONVERTIDOR .................................................................................................................................. 136 5.3.1 CURT CIRCUIT EN L’INTERRUPTOR DEL CONVERTIDOR ............................................................................ 136 5.3.2 CIRCUIT OBERT EN L’INTERRUPTOR DEL CONVERTIDOR .......................................................................... 153 5.3.3 CURT CIRCUIT EN EL DÍODE ....................................................................................................................... 161 5.3.4 CIRCUIT OBERT EN EL DÍODE ..................................................................................................................... 173 CAPÍTOL 1: INTRODUCCIÓ ALS ACCIONAMENTS AMB SRM TOLERANTS A LES FALTES EN EL CAS PARTICULAR DE LA DIRECCIÓ ASSISTIDA DELS AUTOMÒBILS 3 Figura 1.1: Sistema convencional de direcció assistida elèctrica. Figura 1.2: Sistema de direcció assistida elèctrica amb steer-by-wire. La importància de la tolerància a faltes en l’aplicació de la Figura 2.2 es clarament intuïda. El fet de no ser un accionament tolerant a faltes, implicaria quedar sense la possibilitat de maniobrar la direcció del cotxe i això es un problema molt greu, ja que si et passa mentre estàs conduint les probabilitats de accidentar-te son mol elevades. A continuació es mencionen els avantatges i inconvenients que presenten aquests tipus d’accionaments: AVANTATGES: • La construcció mecànica es senzilla i robusta. • Els bobinats estatòrics son concentrats. • L’absència de bobinats i imants rotòrics possibilita tenir baixa inèrcia i treballar a velocitats elevades. • La majoria de les pèrdues es concentren en l’estator, el que facilita la refrigeració i permet temperatures d’operació elevades. • En condicions de falta, la tensió de circuit obert es nul·la i els corrents de curt circuit son reduïdes. CAPÍTOL 1: INTRODUCCIÓ ALS ACCIONAMENTS AMB SRM TOLERANTS A LES FALTES EN EL CAS PARTICULAR DE LA DIRECCIÓ ASSISTIDA DELS AUTOMÒBILS 4 • El parell es independent del sentit del corrent, el que permet en certes aplicacions la reducció del nombre d’interruptors d’estat sòlid. • La majoria de convertidors estàtics utilitzats en els accionaments SR son tolerants a faltes. • Te un elevat rendiment i bona relació parell/volum i parell/inèrcia. • La característica parell/velocitat pot adaptar-se a les necessitats del procés. INCONVENIENTS: • Requereix un nombre elevat de terminals i connexions. • El parell motor presenta un notable rissat, conseqüència de la naturalesa polsant. • Es un accionament sorollós. • L’estructura electromagnètica s’ha d’alimentar mitjançant un convertidor estàtic i pel seu correcte funcionament necessita sensors de posició i reguladors electrònics. • El seu disseny precisa d’un estudi mol a fons del circuit magnètic, una bona adaptació del convertidor estàtic i una adequada estratègia de control. 1.2 PROPÒSITS I AVANTATGES DE LA IMPLEMENTACIÓ DELS SRM ENFOCAT A LA AMBIENTALITZACIÓ El propòsit d’aquesta implementació es reduir el pes que requereix el sistema de direcció assistida hidràulic i el constant consum de la bomba de pressió, comparat amb l’accionament SRM només estaria consumint si es fa anar la direcció, en el moment en que està el volant aturat, el consum del sistema es minin, només estan consumint els sensors (es un consum insignificant comparat amb la mencionada bomba de pressió que esta tot el temps funcionant per mantenir la pressió al sistema). Aquesta bomba esta acoblada al motor de combustió interna, pel que implica una major emissió de gasos contaminants, els quals quedaran reduïts amb la implementació d’aquest sistema. Aquest és el primer punt d’estalvi en la implementació d’aquest motors, seguit del fet que aquest motos està realitzat amb ecodisseny, és un concepte que es basa en reduir les emissions de CO2 de tota la vida del motor, des de la seva fabricació, passant pel rendiment en el funcionament (intentant obtenir el màxim parell amb la mínima energia consumida), incloent la tolerància a les faltes, ja que s’evita tenir que efectuar algunes reparacions mantenint el motor CAPÍTOL 1: INTRODUCCIÓ ALS ACCIONAMENTS AMB SRM TOLERANTS A LES FALTES EN EL CAS PARTICULAR DE LA DIRECCIÓ ASSISTIDA DELS AUTOMÒBILS 5 treballant amb alguna falta de les no destructives i acabant pel desballestament de la màquina intentant que es necessiti la menor quantitat d’energia en el procés. Una altra avantatge que tindrà aquest sistema es la eliminació de la columna de direcció, que en cas d’accident frontal és un dels elements que més directament comunica el conductor amb el xoc. Aprofitant l’eliminació d’aquesta columna, el tema de la construcció de vehicles amb el volant a un costat o a l’altre del cotxe no implicaria tantes modificacions mecàniques i per tan un altre punt d’estalvi econòmic. 6 CAPÍTOL 2: INTRODUCCIÓ AL MOTOR DE RELUCTÀNCIA AUTO COMMUTAT 7 CAPÍTOL 2: INTRODUCCIÓ AL MOTOR DE RELUCTÀNCIA AUTO COMMUTAT CAPÍTOL 2: INTRODUCCIÓ AL MOTOR DE RELUCTÀNCIA AUTO COMMUTAT 8 2.1 INTRODUCCIÓ El motor de reluctància auto commutat, d'ara endavant SRM (Switched Reluctance Motor), conegut des de 1838, reneix a principis de la dècada dels 80 del segle XX per a convertir-se en els inicis del segle XXI en una ferma alternativa als accionaments elèctrics convencionals a causa de la seva construcció simple i robusta, baixos costos de fabricació, alta tolerància a faltes i elevat rendiment. Les aplicacions del SRM han anat creixent a poc a poc en els últims anys en diferents sectors de àmbit industrial, entre els quals cap destacar; el sector electrodomèstic, el sector de l'aire condicionat, el sector aeroespacial i el sector auxiliar de l'automòbil i la tracció elèctrica. La seva propagació en el mercat, no obstant això, encara dista molt de poder acostar-se al dels seus principals competidors. La necessitat d'un circuit electrònic, encara que de fàcil adquisició i de preu relativament escàs, encara desperta recels en el món industrial. Altre factor determinant per a explicar la lenta expansió del SRM en el mercat, a pesar dels seus innombrables avantatges, és la inèrcia consumista que empeny als usuaris a decantar-se pels motors clàssics en detriment del SRM. A pesar de les dificultats exposades es considera de vital importància la progressiva introducció del SRM en la indústria moderna a causa de els múltiples avantatges tant mediambientals com constructives que aquest motor presenta. Aquest capítol té com objectiu principal donar a conèixer la constitució i el principi de funcionament del motor SRM, així com les seves diferents maneres de control. El coneixement del funcionament del SRM és necessari per realitzar l’anàlisi de les faltes. CAPÍTOL 2: INTRODUCCIÓ AL MOTOR DE RELUCTÀNCIA AUTO COMMUTAT 9 2.2 OBTENCIÓ DEL PARELL EN MOTORS DE RELUCTANCIA 2.2.1 BALANÇ D'ENERGIES EN ELS SISTEMES ELECTROMECÀNICS El parell motor d'una màquina és una important variable de control a utilitzar en qualsevol accionament. Sense anar més lluny, en motors SRM pot realitzar-se un control de l'accionament per parell. La seva magnitud i la seva forma són paràmetres fonamentals per al correcte control d'accionaments elèctrics. És per això que aquest capítol introdueix importants equacions, vàlides per a qualsevol accionament electromecànic, que ens duen a l'obtenció del parell en sistemes electromecànics de reluctància. Qualsevol convertidor electromecànic, per molt complex que sigui, es pot descompondre en tres sistemes bàsics; el sistema elèctric, el sistema d'acoblament i el sistema mecànic. En cadascun d'aquests sistemes estan presents tres tipus d'energies diferents: • Energia transferida • Energia emmagatzemada • Energia perduda En la figura 1.2.1 podem apreciar com flueixen les energies pels diferents sistemes del convertidor. Figura 1.2.1 – Transferència d’energies en el convertidor El sistema que ens interessa per a l'obtenció del parell estàtic és el sistema d'acoblament o camp magnètic, ja que en ell intervenen paràmetres elèctrics i mecànics alhora. 0=−−+ AAAPMTET dWdWdWdW (1.2.1) CAPÍTOL 2: INTRODUCCIÓ AL MOTOR DE RELUCTÀNCIA AUTO COMMUTAT 10 D'on podem obtenir: AAAPMTET dWdWdWdW +=+ (1.2.2) On: = ET dW diferencial de energia elèctrica transmesa al sistema de acoblament = MT dW diferencial de energia mecànica transmesa al sistema de acoblament = AP dW diferencial de energia perduda en el sistema de acoblament = AA dW diferencial de energia emmagatzemada en el sistema de acoblament 2.2.2 PARELL EN SISTEMES ELECTROMECÀNICS Com el convertidor electromecànic que ens interessa estudiar es el SRM en aquest apartat s’analitza l’obtenció del parell per una màquina simple de reluctància, rotativa i d’un accés elèctric. Figura 1.2.2 – Maquina simple de reluctància CAPÍTOL 2: INTRODUCCIÓ AL MOTOR DE RELUCTÀNCIA AUTO COMMUTAT 11 Per l’estudi del parell realitzarem algunes hipòtesis: • La relació entre flux concatenat ϕψ ·N= i el corrent que circula per la bobina N mmF i... = es NO LINEAL. Aquesta relació ve donada per la corba de magnetització del material del que està construït el circuit magnètic del convertidor. Existeix una corba de magnetització per a cada posició del rotor, entre les quals es troben, en ambdós extrems de funcionament, les corbes per a les posicions d'alineament i de no alineament. En la figura 1.2.3 es pot observar com a valors elevats de corrent d'excitació el material ferromagnètic se satura degut al fet que l'estructura reluctant està construïda de material ferromagnètic tou. Figura 1.2.3 – Corba de magnetització Aquesta família de corbes, amb el corrent i la posició com variables independents obeeix a la següent funció de dues variables: ),( xif= ψ (1.2.3) Mentre que si considerem el flux concatenat i la posició com variables independents la família de corbes ve donada per la següent expressió: Posicions intermèdies CAPÍTOL 2: INTRODUCCIÓ AL MOTOR DE RELUCTÀNCIA AUTO COMMUTAT 12 ),( xfi ψ = (1.2.4) • L’altre hipòtesis adoptada es la de menysprear les pèrdues per histèresi i per corrents de Foucault per la simplificació dels càlculs: 0= AP dW (1.2.5) Aquesta simplificació es tradueix que tota l'energia elèctrica introduïda en el convertidor es transformarà en energia mecànica llevat de l'energia emmagatzemada en el sistema d'acoblament (funcionament com MOTOR) com es pot apreciar en el balanç d'energies resultant: AAMTET dWdWdW += (1.2.6) L'energia elèctrica subministrada al sistema d'acoblament ve donada pel producte entre la f.i.m. que s'induirà en la bobina acoblada a la part mòbil i el corrent que circula per ella, sent la f.i.m. induïda segons la llei de Faraday, la variació del flux concatenat respecte al temps. ψ ψ didti dt d dtiedW ET ····· === (1.2.7) Si fem prèviament la suposició que la part mòbil del convertidor està bloquejada i que per tant no pot existir moviment, vam assumir que no es pot realitzar treball mecànic i que per tant 0= MT dW . Així doncs, segons l'equació 1.2.8 tota l'energia elèctrica transferida s'emmagatzemarà en el camp magnètic (sistema d'acoblament). AAET dWdW = (1.2.8) Si suposem un flux inicial igual a zero, és a dir que inicialment no circula corrent per la bobina, l'energia emmagatzemada tindrà per valor: ψψ ψ didWW ETAA ·)( 0 ∫ ∫ == (1.2.9) També podem definir el paràmetre al que cridarem “coenergia” del camp magnètic ( AA W ) com: CAPÍTOL 2: INTRODUCCIÓ AL MOTOR DE RELUCTÀNCIA AUTO COMMUTAT 19 El nombre de pols de l’estator condiciona el nombre de fases del motor i, per tant, també l’estructura i el nombre de interruptors estàtics necessaris del convertidor. Encara que hi ha motors de reluctància monofàsics i bifàsics, per poder garantir la arrancada i la reversibilitat el nombre de fases ha de ser com a mínim de tres. Així les configuracions més habituals de l’SRM son les 6/4. 12/8 i 16/12. A la taula 1.4.1 i en la figura 1.4.1 podem veure’ls. Taula 1.4.1 – Configuracions mes habituals de l’SRM i els seus paràmetres. Figura 1.4.1 – Estructura electromagnètica de l’SRM 2.4.2 CONVERTIDOR ESTÀTIC DE POTÈNCIA El convertidor estàtic en un SRM compleix amb dues funcions: • Efectuar la commutació de les fases en l’ordre establert per el controlador segons la posició rotòrica, tancant i obrint els interruptors d’estat sòlid que el composen. Aquests interruptors son generalment IGBT’s per potències superiors a 1kW i MOSFET’s per potencies inferiors. • Garantir la ràpida desmagnetització de les fases de l’SRM. El corrent de fase en un SRM es unipolar per lo que en principi es suficient amb un sol interruptor per fase per realitzar CAPÍTOL 2: INTRODUCCIÓ AL MOTOR DE RELUCTÀNCIA AUTO COMMUTAT 20 la commutació. La desmagnetització de la fase, una vegada obert l’interruptor, es realitza a través d’un diode de lliure circulació (també anomenat diode volant) amb una resistència en sèrie per aplicar una tensió inversa en bornes de la fase i d’aquesta manera forçar al corrent a anul·lar-se. Existeixen diferents tipologies per el convertidor estàtic d’un SRM, encara que la més popular es la denominada convertidor asimètric o convertidor clàssic. Altres tipologies bastant utilitzades son el convertidor unipolar i el convertidor Miller. A continuació veiem les principals característiques constructives dels tres convertidors així com les característiques funcionals del convertidor clàssic més detalladament per ser el mes utilitzat actualment. 2.4.2.1 CONVERTIDOR CLÀSSIC Aquest convertidor està constituir per tantes branques com fases. En cada branca hi ha dos interruptors d’estat sòlid i dos díodes, quedant connectades les corresponents fases del motor tal com es veu en la figura 1.4.2. Figura 1.4.2 – Convertidor clàssic En el convertidor clàssic es poden diferenciar clarament fins a cinc estats de funcionament. CAPÍTOL 2: INTRODUCCIÓ AL MOTOR DE RELUCTÀNCIA AUTO COMMUTAT 21 ESTAT 0: Repòs de la fase I A I’ A D A D’ A V Fase Off Off Off Off 0V On Off Off off 0V Off On Off Off 0V Tots els interruptors estan desactivats (en circuit oberts “Off”) i si existeix algun interruptor controlat actiu (On) no hi ha corrent en la fase. La fase es troba en repòs o no circula corrent. ESTAT 1: Alimentació de la fase I A I’ A D A D’ A V Fase On On Off Off 0V Els dos interruptors controlats IA i I’A s’activen (On). La fase es troba activa ja que circula corrent per la fase i el rotor tendeix a alinear-se amb l’estator. ESTAT 2: Lliure circulació de la fase I A I’ A D A D’ A V Fase On Off Off On 0V Només un interruptor controlat IA continua actiu (On). El díode D’A esta en condicions de conduir (On) si hi ha corrent en la fase amb el propòsit de descarregar-la sobre ella mateixa dissipant la potència en forma de calor. Quan la circula corrent per la fase es passa a l’estat 0. ESTAT 3: Lliure circulació de la fase I A I’ A D A D’ A V Fase Off On On Off 0V Només un interruptor controlat I’A continua actiu (On). El díode DA esta en condicions de conduir (On) si hi ha corrent en la fase amb el propòsit de descarregar-la sobre ella mateixa dissipant la potència en forma de calor. Quan la circula corrent per la fase es passa a l’estat 0. ESTAT 4: Recuperació de la fase I A I’ A D A D’ A V Fase Off Off On On 0V Els dos interruptors controlats IA i I’A es desactiven (Off). Els díodes DA i D’A estan en condicions de conduir (On) si hi ha corrent en la fase amb el propòsit de descarregar-la sobre la font d’alimentació, recuperant aquesta energia. Quan la circula corrent per la fase es passa a l’estat 0. CAPÍTOL 2: INTRODUCCIÓ AL MOTOR DE RELUCTÀNCIA AUTO COMMUTAT 22 Aquest convertidor es pot alimentar en corrent continua o en alterna intercalant un rectificador trifàsic no controlat per filtre. Pot suportar tensions positives, negatives o nul·les i presenta una gran tolerància a faltes. Això, juntament al fet de que presenta independència entre fases i un elevat nombre de possibilitats de control, son alguns dels motius per el que és dels mes emprats. Com punt negatiu cal indicar que necessita un elevat nombre de interruptors d¡estat sòlid. 2.4.2.2 CONVERTIDOR MILLER En la configuració del convertidor asimètric o clàssic cada fase emprava dues branques del pont en H (cada branca estava constituïda per un interruptor de estat sòlid i un diode). En aquesta nova configuració les fases comparteixen branques del convertidor com es pot observar en la figura 1.4.3. Figura 1.4.3 – Convertidor Miller Aquest convertidor es aconsellable per aplicacions amb un nombre elevat de fases (≥4), ja que els interruptors d’estat sòlid i els díodes son com partits per més d’una fase. Aquest punt repercuteix positivament en la reducció del cost del convertidor. Com en el cas del convertidor clàssic també suporta tensions positives, negatives i nul·les. Tenen l’inconvenient de no disposar ’independència per totes les fases, per el que es redueixen les possibilitats de control. CAPÍTOL 2: INTRODUCCIÓ AL MOTOR DE RELUCTÀNCIA AUTO COMMUTAT 23 2.4.2.3 CONVERTIDOR UNIPOLAR En aquest convertidor l’operació de magnetització de cada una de les fases es realitza tancant els interruptors controlats disposats en sèrie amb cada una de les fases que constitueixen el motor. En l’instant que aquests interruptors controlats deixen de conduir, es produeix la desmagnetització de les fases que es realitza mitjançant un diode de lliure circulació amb una resistència en sèrie. El temps de desmagnetització depèn del valor de la resistència i l’energia emmagatzemada en la bobina es transforma en calor. Figura 1.4.4 – Convertidor unipolar Aquest tipus de convertidor es emprat en aplicacions on els motors treballen amb tensions i potencies reduïdes. Un avantatge d’aquest tipus de convertidor es que el circuit de control de l’interruptor controlat no te que esta aïllat de la resta d’interruptors ja que tots els interruptors controlats tenen la mateixa referència. 2.4.2.3 CAPTADORS DE POSICIÓ En el motor SRM es imprescindible saber en tot moment la posició del rotor per poder alimentar les fases en la seqüència correcte de manera que es creï un parell motor en la direcció de gir desitjada. CAPÍTOL 2: INTRODUCCIÓ AL MOTOR DE RELUCTÀNCIA AUTO COMMUTAT 24 En les aplicacions que requereixin un comportament precís de la posició, haurem de procedir a la utilització de encoders o resolvers. En molts casos no es requereix una gran resolució i la detecció de la posició rotòrica es pot realitzar utilitzant tres opto interruptors fixes en la carcassa de l’estator associats a un disc rasurat acoblat a l’eix del motor com es veu en la següent figura. Figura 1.4.5 – Disposició dels opto interruptors respecte al disc rasurat acoblat al motor per un motor 6/4 El nombre de opto interruptors així com la seva disposició i les característiques de les ranures del disc dependran de l’estructura electromagnètica seleccionada com es pot apreciar en la taula 1.4.2. Taula 1.4.2 – Configuració dels opto interruptors i del disc rasurat per les diferents topologies Opto interruptors Eix Disc ranurat Dent Ranura CONFIGURACIÓ m – Ns / Nr Nº Opto interruptors Nº Ranures Angle desfasament entre opto interruptors (α) Angle ranura (β) Angle dent (𝛾𝛾) 3 – 6/4 3 4 30º 45º 45º 3 – 12/8 3 8 15º 22.5º 22.5º 4 – 8/6 4 6 15º 22.5º 37.5º CAPÍTOL 2: INTRODUCCIÓ AL MOTOR DE RELUCTÀNCIA AUTO COMMUTAT 25 2.5 PRINCIPI DE FUNCIONAMENT Com ja s’ha exposat amb anterioritat, l’SRM es un accionament de corrent continu sense col”lector de delgues ni imants permanents. El gir del rotor s’origina únicament a partir de que l’estructura ferromagnètica sempre cerca la posició de mínima reluctància. Sabent això només necessitem enviar a les fases els senyals adequats amb la seqüència necessària per ocasionar el gir. En la figura 1.5.1 es mostra a mode de exemple la seqüència de commutació de les fases de l’estator d’un SRM 6/4 de 3 fases. Les fases en conducció s’han representat en color vermell mentre que les que no estan conduint s’han representat en color negra. Figura 1.5.1 – Commutació de les fases de l’estator en funció de la posició del rotor CAPÍTOL 2: INTRODUCCIÓ AL MOTOR DE RELUCTÀNCIA AUTO COMMUTAT 26 S’observa que, estant el rotor en la posició inicial (i agafant el pol rotòric marcat en vermell com referència) per girar el rotor en sentit horari els sensors de posició tindran que enviar la informació necessària per excitar la fase A tancant els interruptors I1 i I1’. En aquesta primera posició el rotor es troba en una posició de no alineament, així dons la inductància de la fase seguirà la tendència creixent fins a fer-se màxima. Els interruptors I1 i I1’ seguiran conduint durant aproximadament el temps que trigui el rotor en completar un angle de pas, que per aquesta topologia 6/4 es de 30º. Una vegada completat l’angle de pas, els interruptors I1 i I1’ s’obren i els díodes passen a conduir aplicant una tensió negativa en bornes de la fase A per que d’aquesta manera el corrent emmagatzemat en la bobina vagi disminuint fins tornar-se nul desmagnetitzant així la fase. Quan el pol rotòric de referència quedi completament alineat, el rotor quedarà en posició de no alineament amb el pol estatòric de la fase B. Es dons el moment de excitar la fase B. Per aconseguir un gir continu, tancarem els interruptors I2 i I2’abans de que la inductància de la fase A comenci a disminuir, durant aproximadament 30º. El mateix passarà amb la fase C, completant d’aquest mode un pas polar rotòric (𝜏𝜏). Un pas polar rotòric es defineix com l’angle recorregut pel rotor durant el temps en que han excitat les fases del motor per completar un cicle complet de la seqüència de accionament i equival dividir els 360º necessaris per completar una revolució entre el nombre de pols rotòrics (Nn)= com veiem en l’equació. 𝜏𝜏=360 𝑁𝑁𝑟𝑟 (1.5.1) A continuació el pas polar rotòric s’anirà repetint commutant les fases A, B i C respectivament i provocant el gir continu del motor. CAPÍTOL 2: INTRODUCCIÓ AL MOTOR DE RELUCTÀNCIA AUTO COMMUTAT 27 2.6 INDUCTÀNCIA DE FASE I PARELL ESTÀTIC Les inductàncies de fase evolucionen des de un valor màxim corresponent a les posicions de alineament dels pols del rotor i els pols de la fase excitada de l’estator fins un valor mínim corresponent a les posicions de no alineament entre aquests. Les posicions de alineament, i per tan de inductància màxima corresponent a les posicions en e que el circuit electromagnètic presenta la mínima reluctància. Figura 1.6.1 – Posició d’alineament en un SRM 8/6 Per el contrari, les posicions de no alineament, i per tan de inductància mínima correspon a les posicions en que el circuit electromagnètic presenta la màxima reluctància. CAPÍTOL 2: INTRODUCCIÓ AL MOTOR DE RELUCTÀNCIA AUTO COMMUTAT 28 Figura 1.6.2 – Posició de no alineament en un SRM 8/6 L’excitació de cada fase coincideix, habitualment, amb la posició de inductància mínima o de no alineament. En la figura 1.6.3 podem veure la evolució de les inductàncies del motor, la seqüència de excitació de les fases i la representació ideal del corrent que circula per les fases del motor. CAPÍTOL 2: INTRODUCCIÓ AL MOTOR DE RELUCTÀNCIA AUTO COMMUTAT 35 • Control d’histèresi: en aquest tipus de control es fixa un valor de corrent de referència en funció del parell constant desitjat, i es compara el corrent real amb la referència. El resultat d’aquesta comparació constitueix l’entrada d’un regulador d’histèresi en el que es pot variar el guany entre uns valors màxim i mínim depenent de la finestra d’histèresi. Figura 1.8.3 – Control d’histèresi 36 CAPÍTOL 3: LES FALTES ELÈCTRIQUES ALS ACCIONAMENTS AMB SRM I LES ACCIONS CORRECTORES CORRESPONENTS 37 CAPÍTOL 3: LES FALTES ELÈCTRIQUES ALS ACCIONAMENTS AMB SRM I LES ACCIONS CORRECTORES CORRESPONENTS CAPÍTOL 3: LES FALTES ELÈCTRIQUES ALS ACCIONAMENTS AMB SRM I LES ACCIONS CORRECTORES CORRESPONENTS 38 3.1 INTRODUCCIÓ Els SRM són els candidats ideals per varies aplicacions aeroespacials i d’automoció principalment per les seves característiques de tolerància a les faltes. Degut a la independència magnètica de les seves fases i dels circuits elèctrics del convertidor, una falta a qualsevol debanat del motor o qualsevol fase del convertidor (una o varies fases alhora) pot ser detectada i alliberada sense afectar a les altres fases. L’accionament pot seguir treballant amb l’únic inconvenient de la reducció proporcional, al nombre de fases inactives del nombre total de fases, de potència. El convertidor que utilitzem és el de configuració clàssica (amb una lleugera modificació que es pot apreciar en l’annex corresponent) entre altres coses, perquè és el més apropiat per utilitzar quan la tolerància a faltes és important. En comparació, les faltes als debanats en màquines de CA de varies fases tenen conseqüències més greus. Una falta en una fase comporta efectes seriosos al comportament de les altres fases degut a l’acoblament magnètic mutu entre les bobines de l’estator. Amés, els debanats de l’estator de les típiques màquines trifàsiques de CA estan connectades en estrella o en triangle, augmentant l’acoblament elèctric de les fases. La caiguda d’una fase, degut a la desconnexió d’algun debanat o per el fall d’algun interruptor de potència, es reflexa a la màquina amb una sola fase excitada En aquest capítol s’explica la metodologia utilitzada per la identificació i classificació de les possibles faltes dels accionaments amb SRM, es mencionen les diverses faltes que poden tenir cada part de l’accionament, quins efectes poden tenir sobre el funcionament de l’equip i els possibles danys causats. No s’han tingut en compte les faltes entre els diferents elements de l’accionament (motor, convertidor i font d’alimentació) ja que són unes faltes de les que hi ha relativament poca informació, són faltes que degut a la seva distància física són molt poc probables i per fer-ne la simulació portarien molt temps per l’estudi i no s’arribaria determinar el comportament real del motor ja que hi intervenen molts factors externs al sistema com per exemple el lloc on esta instal·lat l’accionament, si la connexió a massa esta directe amb cable o amb alguna resistència, etc. De les faltes en la font d’alimentació hi ha una breu explicació però no hi ha simulacions ja que els efectes que produeixen són inhabilitació de tot el sistema. CAPÍTOL 3: LES FALTES ELÈCTRIQUES ALS ACCIONAMENTS AMB SRM I LES ACCIONS CORRECTORES CORRESPONENTS 39 3.2 CLASSIFICACIÓ DE LES FALTES ELÈCTRIQUES Diferents autors (Suresh Gopalakrishnan, Avoki M. Omekanda i Bruno Lequesne) han recopilant informació sobre el tema hi han realitzat l’article referenciat en la bibliografia com [2] on han classificat les faltes segons el seu principi (curt circuit o circuit obert). En aquest treball s’ha utilitzat aquest article per agafar l’idea, però la classificació que s’ha fet està basada en la situació física en l’accionament. S’han separat les faltes segons la ubicació en l’accionament (motor, convertidor i alimentació). Les faltes en el motor estan denotades amb les lletres FM (Falta Motor), les faltes en el convertidor estan denotades amb les lletres FC (Falta convertidor) i les faltes a l’alimentació FA (Falta alimentació). En el document es pot fer referència a elles tan per el nom com per les sigles descrites. La metodologia utilitzada per identificar totes les possibles faltes elèctriques consisteix en [2]: 1) Denotar totes les possibles faltes del circuit i construir una taula per cada ubicació amb les diferents faltes. 2) Com resultat, han estat identificats 4 possibles faltes al motor, 5 possibles faltes al convertidor i 3 possibles faltes en l’alimentació. TAULA I: Faltes al motor FM1 Fase parcialment curtcircuitada FM2 Tota la fase curtcircuitada FM3 Debanat en circuit obert ( connexió sèrie) FM4 Debanat (connexió paral·lel) TAULA II: Faltes al convertidor FC1 Curt circuit en l’interruptor a) Interruptor commutador b) Interruptor control FC2 Interruptor en circuit obert FC3 Curt circuit en el díode a) Al del costat de l’interruptor commutador b) Al del costat de l’interruptor controlador FC4 Díode en circuit obert a) Al del costat de l’interruptor commutador b) Al del costat de l’interruptor controlador FC5 Tota la fase curtcircuitada CAPÍTOL 3: LES FALTES ELÈCTRIQUES ALS ACCIONAMENTS AMB SRM I LES ACCIONS CORRECTORES CORRESPONENTS 40 TAULA III: Faltes a l’alimentació FA1 Curt circuit de la font d’alimentació FA2 Circuit obert en l’alimentació FA3 Circuit oberta al condensador de l’alimentació. 3.3 DESCRIPCIÓ DE LES DIFERENTS FALTES Cada vegada que es produeixi una faltes quedarà memoritzada fins que es reinicialitzi manualment el bloc de detecció de faltes. Aquesta memòria és necessària per evitar que el motor arranqui amb alguna falta detectada amb anterioritat i evitar així la necessitat de detectarla i alliberar-la de nou produint moments perillosos per l’accionament. 3.3.1 FALTES EN EL MOTOR 3.3.1.1 CURT CIRCUIT PARCIAL D’UNA FASE (FM1) Assumint la independència de les fases, és possible centrar l’anàlisi en cada fase per separat, resultant el circuit que es mostra en la figura 3.1. En la presència d’un curt circuit parcial de la fase, i per un corrent de fase determinat (fixa), el flux magnètic i el flux concatenat són més dèbils, per que hi ha menys espires actives que generen flux. Això provoca una aportació de parell inferior per part de la fase danyada i a conseqüència la corresponent baixada de velocitat instantània. Al tenir part de les espires curtcircuitades també implica una reducció de la resistència del debanat, fent inevitable un augment de corrent en la fase perjudicada respecte les demés en el cas de que treballem en pols únic o una reducció del parell respecte les demés fases si treballen en histèresi. Figura 3.1: Curt circuit del debanat i la definició dels corrents i1, i2 i i3 (es mostra el cas on esta curtcircuitat tot el pol). Les accions correctores que es poden aplicar en aquest cas en funció dels paràmetres són: MOTOR R2 R1 R3 i 3 , current en les espires curtcircuitades i 2 , current en el curt circuit i 1 , current en la fase danyada Flux a traves de les espires curtcircuitades arriba des de la part sana del debanat CAPÍTOL 3: LES FALTES ELÈCTRIQUES ALS ACCIONAMENTS AMB SRM I LES ACCIONS CORRECTORES CORRESPONENTS 41 Accions correctores per FM1 Control de corrent Pols únic (P.U.) a) Augmentar el corrent de referència de la fase perjudicada fins aconseguir que aporti un parell considerable controlant sempre que el valor de corrent no sigui excessiu i perjudicial per la màquina. b) Augmentar els angles de dispar de les fases sanes per reduir la zona de baix parell que produeix la falta (vigilant de no disparar els interruptors en la zona de inductància negativa, ja que provocaria parell negatiu). c) En els casos en que el nombre d’espires curtcircuitades sigui baix, només serà necessària l’aplicació de l’acció a). d) En els casos en que el nombre d’espires curtcircuitades sigui elevat, que el corrent podria arribar a nivells perillosos per l’accionament per aconseguir un bon parell aplicant només a), s’hauran d’aplicar les accions correctores a) i b). a) Reduir els angles de conducció de la fase danyada per evitar que el corrent assoleixi uns nivells perillosos per l’accionament. b) Inhabilitar la fase. c) Augmentar els angles de dispar de les fases sanes per reduir la zona de baix parell que produeix la falta. d) En els casos en que el nombre d’espires curtcircuitades sigui baix, només serà necessària l’aplicació de l’acció b) ja que el corrent no creixerà massa. e) En els casos en que el nombre d’espires curtcircuitades sigui elevat, serà necessària l’aplicació de les accions correctores a) i c) o b) i c).ja que el corrent tendirà a créixer molt i podria arribar a nivells perillosos per l’accionament. En alguns casos en que el nombre d’espires actives sigui molt petit, s’haurà de procedir de la mateixa manera que si d’un curt circuit en tota la fase es tractés (apartat 3.3.1.2), tant si l’accionament treballa en control de corrent com si ho fa a pols únic.. CAPÍTOL 3: LES FALTES ELÈCTRIQUES ALS ACCIONAMENTS AMB SRM I LES ACCIONS CORRECTORES CORRESPONENTS 42 3.3.1.2 CURT CIRCUIT DE TOTA LA FASE (FM2) Aquesta és una de les diferents faltes destructives que poden sorgir si no s’actua. En aquest cas, la resistència és pràcticament zero, i el corrent teòricament infinit, limitat només per la resistència de la falta, però com no tenim una font d’alimentació de potencia infinita simplement passa a ser un corrent molt elevat pel bus de continua i una tensió pràcticament igual a zero, per tan dispositiu quedaria inhabilitat. Les accions correctores que es poden aplicar en aquest cas són: Accions correctores per FM2 Control de corrent Pols únic (P.U.) a) Eliminar els senyals de dispar dels interruptors per alliberar la fase i evitar que tota la unitat quedi inhabilitada. b) Augmentar els angles de dispar de les fases sanes per reduir la zona de baix parell que produeix la falta (vigilant de no disparar els interruptors en la zona de inductància negativa, ja que provocaria parell negatiu). c) En tots els casos el corrent arribarà a nivells perillosos per l’accionament i s’hauran d’aplicar les dues accions correctores. 3.3.1.3 CIRCUIT OBERT DEL DEBANAT (FM3) En aquest cas el corrent de la fase és zero fent nul el flux concatenat, el parell entregat per la fase i la fent que velocitat instantània disminueixi. Si l’accionament esta en llaç tancat de control de velocitat, les fases sanes mantenen la velocitat constant augmentant el seu corrent, apareixent inevitablement un rissat del parell i de la velocitat. El problema és quan el motor esta treballant a velocitats i/o parells elevats, que treballa a pols CAPÍTOL 3: LES FALTES ELÈCTRIQUES ALS ACCIONAMENTS AMB SRM I LES ACCIONS CORRECTORES CORRESPONENTS 43 únic i el corrent no pot augmentar més, si el sistema treballa en regulació del corrent i el corrent és retallat pel convertidor, en aquest cas tampoc podrà augmentar el corrent (a no ser que es canviï la consigna de corrent). En aquests dos casos, el parell que és capaç d’entregar la màquina es redueix 1/n vegades (n és el nombre total de fases del motor). Si la càrrega del motor no disminueix, serà la velocitat la que caurà a una velocitat aproximadament 1/n (n és el nombre total de fases del motor). Les accions correctores que es poden aplicar en aquest cas són: Accions correctores per FM3 Control de corrent Pols únic (P.U.) a) Eliminar els senyals de dispar dels interruptors per evitar tenir-los commutant sense cap motiu, ja que tot element te una vida estimada en nombre d’actuacions. b) Augmentar els angles de dispar de les fases sanes per reduir la zona “morta” de parell que produeix la falta (vigilant de no disparar els interruptors en la zona de inductància negativa, ja que provocaria parell negatiu). CAPÍTOL 3: LES FALTES ELÈCTRIQUES ALS ACCIONAMENTS AMB SRM I LES ACCIONS CORRECTORES CORRESPONENTS 44 3.3.2 FALTES EN EL CONVERTIDOR 3.3.2.1 CURT CIRCUIT EN L’INTERRUPTOR (FC1) En aquest cas hem de diferencia entre dos casos, si el curt circuit està en l’interruptor controlador o si està en l’interruptor commutador. a) Interruptor commutador (I’A): En el moment en que el temps de commutació de la fase acaba, el corrent de la bobina es descarregarà a traves de DA i de I’A amb diferència de potencial V=0 (figura 3.6), en lloc de per els dos díodes a diferencia de potencia de VDC (figura 3.5), reduint considerablement la constant de temps del corrent de fase, fent així que la seva descàrrega sigui molt lenta i evitant que arribi a descarregar-se del tot. Figura 3.4: Curt circuit I’A. Figura 3.5: Descàrrega de la fase en Figura 3.6: Descàrrega de la fase condicions normals (estat 4) sota FC1 a (estat 3). Al estar, la bobina, contínuament amb corrent, aquesta fase crea parell positiu quan la inductància és ascendent (mode motor) i parell negatiu (que pot provocar vibracions i sorolls) quan la inductància és descendent (mode generador). Això provoca un rissat del parell mol elevat i per conseqüent de la velocitat (el PI intenta recuperar aquesta caiguda de velocitat augmentant el corrent de referència per mantenir la velocitat constant) podent arribar a desestabilitzar tot el dispositiu i arribar a provocar la seva aturada. CAPÍTOL 4: ENTORN DE SIMULACIÓ INTERACTIVA 51 CAPÍTOL 4: ENTORN DE SIMULACIÓ INTERACTIVA CAPÍTOL 4: ENTORN DE SIMULACIÓ INTERACTIVA 52 Històricament, el disseny dels accionaments elèctrics ha anat sempre lligat a la continua experimentació en el laboratori. Amb el sistema clàssic de disseny els prototips son construïts i només llavors pot comprovar si es reprodueixen en la pràctica els comportaments per els que han sigut construïts i que prèviament s’han suposat sobre el paper. En el cas de que l’accionament no compleixi amb els requisits de funcionament per els que ha estat construït hi ha que realitzar un nou prototip i construir-lo de nou amb el cost suplementari que això comporta. Aquest procés es repeteix fins que la resposta de l’accionament es la desitjada. En aquest tema s’introdueix el mètode alternatiu de prototipat ràpid per accionaments amb SRM mitjançant simulacions interactives. Es presenta també el concepte de sistema multinivell i es presenten les eines informàtiques disponibles per el modelat i la simulació de les parts que composen l’accionament. 4.1 INTRODUCCIÓ A LA SIMULACIÓ [1] La construcció d'un accionament elèctric és un procés complicat i laboriós on les diferents parts que ho componen han de ser tractades com un únic conjunt per a poder portar a terme una correcta realització del disseny. En un motor SRM, per exemple, és necessari saber que topologia i per tant que nombre de fases va a tenir el motor per a decidir només llavors que tipus de convertidor de potència seria més adequat triar per a l'estratègia de control desitjada. Aquest exemple tan obvi dóna una idea de l'enorme quantitat de variables que estan presents en el disseny de qualsevol accionament elèctric. No convé oblidar tampoc que per a qualsevol màquina que pretenguem construir hauríem de tenir en compte, a més de les variables elèctriques i mecàniques, els aspectes magnètics, tèrmics, etc. La resolució d'aquesta gran quantitat de variables ens encamina a la necessitat de recórrer a la informàtica i més concretament a les simulacions interactives per a conèixer de forma fiable la resposta que tindrà l'accionament una vegada construït. El gran avantatge de l'ús d'eines de simulació va a ser precisament la de permetre estudiar els diferents sistemes que conformen un accionament sense haver de disposar d'ell físicament. Amb la simulació interactiva visualitzem el comportament dels accionaments amb l'objectiu de validar els dissenys inicials. Posteriorment i mitjançant el control digital, vam implementar els diferents controls per a règims permanents i transitoris sense el risc de cometre errors que danyin a l'accionament. CAPÍTOL 4: ENTORN DE SIMULACIÓ INTERACTIVA 53 Una altre avantatge important que presenta la simulació interactiva és la d'una important reducció en el temps que transcorre des que s'investiga el disseny d'un accionament fins que es construeix. Aquesta reducció de temps es deu al fet que amb el sistema clàssic de disseny de l'enginyeria tradicional les diferents tasques que conformen el procés de fabricació dels accionaments es realitzen d'una manera seqüencial, és a dir, solament es realitza una tasca (investigació, anàlisi, prototipat, etc.) quan ha finalitzat l'anterior. Això no succeeix en l'enginyeria concorrent, en la qual com el seu propi nom indica les diferents tasques que conformen el procés de fabricació es realitzen al mateix temps gràcies a la simulació virtual interactiva. En la figura 4.1 podem veure la reducció de temps que s’obté amb la enginyeria concurrent en front a la enginyeria tradicional. Figura 4.1: Temps emprats en la enginyeria convencional i concurrent. Aquesta reducció en el temps de fabricació repercutirà també en una reducció del cost econòmic de l'accionament. No obstant això i malgrat tot l'exposat, encara disposant de potents eines de simulació informàtiques, continua sent de vital importància el correcte disseny inicial de la màquina per a CAPÍTOL 4: ENTORN DE SIMULACIÓ INTERACTIVA 54 aconseguir no solament uns resultats fiables sinó uns resultats fiables que puguin ser optimitzats amb petits ajustaments en disseny original de l'accionament. 4.2 INTRODUCCIÓ AL PROTOTIPAT RÀPID D’ACCIONAMENTS AMB SRM[1] Per el correcte desenvolupament d'accionaments amb SRM mitjançant prototipat ràpid es realitza un seguiment de l'accionament des del disseny de la seva geometria fins als algorismes de control utilitzant entorns virtuals definits per a la simulació interactiva. En aquests entorns podem assajar el que succeeix en l'accionament quan s'introdueix un canvi en qualsevol etapa de disseny, permetent comparar d'una forma ràpida com afecten les variacions realitzades. Els desavantatges dels sistemes tradicionals de desenvolupament d'accionament amb SRM poden apreciar-se en la següent figura 4.2.1. La verificació dels dissenys ha d'obtenir-se per assaig amb la qual cosa és imprescindible disposar del prototip real de l'accionament. Això retardarà el procés final de fabricació i per tant la producció. Figura 4.2.1: Desenvolupament tradicional d’un accionament amb SRM. Les tècniques de prototipat virtual, a més d'estalviar temps i diners, resulten més senzilles d'aplicar una vegada escollit el model a emprar per a simular l'accionament, ja que permeten obtenir un prototip virtual amb el qual es realitzen els assajos i les modificacions pertinents abans de la construcció del prototip real. Però el gran avantatge d'aquesta metodologia és que permet realitzar els tests aprofitant tot el treball efectuat amb anterioritat en l'anàlisi. CAPÍTOL 4: ENTORN DE SIMULACIÓ INTERACTIVA 55 Figura 4.2.2: Desenvolupament mitjançant prototipat virtual d’un accionament amb SRM. Com pot veure's en la figura 4.2.2 una de les tasques més importants en aquests sistemes és el correcte modelatge. No solament es definiran els models més exactes sinó aquells que siguin els més útils i adaptats a la realitat ja que posteriorment haurien de ser validats amb accionaments reals obtenint-se els resultats d'aplicació previstos. Quan tots els models que componen l'accionament es validen mitjançant un accionament real es considera que el disseny mitjançant prototips virtuals es converteix en una eina fiable, a través d'un procés evolutiu de constant realimentació entre la realitat física i el món virtual. Per tant els models poden incorporar a més el resultat de l'experiència, afegint aspectes que matemàticament no s'havien considerat però que a la pràctica resulten molt útils. És molt important escollir adequadament les eines informàtiques que emprarem per construir els models de les diferents parts que conformen l’accionament ja que aquests poden ser manejats i adaptats en funció de l’aplicació. CAPÍTOL 4: ENTORN DE SIMULACIÓ INTERACTIVA 56 4.3 MODELAT DE L’ACCIONAMENT AMB SRM [1] 4.3.1 INTRODUCCIÓ En l'actualitat, els equips informàtics permeten efectuar en temps relativament curts les simulacions de multitud de fenòmens físics, elèctrics i magnètics, donant lloc a la representació del que ha passat en els circuits i sistemes elèctrics i electrònics. El principal avantatge de la simulació radica en la possibilitat d'executar multitud de proves en poc temps, així com preveure el comportament d'aquests circuits o sistemes en etapes inicials de disseny, abans de ser construïts. A més, una vegada construïts és possible observar el seu funcionament, mitjançant la simulació també podem estudiar possibles millores de paràmetres per a un redisseny posterior. Encara així, hi ha alguns aspectes que no han de descuidar-se. En primer lloc, cal tenir en compte que el resultat de la simulació estarà fitat a la fiabilitat del model utilitzat per a caracteritzar el sistema, pel que serà molt important l'elecció d'aquest model i la posterior validació coneixent les seves limitacions sobre la base de les hipòtesis *simplificatives que s'hagin introduït en ell, per a després fer una correcta interpretació dels resultats obtinguts. A més, és de vital importància disposar de resultats experimentals obtinguts mitjançant un gran nombre d'assajos realitzades amb equipament de mesura sobre prototips reals, el que suposa un llarg procés d'estudi mitjançant elements finits, permetent que el model s'ajusti satisfactòriament al comportament real de la màquina contrastant la fiabilitat del model i del programa informàtic utilitzat en la simulació com pot veure's en la següent figura 4.3.1.1. Figura 4.3.1.1: Passos a seguir per la validació d’un model. CAPÍTOL 4: ENTORN DE SIMULACIÓ INTERACTIVA 57 En la simulació de màquines elèctriques, i més concretament del motor de reluctància auto commutat, s'ha anat avançant progressivament en l'estudi i utilització dels models, des de models relativament senzills sense considerar la saturació de la màquina, fins a models molt més complexos on a més es consideren aspectes magnètics i tèrmics. En ocasions, la complexitat d'aquests models no justifica la precisió que s'aconsegueix en el càlcul, pel que la decisió final en l'elecció del model dependrà de l'aplicació última a la qual va dirigida la simulació efectuada. Sigui quin sigui el model utilitzat per simular el motor SRM, aquest haurà de conviure amb altres models (veure figura 4.3.1.2) com son: el convertidor, els sensors, etc, per formar el modelat multinivell de l’accionament complet. Figura 4.3.1.2: Sistema multinivell per el modelat de l’accionament amb SRM complet. Aquests models han de complir unes normes de compatibilitat ja que pot ser que no tots estiguin modelats amb el mateix software, i de fet no acostumen a estar-hi. Deuen ser compatibles entre ells definint unes entrades i sortides que formaran l’accionament tal i com es pot veure en la figura 4.3.1.2. Com ja hem comentat, els models que haurem creat per conformar el sistema multinivell d’un accionament bàsic amb SRM seran principalment: • Un model per la estructura magnètica reluctant. • Un model per el convertidor estàtic. • Un model per el sensor de posició. • Un model per el controlador de la seqüència de commutació. CAPÍTOL 4: ENTORN DE SIMULACIÓ INTERACTIVA 58 Amés d’aquests, poden ser creats més models per perfeccionar el sistema multinivell de l’accionament a l’hora de realitzar les simulacions interactives com per exemple models que simulin un tipus de càrrega especifica, models que implementin diversos tipus de control, etc. 4.3.1.1 EQUACIONS QUE DESCRIUEN EL COMPORTAMENT LINEAL DELS SRM Les equacions que podem emprar mitjançant un model lineal sense considerar la saturació son: 𝑈𝑈=𝑅𝑅𝑃𝑃ℎ ·𝑖𝑖𝑃𝑃ℎ +𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑑𝑑𝑑𝑑 (4.3.1.1.1) 𝑑𝑑=𝐿𝐿(𝜃𝜃) · 𝑖𝑖𝑃𝑃ℎ (4.3.1.1.2) 𝑀𝑀=∑1 2 𝑚𝑚 𝑖𝑖=1 ·𝐿𝐿(𝜃𝜃) 𝑑𝑑𝜃𝜃 ·𝑖𝑖2 𝑃𝑃ℎ (4.3.1.1.3) 𝐽𝐽𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑑𝑑𝑑𝑑 =𝑀𝑀−𝑀𝑀𝐿𝐿 (4.3.1.1.4) On: U=Tensió d’alimentació. RPh=Resistència de fase. IPh=Corrent de fase. ψ=Flux concatenat de fase. L(θ)=Inductància, en funció de la posició rotòrica (θ). J=Moment d’inèrcia. ω=Velocitat angular. M=Parell motor. ML=Parell resistent. m=nombre de fases. En el SRM la inductància mútua entre fases és molt petita, per el que la superposició del parell individual de cada fase proporciona el parell electromagnètic total, tal com s’ha indicat en l’equació 4.3.1.1.3. Per caracteritzar la evolució de la inductància en funció de la posició rotòrica, L(θ), es poden emprar diferents models els quals s’abordaran més endavant. CAPÍTOL 4: ENTORN DE SIMULACIÓ INTERACTIVA 59 4.3.1.2 EQUACIONS QUE DESCRIUEN EL COMPORTAMENT NO LINEAL DELS SRM. Les equacions a considerar, emprant el model no lineal, son les següents: 𝑈𝑈=𝑅𝑅𝑃𝑃ℎ ·𝑖𝑖𝑃𝑃ℎ +𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑑𝑑𝑑𝑑 (4.3.1.2.1) 𝑊𝑊′(𝜃𝜃,𝑖𝑖)=∫𝑑𝑑(𝜃𝜃,𝑖𝑖)𝑑𝑑𝑖𝑖 𝑖𝑖 0 (4.3.1.2.2) 𝑀𝑀=∑�𝑑𝑑𝑊𝑊′(𝜃𝜃,𝑖𝑖) 𝑑𝑑𝜃𝜃 �𝑖𝑖=𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑑𝑑𝑐𝑐𝑐𝑐𝑑𝑑 𝑚𝑚 𝑖𝑖=1 (4.3.1.2.3) 𝐽𝐽𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑑𝑑𝑑𝑑 =𝑀𝑀−𝑀𝑀𝐿𝐿 (4.3.1.2.4) On: U=Tensió d’alimentació. RPh=Resistència de fase. IPh=Corrent de fase. ψ=Flux concatenat de fase. θ=Posició rotòrica W’=Coenergia J=Moment d’inèrcia. ω=Velocitat angular. M=Parell motor. ML=Parell resistent. m=nombre de fases. 4.3.1.2.1 IMPORTÀNCIA DE LES CORBES DE MAGNETITZACIÓ EN EL MODELAT NO LINIAL [1] Per iniciar qualsevol tasca de simulació d’un accionament és necessari introduir el model del motor a emprar en el programa de simulació, per tant a més de necessitar el nombre de pols del rotor i estator, el tipus de convertidor o les equacions de corrent, és necessari conèixer prèviament les corbes de flux concatenat en funció del corrent per les diferents posicions rotòriques, preses entre les posicions de alineament i de no alineament dels pols rotòrics amb els estatòrics, denominades corbes de magnetització ψ=ψ(θ,i), les quals es mostren en la figura 4.3.1.2.1.1. CAPÍTOL 4: ENTORN DE SIMULACIÓ INTERACTIVA 60 Figura 4.3.1.2.1.1: Corbes de magnetització ψ=ψ(θ,i) per un SRM. Un dels objectius d’aquest treball es el d’obtenir un model per el motor SRM que forma part de l’accionament complet (SRD) del qual inicialment no es disposa de cap informació addicional ni experimental, encara que si es pot afirmar que les corbes de magnetització poden obtenir-se de dues formes segons s’observa en la figura 4.3.1.2.1.2. Figura 4.3.1.2.1.2: Metodologia d’obtenció de les corbes de magnetització. Aquestes corbes es poden obtenir analíticament o mitjançant simulació a través de programari específic per l’anàlisi mitjançant elements finits (FEA). També poden obtenir-se CAPÍTOL 4: ENTORN DE SIMULACIÓ INTERACTIVA 67 4.3.2.2 MODELAT NO LINEAL. Aquest modelat l’hem realitzat com ja s’ha comentat anteriorment, amb el programa d’elements finits FLUX. Per aconseguir les corbes necessàries (flux concatenat, inductància i parell) s’ha agut d parametritzar el programa perquè realitzi els càlculs per els corrents i per les posicions desitjades, en el nostre cas cada 0,5º i fins a 200A. Al haver de realitzar tants càlculs, el programa tarda unes dues hores en realitzar la simulació i hem hagut d’executar-ho quatre cops, per poder obtenir les corbes per les situacions de falta de curt circuit parcial del debanat del motor i en cada cas s’han hagut de processar les dades, ja que, una vegada fets els càlculs era necessari extreure, de una en una les diferen5ts taules. Figura 4.3.2.2.2.1: Corbes de flux concatenat del motor en funció del corrent i de la posició obtingudes amb el FLUX i utilitzades per el modelat del motor. 020 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 Flux concatenat (i, O) i (A) Flux (Wb) Posició de no alineament Posició d'alineament CAPÍTOL 4: ENTORN DE SIMULACIÓ INTERACTIVA 68 Figura 4.3.2.2.2.2: Corbes de la inductància del motor en funció de la posició i del corrent obtingudes amb el FLUX i utilitzades per el modelat del motor. Figura 4.3.2.2.2.3: Corbes del parell entregat pel motor en funció de la posició i del corrent obtingudes amb el FLUX i utilitzades per el modelat del motor. 010 20 30 40 50 60 0 1 2 3 4 5 6 7x 10-3 Inductància (O, i) Posició (º) Inductància (H) Posició d'alineament Posició de no alineament 010 20 30 40 50 60 -60 -40 -20 0 20 40 60 Posició (º) Parell (N·m) 10e-1 Parell (i,O) CAPÍTOL 4: ENTORN DE SIMULACIÓ INTERACTIVA 69 4.3.2.2.3 VERIFICACIÓ DELS MODELS PROPOSATS Les corbes de magnetització obtingudes mitjançant el programa d’elements finits (FLUX) permeten simular el comportament del SRM. Els models no lineals que s'han proposat s'ha implementat utilitzant Simulink, modelant també el comportament del convertidor estàtic i tots els elements sensors i de control de la forma que es veurà en aquest capítol més endavant. Seguidament es contrasten els resultats experimentals (mesura real) obtinguts per al SRM 8/6 descrit en l'annex de motors utilitzant un control a pols únic a 1400 rpm (Veure figura 4.2.3.2.3.1) amb els resultats obtinguts mitjançant el model no lineal utilitzant les corbes de inductància (corbes inductància) i el model no lineal utilitzant les corbes de flux concatenat (corbes flux). Figura 4.3.2.2.3.1: Validació de la forma d’ona del corrent per alta velocitat (1400 rpm). Constatant-se que els resultats simulats comparats amb els experimentals són bastant satisfactoris, pel que aquest model pot ser d'ajuda per a la consideració de diferents configuracions de l'estructura electromecànica del motor i per a l'avaluació de diferents estratègies de control simplificant el modelatge del SRM. 00.5 11.5 22.5 33.5 x 10 -3 0 5 10 15 20 t(s) I (A) Corrent de fase corbes flux corbes inductància mesura real CAPÍTOL 4: ENTORN DE SIMULACIÓ INTERACTIVA 70 4.4 EINES INFORMÀTIQUES 4.4.1 INTRODUCCIÓ [1] El modelatge d'un accionament amb SRM ha d'estar definit de tal manera que pugui adaptar-se correctament a l'aplicació per a la qual va ser dissenyat. Un indicatiu de la qualitat d'aquest model serà la rapidesa amb la qual el model pugui implementar-se. Aquesta disminució del temps que transcorre des que es dissenya fins que s'implementa un prototip és possible gràcies a les eines informàtiques. Però com hem comentat, el disseny és un procés complex en el qual no tots els models de les parts que componen l'accionament són dissenyats amb les mateixes eines informàtiques. Així dons, hem d'introduir tots els models que conformin l'accionament en un entorn que els compatibilitzi de tal forma que assolim crear un únic model de l'accionament complet. Aquest entorn rep el nom d'entorn de simulació. L'elecció dels programes informàtics que intervenen en el procés de fabricació d'un accionament mitjançant prototipat ràpid (modelatge i simulació) és de vital importància ja que de la seva potència i versatilitat dependrà en gran mesura el resultat final. Existeixen molts mètodes per al modelatge dels elements d'un accionament i molts paquets de programari que permeten el disseny multinivell en la simulació d'un accionament. Les formes més esteses per a la descripció de models són les següents: • ML (Modeling Language) Utilitzant llenguatges de Modelatge (C/C++, PASCAL, MATLAB, etc.). • BD (Block-diagrams) mitjançant diagrames de blocs (SIMULINK, CASPOC, etc.).ƒ • FEA (Finite Element Analysis) l'ús de mètodes numèrics per a l'anàlisi mitjançant elements finits de camps electromagnètics (FLUX, ANSYS, MAXWELL, FEMLAB, etc.). • CD (Circuit diagrams) mitjançant esquemes de circuit (SIMPLORER, PSpice, Saber, Power System Blockset, etc.). Cadascun d'ells es pot associar a la simulació d'algun aspecte relacionat amb els accionaments elèctrics; per exemple, FEA per a l'anàlisi dels camps electromagnètics que permetran el correcte disseny de la geometria, o escollir els materials correctament; CD per a la simulació del convertidor de manera que es podran escollir correctament, tant els interruptors, com les seves xarxes de protecció o ajuda a la conducció o BD per a modelar els algorismes de control per a la màquina. És molt important conèixer per endavant les possibilitats d'interacció i compatibilitat entre els programes que intervenen en el procés de prototipat ràpid. No té sentit triar una eina informàtica de gran potència si després no és versàtil per a poder enllaçar-se amb altres models CAPÍTOL 4: ENTORN DE SIMULACIÓ INTERACTIVA 71 realitzats en altres programes en l'entorn de simulació per a la realització de les simulacions interactives. 4.4.2 SOFTWARE EMPRAT 4.4.2.1 OBTENCIÓ DE LES CORBES El primer pas obtenir les corbes del motor és tenir clara la seva geometria, esquema elèctric (resistència, Nº d’espires, etc.) i característiques magnètiques reluctants per introduir-ho en algun programa d’elements finits, en el nostre cas el flux, per obtenir les corbes necessàries (flux concatenat i parell en funció del corrent i de la posició) a introduir en les equacions. S’han d’introduir els valors de corrent i posició dels quals es desitja que el programa faci els càlculs, un cop s’han fet els càlculs, es poden obtenir totes les corbes desitjades (flux concatenat, inductància, parell, etc) en funció de les variables desitjades, en el nostre cas posició i corrent. Com que es tracta d’un projecte dedicat a les faltes, s’han realitzar diferents corbes, per simular les faltes reals de curts circuits d’espires (53, 53 i 18 espires curtcircuitades) a part de les 70 espires de funcionament normal. Tal com s’explica sembla un procés fàcil i ràpid, el primer concepte es cert, però el segon es totalment fals, el programa realitza molts càlculs i per finalització d’una sola de les taules triga al voltant de 2 hores. Les equacions no treballen amb el flux o la inductància directament, treballen amb les seves derivades parcials com es pot observar en les equacions elèctriques. Per obtenir aquestes derivades ho hem fet seguint un procés molt senzill, agafant les taules obtingudes en el flux, introduir-les en un programa de fulls de càlculs i amb una senzilla formula aconseguíem el desitjat. Per realitzar el modelat del motor emprat en la nostra simulació ens hem basat en les següents equacions elèctriques i mecàniques: Equacions elèctriques: CAPÍTOL 4: ENTORN DE SIMULACIÓ INTERACTIVA 72 ±𝐴𝐴=𝑅𝑅𝑖𝑖 −𝜕𝜕𝑑𝑑 𝜕𝜕𝑑𝑑 (𝜃𝜃,𝑖𝑖) (4.4.2.1.1) 𝑑𝑑𝑖𝑖 𝑑𝑑𝑑𝑑 = 1 𝜕𝜕𝑑𝑑 𝜕𝜕𝑖𝑖 (𝜃𝜃,𝑖𝑖)�±𝐴𝐴−𝑅𝑅𝑖𝑖−𝑑𝑑𝜕𝜕𝑑𝑑 𝜕𝜕𝜃𝜃 (𝜃𝜃,𝑖𝑖)� (4.4.2.1.2) 𝑑𝑑𝑖𝑖 𝑑𝑑𝑑𝑑 = 1 𝑙𝑙(𝜃𝜃,𝑖𝑖)�±𝐴𝐴−�𝑅𝑅+𝑑𝑑𝜕𝜕𝐿𝐿 𝜕𝜕𝜃𝜃 (𝜃𝜃,𝑖𝑖)�𝑖𝑖� (4.4.2.1.3) 𝑑𝑑𝑖𝑖 𝑑𝑑𝑑𝑑 = 1 𝐿𝐿(𝜃𝜃,𝑖𝑖)�±𝐴𝐴−�𝑅𝑅+𝑑𝑑𝑑𝑑𝐿𝐿 𝑑𝑑𝜃𝜃 (𝜃𝜃,𝑖𝑖)�𝑖𝑖� (4.4.2.1.4) Equacions mecàniques: 𝑑𝑑𝜃𝜃 𝑑𝑑𝑑𝑑 =𝑑𝑑 (4.4.2.1.5) 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝜕𝜕𝑑𝑑 =1 𝐽𝐽{𝑇𝑇(𝜃𝜃,𝑖𝑖)−𝑇𝑇𝑚𝑚𝑚𝑚𝑐𝑐ℎ} (4.4.2.1.6) P=M/ω (4.4.2.1.7) i= corrent J=moment d’inèrcia l=inductància incremental L=inductància R=resistència t=temps T=parell V=tensió W’=coenergia Ф=angle de cicle complet ψ=flux concatenat ω=velocitat angular θ=posició. P=potència M=parell 4.4.2.2 IMPLEMENTACIÓ DE LES CORBES I DE TOT L’ACCIONAMENT Per implementar totes les corbes obtingudes en el procés anterior hem apostat pel programa simulik de MATLAB on hi ha una gran varietat d’eines que permeten realitzar els models del CAPÍTOL 4: ENTORN DE SIMULACIÓ INTERACTIVA 73 motor i tots els altres elements de l’accionament, permetent la seva interconnexió i realitzar la simulació correctament i en un mateix entorn gràfic facilitant al programador el no tenir que aprendre’s diferents programes. 4.5 ENTORN UTILITZAT I POSSIBILITATS QUE ENS PERMET Per poder realitzar les simulacions hem utilitzat el programa FLUX on, amb el disseny del motor realitzat anteriorment per un altre projectista, s’han fet una sèrie de proves i simulacions per aconseguir les corbes de flux concatenat i les de parell per poder introduir-les en el model del motor amb el qual treballarem amb SIMULINK de MATLAB. Tan les corbes de flux concatenat com les de parell s’han hagut d’obtenir pel funcionament normal del motor com pels diferents valors de curt circuit parcial del debanat, ja que en cada cas, el valor de la resistència del debanat i el nombre d’espires varien, variant el valors de flux concatenat, i el parell entregat en funció del corrent, fent necessària la tasca d’obtenció de les corbes per cada cas amb la finalitat d’obtenir els valors en les simulacions el més propers a la realitat. El model del motor utilitzat amb SIMULINK ha estat realitzat segons les equacions de la referència bibliogràfica [14]. S’han utilitzat dos models diferents, un realitzat amb les equacions que treballen amb el flux concatenat i l’altre realitzat amb les equacions que treballen amb la inductància. S’han fet aquests dos models per comprovar i demostrar que les dues formes de treballar son correcte i que la diferència entre els dos models es quasi insignificant. Les equacions utilitzades pels diferents models son les de l’apartat 4.4.2.1 En el programa utilitzat per les simulacions de les faltes s’ha organitzat l’entorn gràfic de tal manera que resulti més ràpid i senzill d’entendre el perquè de cada acció en el moment de realitzar les faltes desitjades. En la pantalla principal hi ha situada una estructura composada pel model del motor, el convertidor, un mòdul encarregat de la gestió del mode d’operació del convertidor, un regulador del corrent i un mòdul encarregat de generar la seqüència de dispar dels interruptors de cada fase. També hi ha dos bolcs “secundaris”, en el primer anomenat “faults simulation” on hi ha els diferents sistemes per crear les diferents faltes a simular, i el segon “measurements” on hi ha situats els diferents oscil·loscopis virtuals per mesurar les magnituds desitjades en cada cas. CAPÍTOL 4: ENTORN DE SIMULACIÓ INTERACTIVA 74 4.5.1 MODLAT DEL MOTOR SRM Figura 4.5.1.1: Bloc principal del model del SRM. CAPÍTOL 4: ENTORN DE SIMULACIÓ INTERACTIVA 75 Figura 4.5.1.2: Contingut principal del model del SRM. Dins el bloc Quikly starter hi ha un sistema amb el qual es pot realitzar una engegada ràpida, dona al llaç mecànic la consigna de condició inicial com la velocitat de referència. Figura 4.5.1.3: Contingut del bloc Quikly starter. En el bloc de llaç mecànic hi ha interpretades les equacions mecàniques de l’apartat 4.4.2.1. CAPÍTOL 4: ENTORN DE SIMULACIÓ INTERACTIVA 76 Figura 4.5.1.4: Contingut del bloc del llaç mecànic. Això és el que conté el bloc del sensor de posició, l’hi entra la velocitat en rad/s i obtenim l’angle. Figura 4.5.1.5: Contingut del bloc sensor internal loop.. Aquest és el contingut del bloc del model elèctric on hi ha els blocs de les quatre fases i un altre bloc en la fase A anomenat CC partial resistors. Figura 4.5.1.6: Contingut del bloc elèctric model. CAPÍTOL 4: ENTORN DE SIMULACIÓ INTERACTIVA 83 Figura 4.5.4.3: Contingut del bloc Position sensor. Aquest bloc te la funció de generar les senyals de control de les quatre branques del convertidor amb l’entrada dels angles de dispar que volem per cada fase per separat, permetent així realitzar alguna de les accions correctores (canvi d’angles de conducció). CAPÍTOL 4: ENTORN DE SIMULACIÓ INTERACTIVA 84 4.5.5 MODLAT DEL REGULADOR DE CORRENT Figura 4.5.5.1: Bloc principal del Figura 4.5.5.2: Contingut del bloc principal regulador de corrent. del regulador de corrent. Aquest bloc es l’encarregat de generar els senyals de regulació dels interruptors del convertidor mitjançant l’entrada del corrent de referència i el corrent real de cada fase fent la comparació amb un regulador d’histèresi. Es pot observa que el la primera fase hi ha una petita modificació, hi ha un bloc de guany en sèrie amb el corrent de referència, amb el qual es realitza una acció correctora, augmentar el corrent de referència en la falta FM1, explicada en l’apartat 3.3.1.1. 4.5.6 MODLAT DEL PI PEL CONTROL DE VELOCITAT Figura 4.5.6.1: Bloc del controlador PI. CAPÍTOL 4: ENTORN DE SIMULACIÓ INTERACTIVA 85 Figura 4.5.6.1: Contingut del bloc del controlador PI. Aquest bloc es l’encarregat de proporcionar el corrent de referència al regulador quan s’està treballant en control de velocitat, s’entra la velocitat de referència desitjada, la velocitat real a la que està anant el motor. 4.5.7 MODLAT DEL BLOC PER LES FALTES Figura 4.5.7.1: Bloc de simulació de faltes. Dins aquet bloc s’ubiquen tots els dispositius necessaris per realitzar qualsevol de les faltes esmentades anteriorment, i a continuació es mostren separats per ubicació (motor i convertidor), hi ha un altre bloc, initial conditions, en el qual s’indicaran diverses condicions inicials desitjades. CAPÍTOL 4: ENTORN DE SIMULACIÓ INTERACTIVA 86 Figura 4.5.7.2: Apartat de simulació de faltes al motor. Es poden diferenciar dos blocs, el primer es el selector de les corbes de flux concatenat i de parell (obtingudes tal som s’explica anteriorment amb el programa FLUX), simulant els curts circuits parcials del debanat de la fase. El segon serveix per seleccionar les resistències en paral·lel que es volen connectar per simular, en la realitat i des de el punt de vista del convertidor, un surt circuit del debanat del motor, reduint la resistència de la fase vista per el convertidor, augmentant el corrent entregat i/o disminuint el parell entregat per la fase danyada. Qualsevol de les faltes mencionades es poden efectuar mentre el simulador s’està executant, permetent un resultat molt proper a la realitat. CAPÍTOL 4: ENTORN DE SIMULACIÓ INTERACTIVA 87 Figura 4.5.7.3: Apartat de simulació de faltes al convertidor. Les faltes que es poden realitzar en aquest apartat són bàsicament curts circuits i circuits oberts en els semiconductors (IGBT’s i díodes), esta separat per interruptors inferiors i interruptors superiors, ja que en funció de en quin dels dos tingui lloc la falta i si treballa com a commutador o com a controlador, les conseqüències poden ser diferents. Els dos apartats superiors de la figura són els encarregats de realitzar el canvi de commutador a controlador dels IGBT’s (el primer) i de canviar el convertidor (el segon). Els conceptes d’aquests canvies estan explicats detalladament en el capítol 3. Aquests dos blocs ja corresponen a l’apartat d’accions correctores. CAPÍTOL 4: ENTORN DE SIMULACIÓ INTERACTIVA 88 Figura 4.5.7.4: >Bloc de les condicions inicials del sistmea. Figura 4.5.7.5: Condicions inicials del sistema.. Les condicions inicials que es poden seleccionar son, com es veu en la figura 4.5.7.5, parell de càrrega, mode de commutació, engegada ràpida i velocitat de referència. El parell de càrrega esta implementat de tal manera que en funció de la velocitat que vagi el motor, el parell serà mes gran arribant a un parell de 3.5Nm a una velocitat de 1500rpm. Els dos modes de commutació que tenim disponibles són el soft, en el qual un interruptor treballa com a commutador i l’altre com a controlador i el hard on els dos interruptors treballen com a controladors. L’engegada ràpida és una opció que es va implementar per poder iniciar la simulació a una velocitat determinada, evitant tenir que realitzat l’engegada del motor i estalviant-nos temps en cada simulació. CAPÍTOL 4: ENTORN DE SIMULACIÓ INTERACTIVA 89 4.5.8 MODLAT DEL BLOC PER LES MESURES Figura 4.5.8.1: Bloc de les mesures necessàries. Figura 4.5.8.2: Entrades de les magnituds a mesurar i els oscil·loscopis per la seva visualització CAPÍTOL 4: ENTORN DE SIMULACIÓ INTERACTIVA 90 Figura 4.5.8.3: Contingut del bloc Secondary.. Aquestes son unes mesures que no són tan importants con les anteriors, tot i que no s’han de menysprear, algunes deteccions es realitzaran amb la combinació de mesures principals i mesures secundaries. CAPÍTOL 4: ENTORN DE SIMULACIÓ INTERACTIVA 91 Figura 4.5.8.4: Contingut del bloc To Workspace Blok. En aquest apartat el que es fa és guardar les dades de cada magnitud aquí posada en el Workspace per disposar d’elles en tot moment, inclòs una vegada tancat el programa, al tornar-lo a obrir, es troben les dades guardades en l’arxiu “.mat”. CAPÍTOL 4: ENTORN DE SIMULACIÓ INTERACTIVA 92 4.6 PLATAFORMA REAL TIME (RI) [1] Amb aquesta entorn podem fer totes les simulacions necessàries amb el model del motor a utilitzar i configurar-ho tot perquè respongui exactament com volem. Una vegada configurat i parametritzat podem connectar l’ordinador a la DSP, aquesta al convertidor al qual hi haurà connectat el motor real. A la DSP hi haurà una sèrie d’entrades i sortides per els sensors i els actuadors de l’accionament. Les entrades seran dels mesuradors de corrent, mesuradors de tensió, sensor de posició, etc. i les sortides seran els senyals de dispar dels IGBT’s A partir d’aquí podem començar a fer els assajos, el programa serà capaç de resoldre totes les situacions provades amb anterioritat en les simulacions. Hi ha una sèrie de llibreries que es carregaran al executar el Matlab que el comuniquen amb el programari de la DSP per poder, des de l’entorn gràfic de la mateixa, modificar les variables, fer lectures de les mateixes i modificar qualsevol factor que en el Simulink en ho permetès. Els senyals d'entrada a aquesta plataforma seran analògiques (de corrent i tensió) i digitals (de posició) degudament condicionades mitjançant les etapes descrites anteriorment. Les consignes de control s'introdueixen directament en els registres interns del dispositiu processador DSP, generant sortides digitals, que són funció de les diferents estratègies implementades mitjançant l'execució d'un programa en una estructura Programari per al control que treballa en RT (temps real). Aquests senyals processades s'extreuen sobre una plataforma Maquinari per al desenvolupament de controls digitals HIL anomenada 'ACE Kit 1.104' obtinguda a partir de DSP de la signatura DSpace com es lustra a la figura 4.6.1. Figura 4.6.1:Diagrama de blocs de la plataforma per el control en RT Aquesta plataforma preveu la implementació de les solucions finals mitjançant una altra eina Maquinari anomenada 'TargetLink' on els programes un cop depurats i testejats es bolquen en CAPÍTOL 4: ENTORN DE SIMULACIÓ INTERACTIVA 99 4.6.2.2 GENERACIÓ I ADQUISICIÓ DE SENYALS EN TEMPS REAL Han de parametritzar correctament tots els arguments de ControlDesk amb la targeta DS1104, la qual cosa serveix per a la generació i adquisició dels senyals en temps real. Inicialment hi ha d'haver un fitxer amb extensió 'MDL' a Simulink de Matlab per poder parametritzar la targeta DS1104. Val a dir que podem ajustar els paràmetres de cada component segons sigui el requerit per l'aplicació. Seguidament, s'ha de seleccionar el tipus de simulació canviant a manera extern i alhora modificar els paràmetres de simulació en temps real entrant a solver i real time worshop realitzant la configuració del temps d'inici i de final (infinit si es vol execució contínua). S'ajusta el temps de pas fix a causa que RTWorkshop no suporta mides de pas variable. Després de configurar la finestra de simulació de paràmetres, accedim al tauler de control de manera extern situat al menú de Simulink TOOLS, on es configura l'arxiu per a la interfície externa en temps real (en endavant Real Time Interface o RTI) el qual serà Win_tgt. D'aquesta forma quan s'accedeix al bloc de configuració DS1104 RTI només resta configurar els paràmetres d'adquisició i execució i ja es pot utilitzar la targeta DS1104 de l'estructura Maquinari presentada a la figura 4.6.1.4 introduint i extraient les corresponents senyals en Simulink. Els senyals que s'han previst queden recollides en el bloc DS1104 programat en Simulink que es mostra a la figura 4.6.2.2 i són: • 8 Sortides digitals (Una per a cada IGBT). • 4 Entrades Digitals (Una per a cada opto-interruptor). • 8 Entrades analògiques (7 per a la mesura de corrents i 1 de tensió de bus). • 1 Entrada per encoder incremental. Figura 4.6.2.2.1: Bloc programadr en Simulink per la comunicació amb el maquinari mitjançant la targeta de control DS1104 CAPÍTOL 4: ENTORN DE SIMULACIÓ INTERACTIVA 100 La programació dels senyals digitals mostrades en la figura 4.6.2.2.2 es realitza mitjançant una mascara de programació que s’obté del Real Time Interface. (a) Sortides digitals (b) Mascara de programació (c) Entrades digitals (Control dels IGBT’S) per entrades i sortides (Opto-interruptors) Figura 4.6.2.2.2: Configuració de les entrades i sortides digitals a Simulink (RTI). La mesura de corren ha de ser condicionada, segons el fons d’escala dels conversors digitals de la tatgeta DS1104 a ±10V de la forma mostrada en la figura 4.6.2.2.3. (a) Entrades analògiques. (b) Mascara de programació per les (Mesura de corrent i tensió) entrades digitals. Figura 4.6.2.2.3: Configuració de les entrades analògiques en Simulink (RTI). CAPÍTOL 4: ENTORN DE SIMULACIÓ INTERACTIVA 101 Convertint les dades d'entrada que tenen valors de ± 1V en senyals de ± 10 V amplificant per deu i seguidament afegint el guany de sensibilitat per cada tipus de transductor, obtenint d'aquesta manera els senyals de corrent reals. Per poder realitzar les mesures de posició mitjançant un encoder incremental és necessari afegir a l'espai de treball el bloc 'Encoder Màster Setup " (ds1104enc_setup) encarregat d'inicialitzar el encoder al sistema RTI i el bloc d'entrades de l'encoder 'ds1104enc_pos' on s'obté un senyal triangular de posició que en aquest cas és de 1500 PPR i ha de condicionar per a 360 graus segons es mostra a la figura 4.6.2.2.4. (a) Entrades digitals de encodel incremental. (b) Senyal obtinguda per la posició. Figura 4.6.2.2.4: Configuració de les entrades digitals de l’encoder incremental. La sortida 'Enc delta position indica el desfasament entre dos encoders i no es considera quedant anul • lada. Finalment es pot utilitzar el model de control per l'accionament complet (programat en Simulink) considerat en el capítol 4 per a la simulació SIL i afegir el bloc de la figura 4.6.2.2.1, obtenint un sistema HIL complet per al test i per tant la plataforma per al desenvolupament en RT com el de la figura 4.6.2.2.5. CAPÍTOL 4: ENTORN DE SIMULACIÓ INTERACTIVA 102 Figura 4.6.2.2.5: Esquema de connexió Software de la plataforma HIL. Un cop realitzat aquest procediment es pot utilitzar ControlDesk per tenir accés a les dades de forma gràfica i poder accedir als registres en temps real, actuant en les variables que es desitgin i depurant els programes per a ajustar els seus paràmetres de control amb l'accionament real. En al figura 4.6.2.2.6 es mostra un layout en l'entorn ControlDesk on pot veure la senyal de control per als interruptors trossejadors de cadascuna de les fases l'accionament amb el SRM 6 / 4 de l'annex. Figura 4.6.2.2.6: Layout d’un control de corrent per histèresi a 2.75A i 1500rpm. CAPÍTOL 4: ENTORN DE SIMULACIÓ INTERACTIVA 103 En la figura 4.6.2.2.7 s'ha capturat un experiment a 1500 rpm, on pot apreciar la mesura de corrent total per les tres fases mitjançant el senyal IMSingle, també pot observés les opcions de variació de la consigna de velocitat. Figura 4.6.2.2.7: Layout d’ajust de la velocitat de consigna i visualització del corrent total. 104 CAPÍTOL 5: SIMULACIÓ INTERACTIVA EN L’ANÀLISI DE LES FALTES I L’ESTUDI DE LES ACCIONS CORRECTORES 105 CAPÍTOL 5: SIMULACIÓ INTERACTIVA EN L’ANÀLISI DE LES FALTES I L’ESTUDI DE LES ACCIONS CORRECTORES. CAPÍTOL 5: SIMULACIÓ INTERACTIVA EN L’ANÀLISI DE LES FALTES I L’ESTUDI DE LES ACCIONS CORRECTORES 106 5.1 INTRODUCCIÓ En aquest capítol s’explica com s’han realitzat les faltes en el programa de simulació, les conseqüències de cada falta segons els resultats de les simulacions i els resultats obtinguts després de l’aplicació de les accions correctores. L’estudi da cada falta s’ha estructurat de la següent manera: Amb control de corrent (amb velocitat de referència 750 rpm i parell de càrrega de 1.75N·m) i treballant a pols únic: • Gràfica general de la falta. • Detall de les magnituds més afectades per la falta així com les més significatives per l’accionament. • Detalls específics de irregularitats puntuals (només en algunes faltes). • Gràfica general de la falta amb l’acció correctora implementada (en alguns casos diverses possibilitats). • Detall de les magnituds més significatives per l’accionament amb l’acció correctora implementada 5.2 FALTES AL MOTOR 5.2.1 CURT CIRCUIT PARCIAL D’UNA FASE Per realitzar aquesta simulació, hem emprat les diferents corbes de flux concatenat obtingudes amb el FLUX per les situacions de: • 1/4 del debanat curtcircuitat. • 1/2 del debanat curtcircuitat (de moment no hi ha les simulacions fetes). • 3/4 del debanat curtcircuitat. S’ha engegat el motor en funcionament normal i quan estava en regim permanent s’ha executat de canviar de les taules de funcionament normal a les taules corresponents al curt circuit parcial desitjat, canviant també la resistència de la fase afectada proporcionalment amb el percentatge del debanat curtcircuitat per provocar l’augment de corrent de la fase. CAPÍTOL 5: SIMULACIÓ INTERACTIVA EN L’ANÀLISI DE LES FALTES I L’ESTUDI DE LES ACCIONS CORRECTORES 107 a) Una part del pol: Control de corrent sense acció correctora: Com es pot observar a primera vista en la figura 5.2.1.1, en el moment en que es produeix la falta hi ha una baixada de velocitat i un augment del rissat de la mateixa el que produeix un augment de corrent i de parell i del rissat del mateix. Figura 5.2.1.1: Vista general de la falta FM1 (a) a la fase A amb una velocitat de referència de 750 rpm i un parell de càrrega de 1.75 N·m. CAPÍTOL 5: SIMULACIÓ INTERACTIVA EN L’ANÀLISI DE LES FALTES I L’ESTUDI DE LES ACCIONS CORRECTORES 108 Figura 5.2.1.2: Detall dels corrents, de les tensions, parell total i velocitat del motor en funcionament normal a regim permanent. CAPÍTOL 5: SIMULACIÓ INTERACTIVA EN L’ANÀLISI DE LES FALTES I L’ESTUDI DE LES ACCIONS CORRECTORES 115 b) Un pol i part de l’altre: Control de corrent sense acció correctora: A grans trets s’observen poques diferències entre la figura 5.2.1.11 i la figura 5.2.1.1, la principal diferència és un possible augment de corrent i rissat del mateix de la fase deteriorada, també s’aprecia un possible augment del valor del parell. Figura 5.2.1.11: Vista general de la falta FM1 (c) a la fase A amb una velocitat de referència de 750 rpm i un parell de càrrega de 1.75 N·m. Entrant en detall en la figura 5.2.1.12 observem que el corrent es manté amb dificultats en el valor de referència, tenint un rissat bastant elevat en el control i una pulsació que no hauria de aparèixer en el període de no conducció de la fase deteriorada, possiblement degut al circuit de descàrrega dels interruptors. El parell entregat per la fase deteriorada es pràcticament nul produint un rissat considerable del parell entregat repercutint de igual forma a la velocitat. CAPÍTOL 5: SIMULACIÓ INTERACTIVA EN L’ANÀLISI DE LES FALTES I L’ESTUDI DE LES ACCIONS CORRECTORES 116 Figura 5.2.1.12: Detall dels corrents, de les tensions, parell total i velocitat del motor amb curt circuit parcial (3/4 del debanat) de la fase A a regim permanent. CAPÍTOL 5: SIMULACIÓ INTERACTIVA EN L’ANÀLISI DE LES FALTES I L’ESTUDI DE LES ACCIONS CORRECTORES 117 En la figura 5.2.1.13 es mostra en detall la pulsació que apareix en el període de no conducció de la fase perjudicada, mencionat anteriorment, es una pulsació de alta freqüència que no implica un valor de corrent elevat (més be es podria dir que és un valor de corrent insignificant) però que s’hauria de suprimir. Es una circulació de corrent provocada per el circuit de protecció del semiconductor (snubber). Figura 5.2.1.13: Detall del corrents i de la tensió de la fase A en un periode en el que no hauria d’estar conduint durant el regim permanent de la falta. Control de corrent amb acció correctora inhabilitant fase(angles 0_0,-3_16,1_16,1_25): Podem observar en la figura 5.2.1.14 que l’augment de corrent disminueix respecte a la figura 5.2.1.11, el parell es més regular i la velocitat te un rissat menor, així i tot sembla ser que les pulsacions que apareixien en la fase danyada encara apareixen tot i haver inhabilitat la fase. CAPÍTOL 5: SIMULACIÓ INTERACTIVA EN L’ANÀLISI DE LES FALTES I L’ESTUDI DE LES ACCIONS CORRECTORES 118 Figura 5.2.1.14: Vista general de la falta FM1 (c) a la fase A amb una velocitat de referència de 750 rpm i un parell de càrrega de 1.75 N·m amb l’acció correctora implementada (inhabilitació de la fase i angles de conducció =0_0,-3_16,1_16,1_25). El detall de la figura 5.2.1.15 mostra que la forma d’ona del parell no es molt estètica ni molt regular, tot i així ens aporta major rendiment que sense el canvi d’angles. Es veu també en aquesta figura i en la figura 5.2.1.16 que la pulsació de la fase inhabilitada augmenta en el període que correspon a la posició alineada de la mateixa, fent-nos entendre que el flux concatenat que travessa el debanat de la fase inhabilitada provocat per l’acoblament de les demés fases amb aquesta pot ser el culpable d’aquest fenomen, obligant-nos a reparar la màquina el més prest possible per evitar averies majors. CAPÍTOL 5: SIMULACIÓ INTERACTIVA EN L’ANÀLISI DE LES FALTES I L’ESTUDI DE LES ACCIONS CORRECTORES 119 Figura 5.2.1.15: Detall dels corrents, de les tensions, parell total i velocitat del motor amb curt circuit parcial (3/4 del debanat) de la fase A a regim permanent amb l’acció correctora implementada (inhabilitació de la fase i angles de conducció =0_0,-3_16,1_16,1_25). CAPÍTOL 5: SIMULACIÓ INTERACTIVA EN L’ANÀLISI DE LES FALTES I L’ESTUDI DE LES ACCIONS CORRECTORES 120 Figura 5.2.1.16: Detall del corrents i de la tensió de la fase A (està inhabilitada) durant el regim permanent de la falta. Control de corrent amb acció correctora fase habilitada (angles -3_16,1_16,1_25): Aquesta alternativa de mantenir la fase habilitada, a primera vista en la figura 5.2.1.17, no ens aporta cap millora, s’aprecien els pics de corrent de la fase perjudicada, pel demés és igual que inhabilitant la fase. CAPÍTOL 5: SIMULACIÓ INTERACTIVA EN L’ANÀLISI DE LES FALTES I L’ESTUDI DE LES ACCIONS CORRECTORES 121 Figura 5.2.1.17: Vista general de la falta FM1 (c) a la fase A amb una velocitat de referència de 750 rpm i un parell de càrrega de 1.75 N·m amb l’acció correctora implementada (fase habilitada i angles de conducció =0_0,-3_16,1_16,1_25). Mirant més íntimament, en la figura 5.2.1.18, es veu una lleugeríssima millora en el rissat de la velocitat, passa de un rissat de 4.5V a un de 4V, insignificant diferencia. Pel que potser ens seria més útil aquesta opció de mantenir la fase habilitada seria en el moment de la engegada del motor per fer una petita aportació de parell i donar-li facilitats a l’accionament. CAPÍTOL 5: SIMULACIÓ INTERACTIVA EN L’ANÀLISI DE LES FALTES I L’ESTUDI DE LES ACCIONS CORRECTORES 122 Figura 5.2.1.18: Detall dels corrents, de les tensions, parell total i velocitat del motor amb curt circuit parcial (3/4 del debanat) de la fase A a regim permanent amb l’acció correctora implementada (fase habilitada i angles de conducció =0_0,-3_16,1_16,1_25). CAPÍTOL 5: SIMULACIÓ INTERACTIVA EN L’ANÀLISI DE LES FALTES I L’ESTUDI DE LES ACCIONS CORRECTORES 123 Pols únic sense acció correctora: En aquest cas, com s’observa en la figura 5.2.1.19, l’augment de corrent és elevadíssim produint un augment i un rissat en el parell molt elevats, produint un increment i un rissat considerables en la velocitat. Figura 5.2.1.19: Vista general de la falta FM1 (c) a la fase A treballant a pols únic La figura 5.2.1.20 ens mostra els elevadíssims nivells de corrent de la fase afectada, l’augment de parell entregat que suposa i el rissat de velocitat que apareix a conseqüència de tot això. S’observa que apareixen les pulsacions en quasi tot el temps menys en el període de conducció de la fase i menys en el període poc després d’acabar la conducció i fins més o menys la posició de no alineament, on tornen a comensar. CAPÍTOL 5: SIMULACIÓ INTERACTIVA EN L’ANÀLISI DE LES FALTES I L’ESTUDI DE LES ACCIONS CORRECTORES 124 Figura 5.2.1.20: Detall dels corrents, de les tensions, parell total i velocitat del motor amb curt circuit parcial (3/4 del debanat) de la fase A a regim permanent. Pols únic amb correcció fase inhabilitada(angles -3_14,1_16,1_18.5): Amb aquesta solució (i única), s’aconsegueix eliminar el corrent elevat, com es veu en la figura 5.2.1.21, a canvi de tenir un augment de parell i del seu rissat així com l’augment del rissat de la velocitat. En aquest cas es preferible tenir aquest rissats que no el nivell de corrent que teníem anteriorment, que hauria estat destructiu pel conductor. S’ha de tenir en compte que amb aquesta falta, com amb la majoria de faltes al debanat, no es aconsellable treballar-hi molt de temps ja que pot acabar perjudicant a tot l’accionament tenint com a conseqüència, una averia de major magnitud. CAPÍTOL 5: SIMULACIÓ INTERACTIVA EN L’ANÀLISI DE LES FALTES I L’ESTUDI DE LES ACCIONS CORRECTORES 131 Entrant en detall, en la figura 5.2.3.4, s’observa que les fases adjacents (la vermella i la lila) a la inhabilitada condueixen durant un període major al normal i que cobreixen notablement el període de conducció d’aquesta, disminuint lleugerament la “zona morta” de parell que aquesta falta provoca i disminuint el rissat de la velocitat notablement des de 9 rpm fins a 5 rpm comparant amb la figura 5.2.3.2. Figura 5.2.3.4: Detall dels corrents, parell total i velocitat del motor amb circuit obert de la fase A a regim permanent amb l’acció correctora implementada (inhabilitació de la fase i angles de conducció = -3_16,1_16,1_25). 2.45 2.455 2.46 2.465 2.47 2.475 2.48 2.485 2.49 2.495 2.5 0 5 10 15 20 23 t(s) i(A) Current 2.45 2.455 2.46 2.465 2.47 2.475 2.48 2.485 2.49 2.495 2.5 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 t(s) M (N·m) Parell 2.45 2.455 2.46 2.465 2.47 2.475 2.48 2.485 2.49 2.495 2.5 747 748 749 750 751 752 753 t(s) N (rpm) Velocitat CAPÍTOL 5: SIMULACIÓ INTERACTIVA EN L’ANÀLISI DE LES FALTES I L’ESTUDI DE LES ACCIONS CORRECTORES 132 Pols únic sense acció correctora: En aquest cas els efectes son similars als anteriors amb la única diferència que la velocitat cau i no es recupera degut a que el corrent augmenta una mica però no el suficient, ja que ho fa degut a que la velocitat baixa (fent el període de conducció de la fase una mica major) per la falta de parell, i això permet aquest augment, fins a arribar al nou punt d’equilibri com es veu en la figura 5.2.3.5. Figura 5.2.3.5: Vista general de la falta FM3 a la fase A treballant a pols únic. 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 11.05 1.1 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 t(s) i(A) Current falta 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 -1 0 1 2 3 4 5 t(s) M (N·m) Parell falta 0.6 0.8 11.2 1.4 1.6 1.8 22.2 2.4 1100 1120 1140 1160 1180 1200 1220 1240 t(s) N (rpm) Velocitat falta CAPÍTOL 5: SIMULACIÓ INTERACTIVA EN L’ANÀLISI DE LES FALTES I L’ESTUDI DE LES ACCIONS CORRECTORES 133 En la següent figura es pot veure que en les gràfiques de corrent i de parell hi ha el mateix tram que en la figura 5.2.3.1 sense senyal, és el període de conducció de la fase que ha quedat oberta. Figura 5.2.3.6: Detall dels corrents, parell total i velocitat del motor amb circuit obert de la fase A a regim permanent. 2.48 2.482 2.484 2.486 2.488 2.49 2.492 2.494 2.496 2.498 2.5 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 t(s) i(A) Current 2.48 2.482 2.484 2.486 2.488 2.49 2.492 2.494 2.496 2.498 2.5 -1 0 1 2 3 4 5 t(s) M (N·m) Parell 2.45 2.455 2.46 2.465 2.47 2.475 2.48 1118 1119 1120 1121 1122 1123 1124 1125 1126 1127 1128 t(s) N (rpm) Velocitat CAPÍTOL 5: SIMULACIÓ INTERACTIVA EN L’ANÀLISI DE LES FALTES I L’ESTUDI DE LES ACCIONS CORRECTORES 134 Pols únic amb acció correctora (angles -3_14,1_16,1_18.5): Amb aquesta solució s’augmenta una mica el corrent i rissat del parell però s’aconsegueix recuperar lleument la velocitat i disminuir-ne el rissat. Figura 5.2.3.7: Vista general de la falta FM3 a la fase A treballant a pols únic amb l’acció correctora implementada (inhabilitació de la fase i angles de conducció = -3_14,1_16,1_18.5). 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 11.05 -10 0 10 20 30 40 50 t(s) i(A) Current falta canvi angles 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 11.05 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 t(s) M (N·m) Parell canvi angles falta 0.6 0.8 11.2 1.4 1.6 1.8 22.2 2.4 1130 1140 1150 1160 1170 1180 1190 1200 1210 1220 1230 t(s) N (rpm) Velocitat falta canvi angles CAPÍTOL 5: SIMULACIÓ INTERACTIVA EN L’ANÀLISI DE LES FALTES I L’ESTUDI DE LES ACCIONS CORRECTORES 135 Com es pot observar en la gràfica de velocitat i comparant-la amb la figura 5.2.3.6 es pot observar com el rissat ha disminuit de 9 rpm a 6 rpm. Figura 5.2.3.6: Detall dels corrents, parell total i velocitat del motor amb circuit obert de la fase A a regim permanent amb l’acció correctora implementada (inhabilitació de la fase i angles de conducció = -3_14,1_16,1_18.5). 2.45 2.455 2.46 2.465 2.47 2.475 2.48 2.485 2.49 2.495 2.5 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 t(s) i(A) Current 2.475 2.48 2.485 2.49 2.495 2.5 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 t(s) M (N·m) Parell 2.475 2.48 2.485 2.49 2.495 2.5 1191 1192 1193 1194 1195 1196 1197 1198 1199 t(s) N (rpm) Velocitat CAPÍTOL 5: SIMULACIÓ INTERACTIVA EN L’ANÀLISI DE LES FALTES I L’ESTUDI DE LES ACCIONS CORRECTORES 136 5.3 FALTES AL CONVERTIDOR 5.3.1 CURT CIRCUIT EN L’INTERRUPTOR DEL CONVERTIDOR a) Interruptor commutador: En aquesta situació s’aprecia augment de corrent i un notable augment de rissat del parell i de la velocitat (figura 5.3.1.1). Control de corrent sense acció correctora: Figura 5.3.1.1: Vista general de la falta FC1 (a) a la branca A amb una velocitat de referència de 750 rpm i un parell de càrrega de 1.75 N·m. 0.4 0.6 0.8 11.2 1.4 1.6 1.8 22.2 2.4 0 5 10 15 20 t(s) i(A) Current falta 0.4 0.6 0.8 11.2 1.4 1.6 1.8 22.2 2.4 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 t(s) M (N·m) Parell falta 0.4 0.6 0.8 11.2 1.4 1.6 1.8 22.2 2.4 738 740 742 744 746 748 750 752 754 t(s) N (rpm) Velocitat falta 0.4 0.6 0.8 11.2 1.4 1.6 1.8 22.2 2.4 -3 -2 -1 0 1 2 3 t(s) M (N·m) Parell fase danayda falta CAPÍTOL 5: SIMULACIÓ INTERACTIVA EN L’ANÀLISI DE LES FALTES I L’ESTUDI DE LES ACCIONS CORRECTORES 137 En la figura 5.3.1.2 s’aprecia que el corrent en la fase danyada (la groga) no arriba a descarregar-se mai, degut a que l’interruptor està amb curt circuit i la descàrrega del debanat es realitza més lentament. En la figura 5.3.1.2 s’observa que quan la fase amb la falta està en el període de inductància decreixent aporta parell negatiu (entra en mode de funcionament generador) aconseguint, per l’elevat valor de parell negatiu aportat, que el parell total entregat també arribi a ser de valor negatiu en el període de conducció de la fase danyada. Figura 5.3.1.2 : Detall dels corrents, parell total, parell individual de la fase danayda i velocitat del motor amb un curt circuit en l’interruptor commutador de la branca A a regim permanent. 2.45 2.455 2.46 2.465 2.47 2.475 2.48 2.485 2.49 2.495 2.5 -5 0 5 10 15 20 25 t(s) i(A) Current final zona generador inici zona generador 2.45 2.455 2.46 2.465 2.47 2.475 2.48 2.485 2.49 2.495 2.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 t(s) M (N·m) Parell parell negatiu 2.45 2.455 2.46 2.465 2.47 2.475 2.48 2.485 2.49 2.495 2.5 747 748 749 750 751 752 753 t(s) N (rpm) Velocitat 2.45 2.455 2.46 2.465 2.47 2.475 2.48 2.485 2.49 2.495 2.5 -3 -2 -1 0 1 2 3 t(s) M (N·m) Parell fase danayda parell negatiu CAPÍTOL 5: SIMULACIÓ INTERACTIVA EN L’ANÀLISI DE LES FALTES I L’ESTUDI DE LES ACCIONS CORRECTORES 138 Control de corrent amb acció correctora fase habilitada (angles -5_10,-5_16,-3_18,-3_16): En la figura 5.3.1.3 s’observa que el corrent disminueix en el moment en que es realitza el canvi d’angles, que el parell, tan el de la fase danyada com el total, i la velocitat disminueixen el seu rissat. Figura 5.3.1.3: Vista general de la falta FC1 (a) a la branca A amb una velocitat de referència de 750 rpm i un parell de càrrega de 1.75 N·m amb l’acció correctora implementada (angles de conducció -5_10,-5_16,-3_18,-3_16). 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0 5 10 15 20 t(s) i(A) Current canvi angles falta 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 t(s) M (N·m) Parell canvi angles falta 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 -3 -2 -1 0 1 2 3 t(s) M (N·m) Parell fase danayda falta canvi angles 0.4 0.6 0.8 11.2 1.4 1.6 1.8 22.2 2.4 738 740 742 744 746 748 750 752 754 t(s) N (rpm) Velocitat falta canvi angles CAPÍTOL 5: SIMULACIÓ INTERACTIVA EN L’ANÀLISI DE LES FALTES I L’ESTUDI DE LES ACCIONS CORRECTORES 139 El que s’ha aconseguit amb aquesta acció correctora, tal com es veu en la figura 5.3.1.4 és retardar el tems de conducció de la fase afectada aconseguint reduir el temps en mode generador i eliminar el pic de corrent que s’observava en la figura 5.3.1.2, corregint això, la resta de efectes es redueixen considerablement, el parell negatiu poporcionat per la fase afectada és bastant menor reduint així el rissat del parell total, aconseguint eliminar la part negativa, i el rissat de la velocitat. Figura 5.3.1.4: Detall dels corrents, parell total, parell individual de la fase danyada i velocitat del motor amb un curt circuit en l’interruptor commutador de la branca A a regim permanent amb l’acció correctora implementada (angles de conducció -5_10,-5_16,-3_18,-3_16). 2.45 2.455 2.46 2.465 2.47 2.475 2.48 2.485 2.49 2.495 2.5 -5 0 5 10 15 20 25 t(s) i(A) Current 2.45 2.455 2.46 2.465 2.47 2.475 2.48 2.485 2.49 2.495 2.5 0.5 1 1.5 2 2.5 3 t(s) M (N·m) Parell 2.45 2.455 2.46 2.465 2.47 2.475 2.48 2.485 2.49 2.495 2.5 748.5 749 749.5 750 750.5 751 t(s) N (rpm) Velocitat 2.45 2.455 2.46 2.465 2.47 2.475 2.48 2.485 2.49 2.495 2.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 t(s) M (N·m) Parell fase danayda parell negatiu CAPÍTOL 5: SIMULACIÓ INTERACTIVA EN L’ANÀLISI DE LES FALTES I L’ESTUDI DE LES ACCIONS CORRECTORES 140 Pols únic sense acció correctora: En aquest cas, al ser l’interruptor controlador el que està afectat, el convertidor no és capaç de rectificar el corrent fent inevitable el gran valor de corrent observat en les figures 5.3.1.5 i 5.3.1.6 i els elevadissims rissats tan de parell (arribant a valors molt negatius) com de velocitat Figura 5.3.1.5: Vista general de la falta FC1 (a) a la branca A treballant a pols únic. Es pot observar que el parell total assoleig uns valors molt similars als del parell de la fase danyada, això es degut a que el parell d’aquesta fase és molt major al de les demés fases, les quals aconsegueixen, per la part negativa del parell total reduir-lo i per la part positiva augmentar-lo lleugerament. 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 t(s) i(A) Current falta 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 -10 -5 0 5 10 15 t(s) M (N·m) Parell falta 0.6 0.7 0.8 0.9 11.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 t(s) N (rpm) Velocitat falta 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 -10 -5 0 5 10 15 t(s) M (N·m) Parell fase danayda falta