Control Vectorial (FOC)

Limitaciones del Control Escalar

El control vectorial (FOC) se desarrolló para paliar los inconvenientes del control escalar:

• El par y el flujo generado dentro de la máquina son funciones de la frecuencia y la tensión aplicada.
• A bajas frecuencias, la relación V/f no es constante.
• No ofrece par a velocidad cero (0).
• No hay control de posición.

Transformadas de Coordenadas

Transformada de Clarke

Convierte el conjunto trifásico estacionario en un sistema bifásico estacionario y con la misma referencia del estator.

Este sistema de coordenadas utiliza los ejes $\alpha$ (eje x) y $\beta$ (eje y, 90º adelantado).

Transformada de Park

A partir de la transformada de Clarke, se obtiene un sistema bifásico rotativo que se mueve respecto al primero a la velocidad del campo magnético giratorio (ejes $d$ y $q$).

Estos ejes ($d, q$) se encuentran adelantados un ángulo $\theta$ respecto a los ejes $\alpha, \beta$. ($\theta$ es el ángulo de desplazamiento del flujo del rotor con respecto a la horizontal).

Sistemas de Control Vectorial

Control Directo (DFOC)

Se necesita el conocimiento del flujo del estator, del entrehierro o del rotor. Estas variables pueden ser medidas o estimadas a partir de las tensiones y corrientes del estator.

Control Indirecto (IFOC)

Se usa la medida de la velocidad del rotor y se estima el deslizamiento. Con ello, se obtiene el ángulo necesario que permite desacoplar las variables.

La gran diferencia con el método directo es que el indirecto no necesita tomar medidas en los terminales del motor para estimar el flujo, sino que el proceso de cálculo es realizado a partir de las referencias de par y flujo.

Control Sensorless

1. En un motor de inducción, se usa la técnica de control vectorial sin medir la velocidad.
2. Con el DSP (Procesador Digital de Señales) se puede estimar la velocidad a partir de la corriente y el voltaje en los terminales de la máquina. Se necesitan los parámetros de la máquina para ello.
3. Los variadores actuales poseen esta característica.
4. Los métodos de estimación de la velocidad son algoritmos muy diversos y complejos.

Ventajas del Control Sensorless

• Disminuye costes.
• Incrementa la robustez mecánica.
• Mayor fiabilidad en ambientes industriales al tener menor sensibilidad al ruido eléctrico.
• Menor mantenimiento.
• No aumenta la inercia del sistema, por lo que es mejor para uso a altas velocidades.

Control Directo de Par (DTC)

Ventajas del DTC

• Respuesta rápida del par, hasta 10 veces superior a los controles existentes.
• Control del par a bajas frecuencias, beneficioso para aplicaciones como grúas y ascensores.
• Linealidad del par, muy útil para bobinadoras.
• Precisión de la velocidad dinámica: después de un cambio brusco de la carga, el motor se recupera y alcanza un estado estable con rapidez.

Características del DTC

• Control simple.
• No es necesario un Modulador Adicional (No PWM).
• No requiere transformaciones trigonométricas del sistema de coordenadas.
• No requiere controladores de corriente.
• Robusto ante los cambios en los parámetros del motor (Modelo Adaptativo).
• La frecuencia de conmutación no es constante y depende de la tensión de alimentación del inversor, de la velocidad angular del motor y de la banda de histéresis de los controladores de Flujo y de Par.
• La forma de onda del flujo y la corriente son casi sinusoidales.
• La estimación del flujo y del par es necesaria.

Comparativa de Tecnologías de Control

Motor Síncrono de Imanes Permanentes (PMSM)

El PMSM permite realizar el posicionamiento de manera muy precisa y repetitiva, ya que a menudo tiene integrado un encoder en el propio motor. Funciona con un sistema en bucle cerrado.

Características del PMSM

• Imanes ubicados en el rotor.
• Rotor hueco para reducir la inercia.
• Al tener el devanado en el estator, evacua mejor el calor y hace que el motor sea más pequeño.
• Buena respuesta dinámica.
• Mantenimiento nulo.
• Buen posicionamiento.

Comparativa con Otros Tipos de Motores

• No tiene pérdidas en el rotor, con lo que la transmisión de calor es más efectiva. (En los motores de CC y asíncronos sí que hay pérdidas en el rotor).
• No tienen contactos deslizantes: escobillas y colector.
• Se pueden construir totalmente herméticos, válidos para atmósferas explosivas.
• El rotor es menos pesado, reduce su inercia y permite una respuesta dinámica más rápida.
• La vida útil es mucho más elevada que la de otros motores.
• Con gran energía magnética, la inercia del rotor se hace pequeña, lo cual es una ventaja en los servomotores por su rápida respuesta dinámica.
• El conmutador electrónico reemplaza los conmutadores mecánicos y escobillas, eliminando las desventajas de la máquina de continua, tales como problemas de mantenimiento, fiabilidad, chispazos, limitaciones en velocidad y potencia, dificultad de operar en ambientes corrosivos y explosivos, limitaciones de altitud y problemas con interferencias electromagnéticas.
• Debido a su control, la máquina no presenta inestabilidad o problemas de oscilaciones como en la máquina síncrona tradicional.
• El transitorio responde de forma similar a la máquina DC.
• La fase del ángulo entre la corriente y el flujo puede ser controlada.