Control de motores eléctricos con baterías electroquímicas

Abstract

En este proyecto se busca implementar un modelo de simulación que permita emular el comportamiento de la máquina de inducción cuando es alimentada por una batería electroquímica como única fuente de energía. Este tipo de configuración tiene especial interés para el uso en aplicaciones donde no es posible alimentar la máquina por conexión a red o como alternativa al uso de otro tipo de motores como los de combustión o los térmicos. Algunos de estos ejemplos pueden ser el uso de motores para vehículos eléctricos o para su uso en localizaciones remotas, alejadas de la red eléctrica. El proyecto consta de cuatro bloques diferenciados de cara a explicar el modelo de implementación que ha sido desarrollado. En primer lugar se explica el modelo de la máquina de inducción, por otro lado el circuito de potencia que se divide en un inversor DC/AC conmutado por una modulación por ancho de pulso (PWM) y un convertidor DC/DC reductor-elevador (BUCK-BOOST), y por último el modelo equivalente de la batería electroquímica. El modelo de la máquina se implementa partiendo de su modelo eléctrico equivalente. Se transformarán las ecuaciones del sistema refiriéndolas a un sistema de ejes rotativos (directo y de cuadratura) para eliminar su dependencia angular. Para controlar las variables de estado del motor se recurre a un control vectorial indirecto por orientación de campo (FOC). Esto quiere decir que se orientará el flujo de la máquina de forma que se elimine una de sus componentes y así obtener un modelo que se comporte de forma equivalente al de la máquina de corriente continua. En un primer paso la máquina será controlada por corriente y posteriormente se introduce un lazo interno (y las transformaciones necesarias en las ecuaciones) para pasar a un control por tensión. El inversor de la etapa de potencia transformará la tensión continua que genera la batería en una señal alterna trifásica necesaria para alimentar los devanados de la máquina. La tensión del lado de alta del convertidor DC/DC alimentará la entrada del inversor. Por este motivo, y como se verá durante el proyecto, es importante que se mantenga la tensión del bus de continua dentro de un rango de valores para que no se pierda el control del sistema. De esta forma, el convertidor DC/DC será el encargado de mantener el bus de continua permitiendo el correcto funcionamiento del inversor. A medida que la batería sufre ciclos de carga y descarga varía su estado de carga (SOC) y su tensión a la salida. Es por ello que se implementará una etapa de control que permita regular la tensión a la salida del convertidor en función de los parámetros de la batería. De esta forma se implementarán dos lazos anidados que generen los pulsos que se encargarán de conmutar el convertidor. Por último, se desarrolla el modelo de implementación de la batería electroquímica. El modelo consta de una resistencia interna que representa las pérdidas y una fuente de tensión que varía con su estado de carga. Como propósito final se llevarán a cabo distintas simulaciones para entender cómo funciona el sistema en conjunto. Así, es posible explicar el efecto que es generado sobre sus variables de estado cuando cambian las condiciones de demanda del motor (ya sea por velocidad o par) o cuando se modifican los parámetros internos de la batería y de la etapa de potencia.