Ultima edición el 16 septiembre, 2021 por JORGE CABRERA BERRÍOS
Los motores de inducción de CA ofrecen características operativas envidiables como robustez, confiabilidad y facilidad de control. Se utilizan ampliamente en diversas aplicaciones que van desde sistemas industriales de control de movimiento hasta electrodomésticos. Sin embargo, el uso de motores de inducción en su máxima eficiencia es una tarea desafiante debido a su complejo modelo matemático y sus características no lineales durante la saturación. Estos factores dificultan el control del motor de inducción y requieren el uso de algoritmos de control de alto rendimiento como el control vectorial.
Indice de contenidos
Introducción del control orientado al campo
El control escalar como la estrategia «V / Hz» tiene sus limitaciones en términos de rendimiento. El método de control escalar para motores de inducción genera oscilaciones en el par producido. Por lo tanto, para lograr un mejor rendimiento dinámico, se necesita un esquema de control más superior para el motor de inducción. Con las capacidades de procesamiento matemático que ofrecen los microcontroladores, procesadores de señales digitales y FGPA, se pueden implementar estrategias de control avanzadas para desacoplar la generación de par y las funciones de magnetización en un motor de inducción de CA. Este par desacoplado y el flujo de magnetización se denomina comúnmente control orientado al flujo del rotor (FOC) .
El control orientado al campo describe la forma en que el control del par y la velocidad se basan directamente en el estado electromagnético del motor, similar a un motor de CC . FOC es la primera tecnología para controlar las variables de control del motor “reales” de par y flujo . Con el desacoplamiento entre los componentes de la corriente del estator (flujo de magnetización y par), el componente que produce el par del flujo del estator se puede controlar de forma independiente. Control desacoplado, a bajas velocidades, el estado de magnetización del motor se puede mantener en el nivel apropiado y el par se puede controlar para regular la velocidad.
«FOC se ha desarrollado exclusivamente para aplicaciones de motores de alto rendimiento que pueden funcionar sin problemas en un amplio rango de velocidades, pueden producir un par completo a velocidad cero y son capaces de acelerar y desacelerar rápidamente».
Principio de funcionamiento del control orientado al campo
El control orientado al campo consiste en controlar las corrientes del estator representadas por un vector. Este control se basa en proyecciones que transforman un sistema trifásico dependiente del tiempo y la velocidad en un sistema invariante en el tiempo de dos coordenadas (marco dyq). Estas transformaciones y proyecciones conducen a una estructura similar a la de un control de máquina de CC. Las máquinas FOC necesitan dos constantes como referencias de entrada: el componente de par (alineado con la coordenada q ) y el componente de flujo (alineado con la coordenada d ).
Los voltajes, corrientes y flujos trifásicos de los motores de CA se pueden analizar en términos de vectores espaciales complejos. Si tomamos i a , i b , i ccomo corrientes instantáneas en las fases del estator, entonces el vector de corriente del estator se define como sigue: 
Donde, (a, b, c) son los ejes del sistema trifásico .
Este vector espacial actual representa el sistema sinusoidal trifásico. Debe transformarse en un sistema de coordenadas invariante en dos tiempos. Esta transformación se puede dividir en dos pasos:
(a, b, c) → (α, β) (la transformación de Clarke), que da salidas de dos sistemas de variante de tiempo de coordenadas.
(a, β) → (d, q) (la transformación de Park), que da salidas de dos sistemas de coordenadas invariantes en el tiempo.
La proyección (a, b, c) → (α, β) (transformación de Clarke)
Las cantidades trifásicas, ya sean tensiones o corrientes, que varían en el tiempo a lo largo de los ejes a, byc pueden transformarse matemáticamente en tensiones bifásicas o corrientes, variando en el tiempo a lo largo de los ejes α y β por la siguiente matriz de transformación:
Suponiendo que el eje ay el eje α están en la misma dirección y β es ortogonal a ellos, tenemos el siguiente diagrama vectorial: 
La proyección anterior modifica el sistema trifásico en el sistema ortogonal de dos dimensiones (α, β) como se indica a continuación: 
Pero estas corrientes de dos fases (α, β) todavía dependen del tiempo y la velocidad.
La proyección (α, β) → (dq) (transformación de Park)
Esta es la transformación más importante en el FOC. De hecho, esta proyección modifica el sistema ortogonal fijo de dos fases (α, β) en un sistema de referencia giratorio d, q. La matriz de transformación se da a continuación: 
Donde, θ es el ángulo entre el sistema de coordenadas fijo y giratorio.
Si considera que el eje d está alineado con el flujo del rotor, la Figura 2 muestra la relación de los dos marcos de referencia para el vector actual : 
donde, θ es la posición del flujo del rotor. Los componentes de par y flujo del vector de corriente se determinan mediante las siguientes ecuaciones: 
Estos componentes dependen de los componentes del vector de corriente (α, β) y de la posición del flujo del rotor. Si conoce la posición precisa del flujo del rotor, mediante la ecuación anterior, el componente d, q se puede calcular fácilmente. En este instante, el par se puede controlar directamente porque el componente de flujo (i sd ) y el componente de par (i sq ) ahora son independientes.
Módulo básico para control orientado al campo
Se miden las corrientes de fase del estator. Estas corrientes medidas se alimentan al bloque de transformación de Clarke. Las salidas de esta proyección se denominan i sα e i sβ . Estos dos componentes de la corriente entran en el bloque de transformación Park que proporcionan la corriente en el marco de referencia d, q. Los componentes i sd e i sq se contrastan con las referencias: i sdref (la referencia de flujo) e i sqref(la referencia de par). En este instante, la estructura de control tiene una ventaja: se puede usar para controlar máquinas síncronas o de inducción simplemente cambiando la referencia de flujo y siguiendo la posición del flujo del rotor. En el caso de PMSM, el flujo del rotor está determinado por los imanes, por lo que no es necesario crear uno. Por lo tanto, mientras se controla un PMSM, i sdref debe ser igual a cero. Como los motores de inducción necesitan una creación de flujo de rotor para funcionar, la referencia de flujo no debe ser igual a cero. Esto elimina fácilmente una de las principales deficiencias de las estructuras de control «clásicas»: la portabilidad de accionamientos asíncronos a síncronos. Las salidas de los controladores PI son V sdref y V sqref. Se aplican al bloque de transformación Parque inverso. Las salidas de esta proyección son V sαref y V sβref se alimentan al bloque de algoritmo de modulación de ancho de pulso de vector espacial (SVPWM). Las salidas de este bloque proporcionan señales que impulsan el inversor. Aquí, tanto las transformaciones de estacionamiento como las de estacionamiento inverso necesitan la posición del flujo del rotor. Por lo tanto, la posición del flujo del rotor es la esencia de FOC.
La evaluación de la posición del flujo del rotor es diferente si consideramos el motor síncrono o de inducción.
- En el caso de motores síncronos , la velocidad del rotor es igual a la velocidad de flujo del rotor. Entonces, la posición del flujo del rotor se determina directamente mediante el sensor de posición o mediante la integración de la velocidad del rotor.
- En el caso de motores asíncronos , la velocidad del rotor no es igual a la velocidad de flujo del rotor debido al deslizamiento; por lo tanto, se utiliza un método particular para evaluar la posición del flujo del rotor (θ). Este método utiliza el modelo actual , que necesita dos ecuaciones del modelo del motor de inducción en el marco de referencia giratorio d, q.
Diagrama de bloques de FOC indirecto simplificado
Clasificación del control orientado al campo
El FOC para el accionamiento del motor de inducción se puede clasificar en dos tipos: esquemas de FOC indirecto y FOC directo. En la estrategia DFOC, el vector de flujo del rotor se mide por medio de un sensor de flujo montado en el espacio de aire o usando las ecuaciones de voltaje a partir de los parámetros de la máquina eléctrica. Pero en el caso de IFOC, el vector de flujo del rotor se estima utilizando las ecuaciones de control orientadas al campo (modelo actual) que requieren una medición de la velocidad del rotor. Entre ambos esquemas, el IFOC se usa más comúnmente porque en el modo de circuito cerrado puede operar fácilmente en todo el rango de velocidad desde la velocidad cero hasta el debilitamiento del campo de alta velocidad.
Ventajas del control orientado al campo
- Respuesta de par mejorada.
- Control de par a bajas frecuencias y baja velocidad.
- Precisión de velocidad dinámica.
- Reducción del tamaño del motor, el costo y el consumo de energía.
- Operación de cuatro cuadrantes.
- Capacidad de sobrecarga a corto plazo.
