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S.E.P. S.E.I.T. D.G.I.T.
CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACIÓN
Y DESARROLLO TECNOLÓGICO
cenidet SISTEMA DE PROPULSIÓN ELÉCTRTCO
DE UN VEHÍCULO HÍBRIDO.
T E S I S QUE PARA OBTENER EL GRADODE
MAESTRO EN CIENCIAS
EN INGENIEF~A ELECTR~NICA
P R E S E N T A MANUEL ALEJANDRO CANSECO RAMIREZ
DIRECTOR DE TESIS: Dra. PATRICIA CAUATOZZOLOMARTELLITI
CO-DIRECTOR: DR. ABRAHAM CLAUDIO SÁNCHEZ.
CUERNAVACA, MORELOS NOVIEMBRE 2004.
,'?,,
Dedicatoria
Con todo mi amovpara mis padres Manuel Canseco LÓpez y Julia Ramirez Luna,
y a mis queridos hermanos Samuel, Blanca Esther y
Angélica Canseco.
Agradecimientos
A mis asesores, Dra. Patricia Caratozzolo Martelliti y Dr. Abraham Claudio Sánchez por haberme apoyado con sus conocimientos y consejos en el desarrollo de esta tesis.
A mis revisores, Dr. Alejandro Rodriguez Palacios, Dr. Jorge Hugo Calleja Gjumlich y Dr. Luis Gerard0 Vela Valdés, por sus acertados consejos en el desarrollo de este trabajo de investigación. Muchas gracias.
A todos mis profesores por compartir sus valiosos conocimientos conmigo.
, A mi madre por su infinito amor, ternura y paciencia.
A mi padre por su apoyo, cariño y comprensión.
A mi tía Carmen por sus sabios consejos y siempre estar ah¡ para mí.
A mis hermanos por alentarme en momentos dificiles.
A la casa jarocha por su amistad, apoyo y compañerismo.
A mis queridos amigos de generación: Eumir, Alejandro Pérez, Alejandro Vásquez, Ricardo, Jorge, Ing. Jorge, Pablo, Cristian, Alonso, Rox, René, Marving, Alfredo, Pao, Tano, Armando, Raúl, Fabi, Gracias por su amistad.
A los clubes El Santos, Los Chacales, y La Paria Sociedad por todos los momentos de Gloria, que pasamos juntos.
AI Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologia (CONACYT), a la Secretaria de Educación Pública (SEP) y al Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico (CENIDET) por su apoyo económico y las facilidades que me brindaron.
A todos ustedes.. . . . GRACIAS.
cenidef ‘Centro Nacional de I~vesligaci6n y Oesairollo Tecnológico Sistema Nacional de Institutos Tecnológicos
M10 ! ANEXO No.1 I
!
ACEPTACI~N DEL DOCUMENTO DE TESIS
I Cuernavaca, Mor., a IO de noviembre del 2004
C. Dr. Enrique Quintero-Marmol Márquez Jefe del departamento de Electrónica Presente.
At’n C. Dr. Gerardo V. Guerrero Ramírez Presidente de la Academia de Electrónica
1
Nos es grato comunicarle, que conforme a los lineamientos para la obtención del grado de Maestro en Ciencias de este Centro, y después de haber sometidq a revisión académica la tesis titulada: “Sistema de Propulsión Elkctrico de un Vehículo Híbrido”, realizada por el C. Manuel Alejandro Canseco Ramírez y dirigida por el Dra. Patricia Caratozzolo Martelliti y el Dr. Abraham Claudio Sánchez y habiendo realizado las correcciones que le fueron indicadas, acordamos ACEPTAR el documento final de tesis, así mismo le solicitamos tenga a bien extender el correspondiente oficio de autorización de impresión.
I
Atentamente La Comisión de Revisió
I S. E. P.
CENTRO NACIONOI.
Nombre y firma Revisor Revisor
1 I
Directores de tesis 1 C.C.P. Subdirección Acadh i ca
Departamento de Servicios Escolares
Estudiante
,-en jdet Centro Nacional de Invertlgaci6n y Desarrollo Tecnologico Sistema Nacional de Institutos Tecnologicos
/
I ANEXO No. 12 M i l
AU;~~RIZACI~N DE IMPRESI~N DE TESIS
Cuemavaca, Mor., a 19 de noviembre del 2004 I
C. Ing. Manuel Alejandro Canseco Ramírez Candidato al grado de Maestro en Ciencias en Ingeniería Electrónica Presente.
1 Después de haber atendido las indicaciones sugeridas por la Comisión Revisora de la Academia de Electrónica en relación a su trabajo de tesis cuyo titulo es: “Sistema de Propulsión Eléctrico de un
obtención del grado de Maestro en Ciencias en este centro se le concede la autorización para que proceda con la impresión de su tesis.
Vehículo Híbrido”, me es grato comunicarle que conforme a los lineamientos establecidos para la :’“
Atentamente
- 1
g$!y.3 I
C. Dr. Enrique Quiktero-Mármol Márquez Jefe del Departamento de Electrónica
C.C.P. Subdirección Académica I Presidente de la Academiade Electrónica Departamento de Servicios Escolares Expediente i
RESUMEN. I Debido a la cdntaminación en las grandes ciudades causada por las emisiones
contaminantes que emanan de un vehículo, es necesario el desarrollo de vehiculos que no
contamine tanto. Por 10 que se crearon vehiculos hibridos que contienen dos sistemas de
energia a bordo del vehiculo, un motor de combustión interna y un paquete de baterias.
I
Los vehiculos híbridos eléctricos, HEV, ofrecen la mejor posibilidad al usar nuevas fuetes de
energia en el transporte urbano, reduciendo el impacto en la contaminación atmosférica y
también logrando una reducción en el uso de combustible fósil. El mayor desafio para el diseño
de HEV es el manejo de diversas fuentes de energia el cual es altamente dependiente de la
configuración del sistema de propulsión que se utiliza. Se realizan esfuerzos para mejorar el
subsistema eléctrico 'del HEV como es el motor eléctrico, los convertidores de potencia,
controladores eléctricos, manejadores de energia y baterias.
I
En esta tesis se utiliza el sistema de propulsión de un HEV tipo serie, en este sistenia el
motor de combustión interna proporciona la potencia directamente al motor eléctrico o puede
cargar las baterías. AI motor eléctrico se le aplica un control no lineal para regular la velocidad y
el par según las necesidades del conductor.
I Entre los diferentes esquemas de control para el MI, el control vectorial es una de las
soluciones más eficiehtes para el sistema de propulsión eléctrica ya que los controladores de un
HEV necesitan una rapida respuesta transitoria del par. Es necesario el control del par del motor
en todo momento Io cual implica trabajar en cualquier lugar de los cuatro cuadrantes del plano de
par - velocidad (incluso la recuperación de energía en el frenado), la técnica de control vectorial ofrece un rango de velocidad de tres o cuatro veces la velocidad nominal, con la ventaja de que hay varios tipos de optimización del control vectorial que pueden ser aplicados al MI, estas optimizaciones tienen la capacidad de controlar el par mediante la optimización de corriente de
estator, con esta optimización se minimizan las perdidas en condiciones de carga.
ABSTRACT. i 1
Due to the contamination in the big cities caused by the emissions polluting that emanate of a
vehicle, is necessary tde development of vehicles that doesn't contaminate so much. For which
hybrid vehicles that contain two systems of energy aboard the vehicle, an internal combustion
engine and a package of batteries were created.
Hybrid Electric Vehicles, HEV, are offering the best possibility for the use of new energy
sources in urban transportation, reducing the overall impact on air pollution while obtaining
minimum fuel consumption. The major challenges for the HEV design are managing multiple
energy sources, whicH is highly dependent on the drive-train configuration and other significant components. Efforts a[e being made to improve the HEV electrical subsystems, such as electric
motors, power converters, electronic controllers, energy management units, batteries.
I
1
In this thesis the system of propulsion of a HEV series type is used, in this system the
combustion internal motor provides the power directly to the electric motor or it can load the
batteries. To the eledtric motor it is applied a non lineal control to regulate the speed and the
torque according to the driver's necessities.
Among the different control schemes for the IM, vector control seems one of the most efhcient solutions for electrical traction because propulsion drive in an HEV needs fast transient
response of torque at standstill. It is necessafy to control the motor torque at every moment,
which implies a working point in each of the four quadrants of the torque-speed plane (even
energy recovering while braking). Vector control techniques may offer wide speed range up to
three to four times of base speed, with the advantage that there are several efficiency optimizing
schemes of vector controlled IM drives that are able to control the torque component current and field component current hence to minimize the total losses at any loading condition.
I
I ÍNDICE.
I ÍNDICE. .............................................................................. I SIMBOLOGÍA. .............................................................. IV ACR~NIMOS. ................................................................ VI ÍNDICE DEI FIGURAS ............................................... VI1
CAPÍTULO 1. INTRODUCCI~N. ........................................................... 1
1.1 ESTADO DEL (ARTE .......... ..................................... ...................... 4 1.2 JUSTIFICACI~N .............
1.3 ALCANCE ........................... .................................... 1.4 ORGANIZACIÓN DEL TRABA
I
CAPíTULd 2. MODELADO DE LAS PARTES DEL SISTEMA DE PROPULSI~N DEL VEHÍCULO HÍBRIDO ELÉCTFUCO SERIE ....................................................... 7
2.1 INTRODUCCION ........ ................................. ............................................... 7 2.2 MODELO DE UN SlST 2.3 MOTOR DE INDUCCIÓN JAULA DE ARDILLA. ........
DE PROPULSIÓN TIPO SERIE ........................................ 7
.................... 10 2.3.1 MODEJLO MATEMÁTICO DEL MIJA ..................... 2.3.2 IMPLEMENTACIÓN DEL MODELO DEL MIJA E MATLABISIMULINK. .................. .......................................
2.4 INVERSOR TRIFÁSICO ........................................ 2.4.2 MODULACI~N SENOIDAL DEL ANCHO DE PULSO. ......................... 19
2.4.3 IMPLEMENTACIÓN DEL INVERSOR EN MATLABISIMULINK. .... ..................... 20 2.5 UNIÓN DEL MOTOR E INVERSOR, ........ 2.6 CARGADOR DE BATERIAS. ..................
2.6.1 UNIDAD DE PROCESAMIENT 2.6.2 UNIDAD DE MANEJO DE LA BATERÍA. .............................................. 26 2.6.3 CARGADOR PARA LA INTEWASE DEL VEHÍCULO ............ 2.6.4 DISENO DEL CONVERTIDOR BUCK. 2.6.5 DISENO DEL CONVERTIDOR BOOS ................................. 29
...... ........................ 30 2.6.6 B A T E ~ A . ........................... 2.7 UNION DEL CARGAD Y LA BATERíA ......... ..................... 32
2.7.1 CONVERTIDOR BUCKY BATERÍA (PRUEBA DE CARGA) ............... 32 2.7.2 CONVERTIDORBOOSTY BATERÍA (CASO DE DESCARGA)...........^^
2.8 CONCLUSIONES ........................................................................ .................... 36
...........................
CAPÍTULO 3. CONTROL DE VELOCIDAD DEL KEHICULO HIBRIDO. ....................................................................... 37
................ <...........<.................................... : ................... 37 3.1 INTRODUCCIÓN ...... 3 2 CONTROL VECTOR1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .................................. 39
EL FLUJO. __........... .................................. 41 3 3 IMPLEMENTACIÓN DEL CONTROL VECTORIAL EN MATLABISIMULINK. ................ 42
3.3.1 IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE PROPULSIÓN EN MATLAB/SIMULINK ......................................... 45
" 3 2.1 BLOQUE DEL M
3 3 ESQUEMA DEL SISTEMA COMPLETO DE PROPULSIÓN DE UN VEH~CULO H~BRIDO.
3.3.1 CONDICIONES DE SIMULACIÓN. ...................................................................... 50 3.3.2 ESCENARIO 3.3.3 ESCENARIO 2 3.3.4 ESCENARIO 3.4 OPTIMIZACIÓN DEL CONTROL VECTORIAL. .. 3.5 CONCLUSION
CAPÍTULO 4. VALIDACIÓN . DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS EN MATLAB CON VIRTUAL TEST BED (VTB) ........................................... . .......................... 65
4.1 INTRODUCCIÓN ........................... ....................................................................... 65 4.2 SISTEMA DE PROPULSIÓN DEL VEHkULO EN VTB. .............................................. 66 4.3 COMPARACIÓN DEL VTB Y MATLABlSlMULlNK CON EL CONTROL VECTORIAL. __. 68 4.4 CONCLUSIONES .............................................................................................. 71
CAP~TULO 5. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS ........... 73
5.1 CONCLUSIONES ................................................................................................. 73
5.3 PUBLICACIONES. ................................................................................................ 75 5.4 TRABAJOS FUTUROS. ........................................................................................... 76
5.2 APORTACIÓN. ._..__. ....................................................................................... 15
ANEXO 1. FUNCION S. ................................................................... 77
r
A.I. INTRODUCCIÓN. ............................................................................................ 77
A.Z. IMPLEMENTACION DE LA FUNCIÓN s. ............................................................... 77 A.2.1. CONSTRUCCIÓN DE LA FUNCIÓN S EN ARCHIVO .M .................... 77
A.3. EJEMPLO .......................................................................................................... 79 A.2.2 DEFINICION DE LAS CARACTENSTICAS DE LA FUNCIÓN S. ....... 78
ANEXO 2. CODIGOS .M DE LAS FUNCIONES S PRESENTADAS EN LA TESIS ................................... 87
MOTOR DE INDUCCION ............................................................... INVERSOR TRIFÁSICO. ................................................................ MOTOR - INVERSOR.. .......................................................................... 92 BUCK - BATERIA. .......................... BOOST - BATEF~A. ........................ CONTROL VECTORIAL. ................................................................................... 103 OPTIMIZACIÓN DEL CONTROL VECTORIAL ... 108
, BIBLIOGRAFIA. ......................................................... 115
III
II
SIMBOLOGÍA.
abc: sistema de Variables originales. Act: Estado del interruptor, O o 1. App: Amper pico a pico. B : Coeficiente de fricción viscosa, (N.m.s/rad). C: Capacidad de la bateria. Cm Capacidad de carga de la batería en régimen de comente a IOhs. Cbk: Capacitor del filtro de salida del convertidor Buck. 4: Capacitor del filtro de salida del convertidor Boost. dq0 : Sistema de variables resultantes. EDC: Estado de carga de la bateria. f. Representa cualquier sistema trifásico de variables eléctricas (Volfajes, corrientes, enlaces de flujo, etc.) desfasadas 120" eléctricos entre sí. g: Longitud uniforme del entrehierro. i : Vector de comentes de estator y rotor. I ~ c ~ o ~ : Corriente de carga en el régimen Cia, I: Comente de la batería. inkr : Vector de corrientes de fase del rotor. inbw : Vector de corrientes de fase del estator. i n , ib,, i, : Corrientes en las fases a, b, c del rotor. i o , ibs. i, : Corrientes en las fases a, 6, c del estator. ICO: Comente de referencia en el lazo de control del convertidor Buck. id, i,: Comentes en el MR qd (20) del rotor. Ir: Comente en el inductor. i,,,,: Corriente de rotor magnetizante.
ims: Cdhente magnetizante en el marco de referencia fija al rotor. iqr, id,: Comentes de estator en el marco de referencia fijo al rotor. is: Comente de estator.
imef Comente de referencia del flujo de estator. isyrcj Comente de referencia de estator. J : Coeficiente inercia1 del rotor y de la carga, (kgm'). K : Matriz de transformación de variables 34 a variables de 24. k Ciclo de trabajo de los convertidores. R': Matriz de transformación inversa. K d / , Kd2, K41, Kq2, Kq3, Kq4 : Ganancias de los controladores, constantes. K' : Matriz de transformación para el M R giratono sincrono. K' : Matriz de transformación para el MR fijo ai rotor. Ks : Matriz de transformación para el MR estacionario. L : Matriz de inductancias. I : Longitud axial del entrehierro. L b k : Inductor del filtro de salida del convertidor Buck. Lbr: Inductor del filtro de salida del convertidor Boost. LI,, L,, : Inductancias de dispersión de los devanados de estator y royor respectivamente L, : Matriz de inductancias propias de rotor. L, : Matiz de inductancias propias de estator.
Corriente de referencia magnetizante.
ispf, Corriente de referencia fija al ángulo del rotor.
/i
N
L,, , L, : Inductancias mutuas entre los devanados de estator y rotorrespectivamente. L,, : Matriz de inductancias mutuas estator-rotor. L,, : Valor pico de las inductancias mutuas estator-rotor. L,, , L, : Autoinductancias o inductancias propias de los devanados de estator y rotor M : Inductancia mutua entre los devanados de estator y rotor. n, : Número de pares de polos en el MI. N, : Número de vueltas en los devanados de rotor. N, : Número de vueltas en los devanados de estator. p : Operador de derivación, dídt. Qin: Carga suministrada en el tiempo de interés Q i n = I*t. R : Matriz diagonal de resistencias de estator y rotor. r: Radio a la mitad del entrehierro. Rbk: Resistencia de carga del convertidor Buck. Rb,: Resistencia de carga del convertidor Boost. R, : Resistencia de los devanados de rotor. R, : Resistencia de los devanados de rotor. R, : Resistencia de los devanados de estator. R, : Resistencia de los devanados de estator. Top: Par electromagnético optimizado. ud. u4 : Voltajes de entrada al estator del modelo dq. ud. u9, id, iq, yd, y, : Voltajes, comentes y flujos del modelo áq del motor de inducción. v: Vector de voltajes de estator y rotor. Va,, Vb,, V& Voltajes en las fases a, b, c del rotor. V a , vb, V,: Voltajes en las fases a, 6, c del estator. V,: Tensión de la batería durante la carga. VC: Voltaje del capacitor. VCO: Voltaje de referencia en el lazo de control del convertidor Boost. Vd, v4 : Variables auxiliares en función de voltajes y corrientes de estator, flujos y velocidad del rotor. Vd: Tensión de descarga. qc: Tensión final de carga. V,: Tensión de la batería para el comienzo de la gasificación. Vpp: Voltaje pico a pico. Vqs. Vds : Voltajes de estator en el marco de referencia fijo al rotor. Vs : Voltaje de alimentación. Os,: Ángulo de deslizamiento. ?+ Vector de flujo de rotor. orre$ Velocidad de referencia en el esquema de control vectorial. w,,: Velocidad de deslizamiento.
3, : Enlace de flujo, (sistemas lineales). A,,k, : Vector de enlaces de flujo de estator. A,,!=,, : Vector de enlaces de flujo de rotor. 8: Desplazamiento angular de las nuevas variables del MR arbitrario 6 : Desplazamiento angular eléctrico del nuevo MR. 5 : Variable auxiliar de integración. <: Variable auxiliar que representa la suma de 8+ e,. w : Velocidad angular del MR arbitrario. 7: Constante de tiempo generalizada.
,
V
0, : Desplazamiento angular del conjunto de variables originales. o, : Velocidad angular del conjunto de variables originales. vc: Rendimiento de carga. r, : Par electromagnético, (N.m). o, : Velocidad angular del MR giratorio síncrono. r~ : Par de carga, (N.m). O, : Desplazamiento angular. eléctrico del rotor, (rad). pr : Posición angular del flujo deseado del rotor. o, : Velocidad angular del rotor, (radkeg). rrcf : Par electromagnético de referencia.
Velocidad angular de referencia. AT: Variación de temperatura tomando como referencia 25°C. p : Ángulo del flujo del rotor. 'Yd : Enlaces de flujo del rotor. A,,,, Ab, ,Ic3 : Enlaces de flujo en las fases a, b, c del estator, A,,?, Ah,, ,Ic, : Enlaces de flujo en las fases a, b, c del rotor. A, : Flujo total en el marco de referencia fijo al rotor. Aqr, A,,? : Flujos de estator en el marco de referencia fijo al rotor, po : Permeabilidad en el entrehierro.
o : Variable auxiliar del modelo de la máquina de inducción 1 -- M 2 LSL,<
!
ACR~NIMOS. I'
EDC I: EV FOC :' HEV // MCI , MI : MIJA :! MR MSE PI ~
PWM SPWM VTB
Estado de Carga de la Batería. Vehículo Eléctrico. Control de Campo Orientado. Vehículo Híbrido Eléctrico. Motor de Combustión Interna. Máquina de Inducción. Máquina de Inducción de Jaula de Ardilla. Marco de Referencia. Máquina Sincronía sin Escobillas. Controlador Proporcional Integral. Modulación por Ancho de Pulso. Modulación Senoidal por Ancho de Pulso. Virtual Test Bed.
VI
ÍNDICE DE FIGURAS.
Figura 2.1.- Partes del sistema de propulsión de un vehiculo híbrido eléctrico serie. Figura 2.2.- Diagrama esquemático del motor de inducción trifásico. Figura 2.3.- Diagrama eléctrico de los devanados de estator y rotor del
Figura 2.4 Implementación del MlJA mediante la función S de Matlab/Simulink. Figura 2.5. Corrientes bifasicas en el MR fijo al rotor, a) Corrientes
Figura 2.6. a) Velocidad del rotor, b) Par electromagnético generado. Figura 2.7. a) Voltajes de alimentación bifásicos, b) Gráficas de Par Vs Velocidad. Figura 2.8.- Inversor trifásico. Figura 2.9.- Modulación senoidal de ancho de pulso para un inversor trifásico.
motor de inducción trifásico.
de los devanados de rotor, b) corrientes de los devanados de estator.
a) Voltaje de referencia y voltaje de la portadora, b),c),d) Son los voltajes b) de disparo de compuertas, e) Voltaje de linea.
Figura 2.10.- Implementación del Inversor trifásico en MatlablSimulink mediante la función S.
Figura 2.11. a) Portadoras triangular y seiial de referencia senoidal utilizadas para producir los pulsos de disparo, b) Voltajes y corrientes en cada fase del inversor trifásico con una carga RL aplicada.
Figura 2.12.- Diagrama a bloques del motor - inversor. Figura 2.13.- Implementación en Matlab/Sirnulink mediante la función S
Figura 2.14.- a) Voltajes de salida del inversor, b) Voltaje rms de cada linea. Figura 2.15.- Frecuencia fundamental del voltaje a la salida del inversor
Figura 2.16.- a) Par electromagnético generado, b) Velocidad del rotor. Figura 2.17.- a) Respuesta de la máquina con un par negativo (modo generador),
b) Corriente a través del rectificar. Figura 2.18.- Diagrama a bloques del cargador de bateria. Figura 2.19.- Diagrama a bloques del convertidor Buck y el lazo de
Figura 2.20.- Diagrama a bloques del convertidor Boost y el lazo de
Figura 2.21.- Prueba de Carga de Batería. Figura 2.22.- Implementación en MatlablSimulink de la etapa de carga. Figura 2.23.- Corriente y Voltaje a la salida del convertidor Buck. Figura 2.24.- Estado de carga del paquete de baterías. Figura 2.25.- Prueba de descarga de la Bateria. Figura 2.26.- Implementación en MatlablSimulink del caso de descarga. Figura 2.27.- Voltaje a la salida del convertidor Boost. Figura 2.28.- Estado de carga de la bateria (descarga). Figura 3.1.- Condiciones para una correcta orientación de campo. Figura 3.2.- Esquema del control vectorial directo. Figura 3.3.- Diagrama a bloques del controlador por campo orientado para
Figura 3.4.- Implementación del sistema de propulsión en MatlablSimulink. Figura 3.5.- Diagrama a bloques del sistema de propulsión implementado en
del motor e inversor.
y sus componentes armónicos. ,
control en modo corriente.
control en modo voltaje.
el MI en el marco de referencia 'dq'.
Matlab/Simulink mediante la función S.
Pag.
8 10
* 10 17
17 18 18 19
20
20
21 22
22 23
23 ,
24
24 26
27
29 32 33 33 34 34 35 35 36 39 41
44 45
46
VI1
Figura 3.6.- Pruebas de regulación y seguimiento con incremento positivo
Figura 3.7.- Pruebas de regulación y seguimiento con decremento en el
Figura.3.8.- Respuesta del sistema ante variaciones en el par de carga. 48
Figura 3.10.- Sistema de propulsión completóen los distintos modos de funcionamiento.49 Figura 3.11 .- Diagrama a bloques del primer escenario propuesto. 51
Figuram3.13.- Modo de frenado Regenerativo. 52 Figura 3.14.- Variación de la velocidad al aplicar el freno. ' ' 52
53 53 54 54 55 55 57 58 59 60 61 61 62 66 67 68 68 69 69 70 70 79 84
85
en el par y en la velocidad. 46
II par y en la velocidad. 47
4a Figura 3.9.- Respuesta del sistema ante variaciones del par de carga.
Figura 3.12.- Respuésta del primer escenario propuesto. 51
Figura 3.15.- Par de carga electromagnético de la máquina de inducción. Figura 3.16.- Corriente'a la salida del rectificador trifásico. Figura 3.17.. Voltaje y corriente a la salida del convertidor Buck. Figura:3.18.- Estado de carga de la bateria. Figura 3.19.-Esquema del sistema alimentándolo por medio de la bateria. , Figura 3.20.- Respuesta del tercer escenario propuesto. Figura 3.21 .- Gráfica de par contra corriente magnetizante. Figura 3.22.- Limitación del par debido al debilitamiento de campo.
Figura.3.24.- Diagrama a bloques del control vectorial optimizado. Figura 3.25.- Variación de la velocidad para verificar el comportamiento del par. Figura 3.26(a).- Respuesta del par optimizado. Figura 3.26(b).- Respuesta del par optimizado. Figura 4.1.- Vehiculo hibrido armado en el simulador VTB. Figura '4.2.- Diagrama.esquematico de¡ sistema de propulsión en VTB. Figura'4.3.- Prueba de seguimientoen VTB. Figura 4.4.- Prueba de seguimiento en MatlablSimulink. Figura 4.5.- Prueba de regulación en VTB. Figura 4.6.- Prueba de &gula&n en Matlablsimulink. Figura 4.7.- Comportamiento del escenario 1 en VTB. Figura'h.8.- Comportamiento del escenario 1 en MatlablSimulink.
Figura A2.- Nombrando a la función Sen Simulink.
Figura A4.- Corriente y Voltaje en la resistencia de carga del convertidor.
Figura 3.23.- Curva para obtener máximo par.
Figura Al.- Diagrama del convertidor buck.
Figura A3.- Forma final de la función Sen sirnulink archivo back.mdl a4
:i/
VI11
CAPÍTULO 1.
Continuamente se están desarrollando nuevas tecnologias para hacer vehiculos eléctricos que cumplan con la expectativa de los usuarios en cuanto a tiempo de duración de la bateria y confiabilidad. Estas tecnologías se basan en el almacenamiento de la electricidad (vehiculos puramente eléctricos) o en la generación de la misma a bordo del vehiculo (vehículos hibridos).
Actualmente los vehiculos hibridos (HEVs) han aventajado a los puramente eléctricos (EVs) a pesar de no lograr "cero emisiones". Esta superioridad se debe a la escasa energía especifica que se obtiene de las baterías y la limitación de los EVs en cuanto a velocidad y autonomía.
Los vehiculos hibridos son la mejor opción en cuanto a ahorro de energia, en especial en las grandes ciudades, por sus bajas emisiones contaminantes y su elevada economía de combustible. Por 10 que este trabajo está enfocado en los vehiculos hibridos eléctricos.
Los HEV (hybrid electric vehicle) son automóviles provistos de un motor de combustión interna (MCI) y un motor eléctrico. El motor eléctrico se usa en los momentos que el vehiculo consume mas combustible como en el arranque, de esta manera el vehicglo hibrido no produce tantas emisiones contaminantes como un vehiculo convencional.
AI tener los HEVs baterias se busca tener un almacenamiento de energia en el frenado. La energia acumulada en las baterías se utilizará para alimentar el vehiculo logrand o una reducción en el consumo de combustible fósil.
La introducción del transporte eléctrico está íntimamente relacionada con una serie de desarrollos, especialmente en el área de las baterias y de la electrónica de potencia. Los signos son positivos y se pueden esperar resultados aceptables en un plazo relativamente corto. Además, son necesarias medidas politicas para permiür y estimular la introducción de este tipo de vehiculos hibridos en el pais.
1
1.1 ESTADO DEL ARTE.
La aplicación de accionadores eléctricos para su uso en el sistema de propulsión de vehiculos comenzó a tomar fuerza a principios de los años 70's y ha tenido un importante desarrollo desde entonces.
En un principio, la máquina preferida para funcionar como "prime mover" del sistema propulsor, fue la máquina de DC. Sin embargo, a partir de los años 80, la disponibilidad de mejores: y modernos semiconductores de potencia hizo que gradualmcnte se pasara a las máquinds de AC, tales como: el motor de inducción, el motor síncrono y el motor de reluctancia variable [Jahns, 20011.
Por otro lado, los avances en la tecnologia de sistemas de propulsión han renovado el interés en los vehículos híbridos, sobre todo en el tema de propulsión eléctrica basada en energias alternas; de esta manera se busca reducir las emisiones contaminantes que emanan del vehículo [Bose, 85).
Actualmente se llevan a cabo numerosas investigaciones tendientes al mejoramiento y desarrolio de nuevos y más eficientes sistemas de propulsión para vehiculos. El sistema de propulsión eléctrica es una de las partes fundamentales del diseAo de un HEV y requiere conocimientos multidisciplinarios en: electrónica de potencia, motores, topologias de convertidores de potencia, dispositivos interruptores de potencia, microprocesadores, DSPs y finalmente, estrategias de control PWM (Modulación por Ancho de Pulso).
El mejoramiento de un sistema de propulsión eléctrica debe lograrse optimizando dos aspectos: el topológico y el de control. En el aspecto topológico es importante reducir el número de dispositivos con el fin de disminuir costos en el vehiculo. En el aspecto de control, los algoritmos deben ser diseñados e implementados para mejorar las caracteristicas dinámicas y estáticas deseadas para la velocidad y el par.
Otra mejora deseable tanto en Io que respecta al costo como a la confiabilidad, es la introducción de un control vectorial. Este control es uno de los más utilizados para el control de motores en la industria y se ha probado con éxito en los sistemas de propulsión de vehiculos [Chan, 021.
I Los principales requerimientos del accionador del motor se resumen a continuación:
1. Alta potencia instantánea y alta densidad de potencia. 2. Mayor par en bajas velocidades al inicio y en el ascenso de una pendiente, as¡ como
también una alta potencia en el arranque. 3. Un amplio intervalo de velocidad incluyendo una región de par y potencia constante. 4. Rápida respuesta de par. 5. Alta eficiencia en intervalos altos de velocidades y par. 6. Alta confiabilidad y robustez. 7.1: Alta eficiencia en el frenado regenerativo. 8;lI Costo razonable.
La elección de un sistema de propulsión de un HEV depende principalmente de tres factores clue son:
2
CAP~TULO I INTRODUCCI~N.
. XI ", CAP¡TULO I SISTEMA DE PROPULSl6N DE UN HEY
1. En el disetio del accionador donde se analizan los métodos de control y se utiliza el que satisfaga los requisitos dinámicos que sean necesarios;
2. Las restricciones del vehículo se refieren a la capacidad del vehiculo (carga o transporte), velocidad, peso, etc.;
3. Las fuentes de energía, es necesario analizar la que se utilizará como fuente principal, pueden ser celdas de combustible o un motor de combustión interna y las fuentes secundarias que pueden ser baterias o supercapacitores.
Los sistemas de propulsión eléctrica para vehiculos terrestres generalmente caen en el intervalo de potencias entre 10 y 100 kW, dependiendo de la configuraci6n:Hasta el momento no existe un consenso internacional sobre cuál es la máquina idónea para un sistema de tracción en un vehículo, por ejemplo la MI (máquina de inducción) es preferida en América y Europa, mientras los investigadores japoneses prefieren la MSE (máquina sincrona sin escobillas) [Chan, 021.
En Io que respecta al inversor el más utilizado, tanto si se trata de una máquina de inducción o una sincrona, es la topologia de puente de seis conmutadores. Este convertidor es bidireccional para permitir el flujo de potencia desde la máquina hacia la fuente de energia (baterías) durante el frenado regenerativo.
En general, las especificaciones que se requieren del motor de tracción son: alta densidad de potencia, masa y volumen pequeño, gran par, alta eficiencia, facilidad de control, hardware y software sencillos y bajo mantenimiento.
En cuanto a la tecnologia de los dispositivos, el semiconductor más usado en aplicaciones de propulsión eléctrica es el IGBT. Los valores nominales suelen ser 600 V, 400 - 600 A. Debido a las condiciones ambientales desfavorables asociadas 5 la operación de un vehiculo, estos IGBTs suelen cumplir con especificaciones muy exigentes: > 500,000 ciclos térmicos con AT de 40°C y 1000 ciclos térmicos extremos desde -40°C hasta +125"C.
En el caso de los HEVs, el tamaño del accionador eléctrico está minimizado debido a Io que se denomina "hibridización débil": la máquina eléctrica contribuye con un par y una potencia significativos, durante los eventos de mayor carga como son aceleración y desaceleración.
Una de las partes más importantes en un HEV es el control supervisor el cual busca satisfacer un gran número de objetivos dentro de un HEV, se puede nombrar cuatro objetivos principales que son [Chan, 021:
1. Lograr economizar al máximo el combustible. 2. Minimizar las emisiones contaminantes. 3. Minimizar los costos del sistema. 4. Un buen desempeiio en el manejo de los accionadores.
Como último dato, en cuanto a estado de arte de los vehículos hí6idos cabe mencionar que están siendo utilizados en muchas ciudades y actualmente han entrando al comercio mexicano algunos vehiculos como: la camioneta Eco Sport de Ford, el Honda Insight y el Toyota Prius ([Zubizarreta, 991).
3
CAPhULO 1 INTRODUCCf6N.
1.2 JUSTIFICACIÓN.
Debido a la contaminación en las grandes ciudades causada por las emisiones contaminantes que emanan de un vehiculo, es necesario el desarrollo de vehiculos que no contamine tanto. Por lo que se crearon vehiculos híbridos que contienen dos sistemas de energía a bordo del vehículo, un motor de combustión interna y un paquete de baterías.
Los HEV al funcionar con la fuente secundaría (baterias). reducen las emisiones Contaminantes y utilizan menos el combustible focil. Por estas ventajas es necesario investigar el comportamiento de estos vehiculos y las partes que Io conforman.
I1
En este trabajo se busca analizar el sistema de propulsión creando una base en la investigación sobre el tema de vehiculos. Los resultados que se obtengan ayudaran en la comprensión de recuperación de energia, optimización del sistema de propulsión y simulación del control vectorial.
Con los resultados obtenidos se logrará reforzar la linea de investigación de generación de energías renovables iniciada en el Cenidet, con el fin de tener un soporte teórico con esta tesis referente al control y recuperación de energía en el frenado regenerativo.
Este trabajo aborda el estudio del sistema de propulsión del vehiculo, el modelado de las 1.
partes que Io componen, análisis e implementación del control vectorial y una optimización para tener un mayor par al arranque del vehículo.
Se elaboran programas de simulación con herramientas que han sido poco utilizadas en Cenidet como es la función S de MatlablSimulink. Con esta herramienta se simulan todas las partes que componen el modelo del sistema de propulsión y para verificar el comportamiento se utiliza un software nuevo llamado Virtual Test Bed (VTB) utilizado en la construcción de prototipos reales.
1.3 ALCANCE. I1
El alcance de este trabajo consiste en:
1) El modelado y simulación de las partes que componen el sistema de propulsión
2) Análisis y optimización del control vectorial directo aplicado al motor de inducción,
3) Desarrollo de programas computacionales para analizar el comportamiento del
eléctrico de un vehiculo hlbrido serie.
como parte del sistema de propulsión del vehiculo híbrido.
sistema de propulsion en distintos escenarios de manejo.
4) Verificación de la recuperación de energía ante el frenado regenerativo
ii
'I 4
. . . . , ~ .~ ~
CAPiTULO I . SISTEMA DE PROPLILSIÓN DE UN HEV.
5) Comparación de los resultados obtenidos en las simulaciones de MatlablSimulink con Virtual Test Bed.
1.4 ORGANIZACIÓN DEL TRABAJO DE TESIS.
En el trabajo de tesis se analiza el sistema de propulsión de un vehículo hibrido serie, Y se presentan resultados obtenidos mediante paquetes compUtaCionaleS Pam evaluar SU desempeño en diferentes condiciones de operación.
A continuación se muestra el contenido de la tesis por capitulos, y se explica brevemente el contenido de cada uno de ellos.
En el capitulo 2 se presenta el análisis y modelado de las partes que componen el sistema de propulsión, se analiza el motor de inducción, el inversor trifásico, la unión motor inversor, análisis y diseño de los convectidores Buck y Boost y el cargador de baterías.
En este capitulo 2 se presentan algunas simulaciones con la bateria en los casos de carga y descarga.
En el capítulo 3 se presenta el control vectorial aplicado a la máquina de inducción, se muestra el esquema que se utilizó para aplicar el control y también se, realizan pruebas de regulación y seguimiento.
Se muestran los escenarios donde se analiza el comportamiento del vehículo, se verifica la recuperación de energia ante el frenado regenerativo (escenario número 2) y, por úItimo,se pmpone una optlmización del control vectorial, la cual busca proporciona el máximo par al arranque y en momentos de inercia muy elevados del vehiculo (como puede ser un rebase).
En el capítulo 4, se presenta el sistema de propulsión implementado en VTB (Vidual Test Bed), este modelo se utiliza para cotejar los recuitados obtenidos con el sistema realizado en MaltlablSimulink.
En el capitulo 5, se presentan las conclusiones, aportaciones y trabajos futuros
También, se presenta un anexo para aprender a utilizar la función S de MatlablSimulink. Este anexo se puede ver como un pequeno curso para poder programar y entender las ventajas que proporciona el utilizar esta herramienta de programación.
propuestos.
AI final de la Tesis se incluye una extensa lista de referencias bibliográficas.
5
CAP¡TULO I INTRODUCCION
.I
11.
!!,
!I
l;
1
6
CAPÍTULO 2
MODELADO DE LAS PARTES DEL SISTEMA DE PROPULSIÓN
DEL VEHÍCULO HÍBRIDO ELÉCTRICO SERIE.
2.1 INTRODUCCIÓN.
Un vehículo híbrido es aquel que combina dos o más sistemas de generación basados en fuentes de energía diferentes. Uno de los sistemas es el motor de combustión interna de alta eficiencia, combinado con volantes de inercia, supercapacitores o baterias. El otro sistema es la batería eléctrica y ¡os motores eléctricos de tracción instalados en las ruedas.
En este capitulo se analizarán las partes que componen el sistema de propulsión eléctrica del vehiculo, cada parte será modelada y simulada mediante la función S de MatlablSimulink y se presentarán resultados.
2.2 MODELO DE UN SISTEMA DE PROPULSIÓN TIPO SERIE.
Para entrar a este punto es necesario describir que es un vehiculo hibrido serie y cómo están formados.
En los vehiculos hibridos tipo serie el motor de combustión interna proporciona potencia a un generador que, según el modo de operación, puede cargar las baterías o suministrar la potencia directamente al sistema de propulsion y, por Io tanto, reducir la demanda a la batería (figura 2.1).
7
CAPiTULO 2. MODELADO DE LAS PARTES DEL SISTEMA DE PROPUrsrdhr
En el HEV el sistema formado por el motor de combustión interna y el generador se usa normalmente como una unidad auxiliar de energia, (APU, Auxiliary Power Unit). Cuando se necesita mayor potencia por parte del motor eléctrico (en un rebase), se activa la APU para satisfacer el pico de corriente que se demanda, de esta forma, el pico de corriente no Io entrega el paquete de baterias.
Dependiendo del intervalo de velocidades que se desee disponer, se dimensiona la potencia de la APU. En un principio se propusieron soluciones para un intervalo menor de velocidades, pero la tendencia hoy en dia es la de usar un intervalo de mayor de velocidad. Esto implica'sistemas de generación de mucha mayor potencia.
:Cuando un viaje es muy largo, el motor de combustión interna se activa, proporcionando la energía requerida a las baterías y así seguir cumpliendo con la demanda de energía del HEV.
A altas velocidades, sólo parte de la energia proviene de las baterías, siendo éstas las que suministran la potencia necesaria para aceleraciones y rebases. A velocidad de crucero, la potencia generada en exceso se utiliza para recargar las baterías.
Este sistema resulta eficiente si el 80% de los kilómetros recorridos son alimentados por la energía de las baterias que se han recargado mediante frenado regenerativo. En caso contrario es dificil la justificación de este tipo de propulsión hibrida ya que la energía eléctrica de las baterias proviene en realidad de la combustión del MCI [Chan, 021.
Las partes del sistema de propulsión del vehículo tipo serie se muestran en la figura 2.1
.I1
-7 r - - - - - - - - _ _ _ _ - _ _ _
;, Figura 2.1.- Partes del sistema de propulsión de un vehiculo hibddo eléctrico serie
I1 Generador:
Un generador sincrono de corriente alterna que produce la electricidad para cargar las batehas y, cuando se requiera, alimentar al motor eléctrico.
Motor eléctrico: Un motor asíncrono de corriente alterna, compacto, de bajo peso y alta eficiencia.
41 Inversor:
El inversor cambia la corriente continua de la bateria o del generador en corriente alterna 1 para mover el motor eléctrico y cambia la corriente alterna del generador en corriente continua para cargar la bateria.
I¡
8
CAPPULO 2 SISTEMA DE PROPULSIONDE UN HEY
Control: Debido a las variaciones en las configuraciones de 10s HEV, Se utilizan diferentes
estrategias de control, las cuales son necesarias para regular el flujo de energía a 10s diferentes componentes.
Cargador de Baterías: Se encarga de acoplar el voltaje de la bateria en la carga o descarga con el bus de DC.
En este trabajo la carga de las baterías se realiza mediante un convertidor Buck y un convertidor Boost en la descarga.
Baterías:
densidad de energía, peso liviano y una larga vida útil. Se utilizan las baterías diseñadas para vehículos eléctricos, requiriendo una alta
Una vez presentados los elementos que componen el sistema de propulsión serie, es importante mencionar que las partes que se encuentran dentro de un cuadro punteado en la figura 2.1 no se modelan en este trabajo; todo el conjunto se toma como una fuente de corriente directa, que subministrará la energía necesaria al vehículo.
El orden en que se presentará el modelado de los componentes será: 1. Motor de inducción trifásico jaula de ardilla (MIJA), 2. Inversor trifásico, 3. Cargador de baterías, 4. Batería.
2.3 MOTOR DE INDUCCIdNJAULA DE ARDILLA.
Para la obtención de las ecuaciones del MIJA se toman las siguientes consideraciones: es una máquina de inducción trifásica, simétrica, de cuatro polos y conectada en estrella.
Los devanados del estator son idénticos, están distribuidos en forma senoidal, desplazados 120" eléctricos entre si, con un número equivalente de vueltas Ns, y resistencia Rs. Para este caso, se representan los devanados equivalentes a los del estator, con Nr vueltas y resistencia Rr [Krause, 951.
Se parte de la suposición de que la máquina de inducción es un circuito magnético lineal. Es decir, la permeabilidad del núcleo se considera infinita y, además, la saturación, las pérdidas en el hierro ye1 efecto de las ranuras son despreciadas.
El esquema fundamental del motor de inducción que se está considerando se muestra en la figura 2.2.
9
CAP~TULO z MODELADO DE LAS PARTESDEL SISTEMA DE PROPULSJ~N
eje LI I I! Figura 2.2.- Diagrama esquemático del motor de induccion tnfásico.
En este esquema se observan los tres devanados de estator representados por los circuitos as - as: bs - bs' y cs - cs'. Los devanados de rotor se presentampor ar- at, br - br' y cr - c i . Cada uno de estos devanados produce un flujo magnético. Cada flujo magnético se representa por los ejes magnéticos as, bs, cs, ar, bry cr.
El ángulo entre los ejes magnéticos de estator y rotor de la misma fase (por ejemplo as y a0 representa la posición angular del rotor 0r. La velocidad a la cual se mueve el rotor se represinta por o.
/j
Para obtener las ecuaciones del motor de inducción jaula de ardilla se hace uso de su diagrama eléctrico (figura 2.3).
i CT
19
I/ Ns Ns
I/ I, R r b +
Figura 2.3.- Diagrama eléctrico de los devanados de estator y mtordel motor de induccion tnfaSiC0 1)
La inclinación intencional del circuito eléctrico mostrado en la parte derecha de la figura 2.3, es con la finalidad de realzar el desfasamiento existente entre el estator y el rotor de la máquinaide inducción.
2.3.1 MODELO MATEMÁTICO DEL MIJA. I,
Utilizando la ley de voltajes de Kirchhoff en cada una de las mallas de la figura 2.3, se pueden obtener las ecuaciones del estator y del rotor (2.1) y (2.2)
I1
!I 10
:uos leay oyau6ew ewals!s un eied y olnN ap s a x p a so1
'JO~OJ A iolelsa ap saleyon ap iopan la sa " A '% '"A "A r q ~ "'A] = A
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'JO~OJ A iolepa ap sepua)s!sai ap zupw el sa
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CAPhlJLO 2. MODELADO DE LASPARTESDEL SISTEMA DE PROPUUldN.
cosor ,,,(er +$) ,,,(o, -$r ,,,(er-$) COSQr cos(op+$)
+$) cos(er -$) co.sor -
/z =Li o de forma desarrollada:
\I' I/
[ ~ m ] = [ LS " r ] [ 5 ] 'abcs ( L ~ r ) Lr ' , b u
Las inductancias de los devanados expresadas en henrios (H) son:
,
LlS + L, -0.5L, -O.5Lms -0.5L, Ll, +L, -0.5L, -O.SL, -0.5L, LIS + L,
1
L, =
donde:
Lis Li, Lms Lmr
ListLms Ll,+Lm,
1' Ls,
e,
:[, + Lmr -0.5Lm, -0.5Lm, 1 -0.5Lmr L,, + L,,,, -O.5Lm, -0.5Lm, -0.5Lm, L/? + L,,
es la inductancia de dispersión de los devanados de estator, es la inductancia de dispersión de los devanados de rotor, es la inductancia de magneüzación de los devanados de estator, es la inductancia de magnetización de los devanados de rotor, es la inductancia mutua entre los devanados de estator y rotor, es la inductancia propia de los devanados de estator, es la inductancia propia de los devanados de rotor, es la posición angular del rotor.
(2.10)
Estas inductancias se definen de la siguiente manera:
es el número de vueltas del devanado de estator, es el número de vueltas del devanado de rotor,
(2.1 1)
(2.12)
(2.13)
12
C A P ~ L O ~ SISTEMA DE PROPUWI~NDE w HEY
p r I g
De la ecuación (2.6) se tiene que la derivada del enlace de flujo es:
es la permeabilidad en el entrehierro, es el radio a la mitad del entrehierro, es la longitud axial del entrehierro, es la longitud uniforme del entrehierro.
(2.14)
Desarrollando el primer término del lado derecho de la ecuación (214) mediante la regla
dL - dL de, (2.15) dt de , dt
d;t dL . di - = - I + L - dt di di
de la cadena se tiene que:
- der es la velocidad angular del rotor, que está definida como: dt
!!Lzn w dt p r
(2.16)
donde: O, es la posición angular del rotor, n p wI
es el número de pares de polos de los devanados de estator,
es la velocidad angular del rotor en rad/s
La ecuación del subsistema mecánico en términos del par electromagnético r, y la velocidad del rotor or es ( [Krause, 951):
(2.17)
donde: i np wr TL
es la inercia del rotor y de la carga en kg m2. es el numero de polos, es la velocidad angular del rotor en rad/s, es el par de carga en N.m.
Con esto se tiene el modelo del motor trifásico, sin embargo, simular este modelo es complicado debido a la dependencia de la posición angular, ya que los coeficientes de las ecuaciones diferenciales son variantes en el tiempo.
Debido a la dependencia de la posición angular es necesario aplicar una transformación, la cual eliminará el acoplo de las inductancias, y además, simplificará el modelo de la máquina de inducción, facilitando la simulación y permitiendo que este nuevo modelo pueda aprovecharse para la aplicación del control.
'Un cambio de variables que logra la transformación de las variables trifásicas de los elementos de un circuito estacionario al marco de referencia arbitrario de dos fases se puede expresar como en [Krause, 951:
fdg0 = K fnbc (2.18)
13
C A P h L O 2 MODELADO D E LAS PARTES DEL SISTEMA DE PROPULSION
donde f : representa a cualquier sistema trifásim de variables eléctricas’(voltajes, corrientes, Pares, enlaces de flujo, etc.) desfasadas 120° eléctricos entre si, abc ’ sistema de variables originales, dq0 : sistema de variables resultantes.
¡I I
! 14 La transformación inverSa está definida de la forma:
fabc =K-’ .&O Las matrices de transformación K y K l están definidas de la siguiente manera:
1 - [ i 2 1 2 -
(2.19)
(2.20)
(2.21)
Donde:
,Las vxiables en las integrales anteriores están definidas como:
:ec : desplazamiento angular del conjunto de variables originales, faí : velocidad angular del conjunto de variables originales. I/
I1 - Si las variables originales pertenecen a un circuito eléctrico estacionario, wC=O.
- Si pertenecen al circuito eléctrico del rotor, wc = W .
O: desplazamiento angular de las variables nuevas del marco de referencia , arbitrario, O : velocidad angular del Marco de Referencia (MR) arbitrario,
! 14
CAP~TULO 2 SISTEMA DE PROPUUION DE UN HEY
(arbitraria) O
U,
o,
: variable auxiliar de integración
La transformación general se puede utilizar con circuitos electncos especificos, considerando los valores apropiados de velocidad angular.
. En el análisis anterior, se ha hecho referencia a un MR arbitrario, donde la velocidad angular u puede tener cualquier valor; sin embargo, existen otros marcos de referencia comúnmente utilizados por su conveniencia para aplicarlos a ciertas configuraciones de circuitos reales.
A continuación se muestra una tabla que presenta los MR más comunes [Krause, 95).
arbhano fd. f,. fo Variables de circuitos referidos al MR hq; Ó KS
estacionario fd: f,". fo , Variables de circuitos referidos al MR fd,; Ó K'
fijo al rotor Variables de circuitos referidos al MR fd,; Ó K'
fd. f,: fo giratorio síncrono fd, he8 fo .
-_ do TL - P v d i q -7
dt J d v d - = -ay/, + aMid
dt
I
(2.22)
15
CAPiTULO 2 MODELADO DE LAS PARTES DEL SISTEMA DE PROPULSfdN
Las variables auxiliares a, p, y, p y o que se presentan en la ecuación (2.22) están definidas como:
i/
I !I I(
'i
donde:
Par de carga, (Nm). Coeficiente inercia1 del rotor y de la carga, (kgm2). Inductancia mutua entre los devanados de estator y rotor. Número de pares de polos en el MIJA. Corrientes en el MR dq (2$) del rotor. Indgctancia propia de los devanados de estator. lnductancia propia de los devanados de rotor. Resistencia de los devanados de estator. Resistencia de los devanados de rotor. Enlace de flujo en el rotor. Ángulo del flujo de rotor. Desplazamiento angular.
(2.23)
(2.24)
(2.25)
(2.26)
(2.27)
2.3.2 IMPL~MENTACI~N DEL MODELO DEL MIJA EN MATLABISIMULINK.
La ecuación 2.22 mostrada anteriormente se utiliza para simular el comportamiento del motor con-a ayuda de la función S de MatlablSimulink [Simulink, 02). El esquema se muestra en la figura 2,4 y el código del programa se lista en el anexo 2.
11
16
CAPjTULO 2 SISTEMA DE PROPllLSIbN DE (IN HEY
Función S del motor d e
I I \
Corrientes idq
voltales de Aiimentacion
Figura 2.4 Implementación del MiJA mediante la función S de MaüablSimulink
Una vez implementado el motor, los resultados que se obtuvieron fueron validados con
A continuación se presentan algunas de las gráficas que describen el comportamiento del MlJA en lazo abierto, los resultados obtenidos en la simulación por medio de la función S, se muestran en las figuras 2.5 a 2.7.
las simulaciones de [Méndez, 011, [Krause, 951 y [Ong, 981.
I O 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
Tiempo (s) 3 a)
Figura 2.5. Corrientes bifasicas en el MR fijo al rotor, a) Corrientes de los devanados de rotor, b) comentes de los devanados de estator.
17
CAPfTULO 2 MODELADO DE LAS PARTES DEL SISTEMA DE PROPULSIdN
velocidad n d l s
Figura 2.1. a) Voltajes de alimentación bifasicos, b) Gráficas de Par Vs. Velocidad a)
I'
En las figuras anteriores se muestran las curvas de comportamiento tipicas de un motor de inducción.
.' Se puede observar que la velocidad se estabiliza al momento que el par Io hace, esto ocurre cuando el par llega a su valor nominal (figura 2.6). Estas gráficas tienen un comportamiento muy similar a las obtenidas por [Ong, 98). Con esto se;valida el modelo del motoryde inducción y su implernentación en función S.
2.4 INVERSOR TRIFASICO.
Los convertidores de CD a CA se conocen como inversores. La función de un inversor es cambiar un voltaje de entrada de CD a un voltaje simétrico de salida en CA, con la magnitud y frecuencia desadas. Tanto el voltaje de salida como la frecuencia pueden ser fijos o variables ([Rashid, 931).
Los inversores trifásicos se utilizan normalmente en aplicaciones de alta potencia, en está tesis se utiliza para accionamiento de un motor de inducción. El inversor será controlado
I1
18
CAP~rVLO 2 SISTEMA DE PROPULSI6NDE UN HEY ~
con modulación senoidal de ancho de pulso (SPWM por sus siglas en inglés), ya que este tipo de modulación es el más aplicado en la industria; tres inversores monofasicos pueden conectarse en paralelo para formar la configuración de un inversor trifásico.
Las señales de compuerta de los inversores monofásicos deben adelantarse o retrasarse 120" uno con respecto al otro, a fin de obtener voitajes trifásicos balanceados (fundamentales).
la unión motor - inversor en los vehiculos hibridos eléctricos como en el caso de [Miller, 031. La topología mostrada en la figura 2.8 ha sido utilizada por algunos investigadores para
Se puede obtener una salida trifásica a partir de una configuración de seis transistores y seis diodos, tal como la que se muestra en la figura 2.8.
- -
VCl2 ii DI ii D3 H D5 Q5 Q3
a C
D2 Q2 D6 Q6 D4 Q4
Figura 2.8.- Inversor trifásico
La modulación senoidal por ancho de pulso se describe a continuación.
2.4.2 MODULACIÓN SENOIDAL DEL ANCHO DE PULSO.
Un método de modulación popular aplicado en la industria es conocido como técnica SPWM. Este método se describe en [Sen, 891.
La generación de las señales de excitación con modulación senoidal de ancho de pulso aparece en la figura 2.10. Se muestran tres ondas senoidales de referencia, cada una de ellas desplazada 120" eléctricos.
Una onda portadora se compara con la seiial de referencia correspondiente a una fase, a fin de generar las señales de excitación. Para generar el voltaje de salida, como aparece en la figura 2.10, se tiene la condición de que dos dispositivos de conmutación de una misma rama no pueden conducir simultáneamente.
19
CAPiTULO 2. MODELADO DE LAS PARTES DEL SISTEMA DE PROPUL.Sl6N.
Figura 2.9.. Modulación senoidal de ancho de pulso para un inversor trifasico. a) Voltaje de referencia y voltaje de la portadora, b).c),d) Voltajes de disparo de compuertas, e) Voltaje de linea.
A continuación se presenta la simulación del inversor trifasico con modulación SPWM.
2.4.3 IMPLEMENTACIÓN DEL INVERSOR EN MA TLAB/SlMüLINK.
En la figura 2.10 se muestra la implementación del modelo del inversor en Simulink, también en el recuadro superior se observa parte del archivo .m implementado mediante la función S, el programa completo se muestra en el anexo 2.
Función S del Inversor Trifasim function [sys,xO.str.ts] = inver-spwm(t,x,u.flag)
vs =zoo; frecp = 500í ; switch flag,
I ca'se i. I VoltaJer y Corrlentei por Fase
Obtsnclbn <le AmonIc05 medlante 1 1 FFT
frore
Figura 2.10.- Implementación del Inversor tnfásico en Matlab/Simulink mediante la función S
/ / 20
- I- I
CAP~TULO 2 SISTEMA DE PROPULSION DE UN HEY
... . .... (SPWM).
Frecuencia de las señal portadora Frecuencia de la señal senoidai indice de modulación %
Voltaje de alimentación
La tabla 2.2, muestra el voltaje de alimentación del inversor así como frecuencia y carga.
5 volts 580 hz 60 Hz 85 %
Los resultados obtenidos se presentan en las siguientes gráficas.
O
.10 5
B l: k.10
5 10
O
I I -10 O 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
Tienpo (s) n n p a (4 -4 a)
Figura 2.11. a) Portadoras triangular y señal de referencia senoidal utilizadas para producir 10s pulsos de disparo, b) Voltajes y corrientes en cada fase del inversor tnfásico con una carga RL aplicada.
Se observa que la implementación del bloque funciona perfectamente, ya que se tienen voltajes desfasados 12o'eléctricos entre si (figura 2.11b). Las gráficas obtenidas con está simulación tienen un comportamiento muy similar a las presentadas por [Sen, 89) en la sección de inversores.
2.5 UN/ÓN DEL MOTOR E INVERSOR.
Para acoplar los modelos, hay que tomar en cuenta que se está utilizando el modelo del motor de dos fases (dq), y éste es alimentado con una fuente trifásica; al voltaje de salida del inversor es necesario aplicarle la matriz de transformación para que los modelos?sean compatibles.
El modelo del inversor junto con su control SPWM ha sido implementado mediante Matlab/Simulink en función S, al igual que el motor de inducción; de esta manera, se cuenta con dos bloques que son fácilmente acoplados.
\
En figura 2.12 se observan las etapas que conforman la unión de los modelos. $
CENIDET IZNTRO DE INFORMACION
21
Transf Ud_
% de Inversor vbc_ Trifacico I/
-!!Y.. 3 a 2 +
simulación de este modelo. '
I .w Vd
Motor : id 1q
Iiltlilccióil - t P I t e
Te
.I La figura 2.13 muestra la implementación del modelo del motor e inversor en MatlablSimulink mediante la función S. El código de estos modelos se muestra en el anexo 2.
Unión motor - inversor en función C
= (26.lY(2'pitbo~l'~?nl: = 0.1511(2.$'b01:
L,, 11 I = O.7Sli(2.pit801:
comportamiento de los parametros de la miquina - 0 8 1 6
COl,,."ill.".IE*.IDI
co,,im,a I" .I R o b <
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Vonii..'"lii h... I .!O .R; 6 3.: ~!i i
I *?I
"73, , # . . P 4 L '2. ,ti,' Figura 2.13.- Implementación en MatlabiSlmulink mediante la función S del motor e inversor
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CAP¡TULO 2. MODELADO DE LAS PARTES DEL SISTEMA DE PROPULSloN.
\*ebdw 1 r ;r;- j ;-1 1M ' 100 ,u) ... < . ... : i .......,. i ....,. <.. L .<..<,..,~ .........
i =
T h P (e T . o J >i)
Figura 2.16.- a) Par electromagn6tlco generado, b) Velocidad del rotor
En la figura 2.16a se muestra la curva típica de par - velociaad de un motor de inducción, si se compara esta gráfica con la mostrada en la figura 2.6b, se advierte que tiene más ruido, esto es debido a la conmutación a alta frecuencia del inversor.
I1 La figura 2.16b, es la curva de la velocidad en el rotor, la velocidad se estabiliza en su
valor nominal al momento que se estabiliza el par.
Cuando se aplica un par negativo al MIJA, éste pasa de funcionar como motor a un modo generador (debido a las caracteristicas de construcción de la máquina de inducción), la corriente entregada en modo generador es rectificada al pasar por el inversor (los diodos en el
Figura 2.17.- a) Respuesta de la máquina con un par negativo (modo generador), b) Cornente a traves del rectificar de puente completo.
: Los resultados obtenidos de la unión motor - inversor son los esperados. El inversor entrega el voltaje necesario al motor de inducción y su correcto funcionamiento se observa en las curvas tipocas del motor obtenidas en esta sección.
24
.,. CAPITULO 2 SISTEMA DE PROPULSION DE UN HEY
2.6 CARGADOR DE BATERíAS.
Con el fin de mantener el medio ambiente limpio, se están realizando investigaciones para disminuir la cantidad de emisiones contaminantes producidas por los vehiculos de combustión interna. La mayoria de las emisiones de un vehiculo se producen en el arranque, por lo tanto, se pretende utilizar una fuente de energia alterna que no produzca emisiones contaminantes [Khan, 991.
Los vehículos eléctricos no contaminan, pero uno de los principales problemas de estos vehiculos es que las distancias que pueden cubrir, antes de que se termine la energia almacenada en las baterías, son limitadas y, por Io tanto, es necesario recargarlas.
Debido al problema de los EV, una de las alternativas es utilizar vehiculos que contengan los dos sistemas de propulsión a bordo: motor de combustión Wema y baterías, de esta manera no se eliminan las emisiones, pero si se disminuyen considerablemente.
El paquete de baterias está entre los componentes que tienen un efecto significativo en el desempeño de los vehiculos eléctricos e hibridos. El término paquete de baterias se refiere a un componente que contiene un número de módulos de baterías individuales conectadas en conjunto. Un ejemplo utilizado en los vehiculos es una conexión serie de 22 baterias de 12 voltios, Io cual resulta en un módulo de batería de 264 voltios.
Los principales requerimientos del paquete de baterías de los vehicuios eléctricos e híbridos son: alta densidad de potencia, alta densidad de energia, bajo costo, larga vida y alta eficiencia de carga. El desempeño de los módulos de baterias depende no solo del diseiio de este, sino también de la manera en que son conectados y cargados. En este sentido, los cargadores de bateria juegan un rol importante en la evolución de los vehiculos eléctricos e hibridos [Khan, 991.
2.6.1 UNIDAD DE PROCESAMIENTO DE ENERGíA.
La unidad de procesamiento de energia de un cargador de baterias consiste de un convertidor CA a CD y un circuito de control asociado a esto [Khan, 991. Tradicionalmente, la sección de entrada de un convertidor CA a CD consistia de un rectificador de onda completa seguido por un capacitor.
El circuito de control asociado con el convertidor CA a CD se usa para controlar la forma de onda de la corriente y, de esta manera, la calidad de la linea de corriente CA. El control también determina el desempeiio dinámico de la unidad de procesamiento de energía.
La unidad de procesamiento de energia se encarga de acoplar la corriente que entra a la batería, ya sea por el frenado regenerativo o por la fuente de CD que proviene del motor de combustión interna.
25
CAPflTJLO 2. MODEUDO DE LAS PARTES DEL SISTEMA DE PROPULSidN.
- Convertidor
__i IN 2 Buck
2.6.2 UNIDAD DE MANEJO DE LA BATERIA. I1
La unidad de manejo de bateria controla el proceso de carga y consiste de un microprocesador y un sensor [Khan, 991. La carga depende del EDC (Estado de Carga), voltajes y la temperatura del paquete de baterías.
El microprocesador contiene el algoritmo de carga y el senso; entrega información acerca de las corrientes y voltajes, además de la temperatura del paquete de baterías.
El microprocesador recibe información del sensor y manda la señal de control a la unidad de procesamiento de energia para recibir la corriente de carga requerida o bien para detener la carga.
111
~ Las unidades de procesamiento de energía y de manejo de energía en conjunto, forman un cargador inteligente, el cual proporciona una eficiencia de carga aceptable, un desempeiio optimo e incrementa la vida de las baterías.
il
Paquete de Convertidor __t Baterías + Boost -+
OUT 1
2.6.3 CARGADOR PARA LA INTERFASE DEL VEHkULO.
El EDC de la batería se determina mediante la corriente del paquete durante la carga o descarga, la unidad de manejo de bateria está localizada en el vehiculo, de tal manera que éste puede medir la carga y descarga de corriente durante la propulsión y el frenado regenerativo.
26 ii
-~ CAPITULO 2 SISTEMA DE PROPULY~NDE UN HEY
de las baterías al inversor trifásico, mientras el estado de carga del paquete de baterias lo permita
2.6.4 DISENO DEL CONVERTIDOR BUCK.
*- s' Act O - Cerrado 1 -Abierto
vs ,
El convertidor Buck que se utilizara como parte del cargador de baterias se presenta en la figura 2.20. Como se puede ver, hay un lazo de control formado por un amplificador (Al) que proporciona la corriente de error y, un comparador (A2) con el cual se obtienen las señales de control para los interruptores.
El lazo de control del convertidor Buck es en modo corriente para regular la corriente de carga de la bateria.
Generador de la Seiial Triangular
m m 2 - o + +
- vc +- iL 'Cbk
%kCbk Cbk
vc Vs*Act iL:k =--+( Lbk L~~ )
Donde: V , Voltaje del capacitor, iL Corriente en el inductor, Cbk Lbk f?bk resistencia de carga. Act
valor del capacitor del filtro, valor del inductor del filtro,
Estado del sw, puede ser 1 o O.
(2.28)
Una vez obtehido el modelo del convertidor, se explica como funciona el lazo de control presentado en la figura 2.19.
La ganancia del control es la siguiente:
27
. ...
'1 CAPfTlILO 2 MODELADO DE LAS PARTES DEL SISTEMA DE PROPULSIÓN
h ( r ) =(I(?) - iref) (2.29)
11 La ecuación 2.29 está relacionada con la figura 2.19, observando esta figura se explica fácilmente el comportamiento del lazo de control. ico es la corriente de error amplificada (a la salida del amplificador AI); a es la constante de ganancia del amplificador AI; /(t) es la medición de la corriente en la carga (la cual se desea controlar) e lrefes la corriente de referencia. ''1 La señal ICO, se conecta en una de las terminales del comparador A2, el cual en su otra terminal tiene una señal triangular, al compararse la señal Ico y la señal triangular se obtiene la señal de control Acf (salida del comparador A2). está señal de control envía un nivel bajo (O) o un nivel alto (1) a los interruptores S y S'para'su conmutación [Fossas, 961.
Es necesario diseñar el convertidor Buck para reducir el voltaje de alimentación de 400 Vdique entrega el motor de combustión interna a un voltaje de salida de 100 Vdc, con una corriente de 20 A, que es el voltaje utilizado para cargar el paquete de baterías.
I1
La corriente requerida para la carga de las baterías es supuesta y, en el diseño, se supone que el convertidor entrege una corriente de carga de 20 A, ya que es la corriente de cargb que se utilizara para cargar el paquete de baterías usado en el vehículo.
Diseño del convertidor Buck ([Ang, 951).
La implementación del convertidor está pensada para un IGBT con capacidad para soportar 1.2kV entre terminales. El voltaje de alimentación es de 400 Vcd, se requiere un voltaje a la salida de 100 Vdc con un rizo de 5Vpp. La frecuencia de trabajo es de 25Khz, se requiere una corriénte de 20 A, que tenga un rizo de corriente en el inductor que no sobrepase 0.2 App. Es necdsario encontrar:
II Ciclo de trabajo, K, el valor de la inductancia, Lbk, el valor del capacitor, Cbk,
I1
I/ Solución:
I1 . Obtención del ciclo de trabajo: I Vo = k * Vs li
(2.30)
Vaiol de la inductancia, Lbk, I)
Vs * k * (1 - k )
Vs* k *(1 - k) - iOOv* 0.6*(1-0.6)
AI= f *Lbk
- (2.31) Lhk = f *AI 25,000 * 0.2A Lbk = 4.8mH
'1 Valor del capacitor, Cbk,
28
CAPIT(ILO2 SISTEMA DE PROPUISIÓN DE UN HEY
Al AVc = 8*f *chk
0.2A - - Al c - ” - 8 * f * A V c 8*25,000*5
(2.32)
c,, = 200?7F
2.6.5 DISEÑO DEL CONVERTIDOR BOOST.
Ahora se presenta el convertidor Boost, el lazo de control de este convertidor es de la misma forma que el del convertidor Buck, sólo que ahora el lazo de control será en modo voltaje, en la figura 2.20 se muestra el diagrama del convertidor Boost y el lazo de control utilizado.
Generador de la Serial Triangular
O - Cerrado
Figura 2.20.. Diagrama a bloques del convertidor Boost y el lazo de control en modo voltaje.
Las ecuaciones diferenciales que representan este modelo son:
La nomenclatura es la misma que la del convertidor Buck. Ahora se realiza el diseño del convertidor Boost, que se utilizará para elevar el voltaje de la bateria que alimentará el inversor; la bateria entregará 260 Vdc y una corriente constante de 20 A.
Diseño del convertidor Boost ([Ang, 951).
La implementacian del convertidor esta pensada para un IGBT con capacidad para soportar 1.2kV. El voltaje de alimentación es de 260 Vcd (voltaje entregado por el paquete de baterías), se requiere un voltaje a la salida de 400 Vdc con un rizo de 5Vpp. La frecuencia de trabajo es de
29
', CAPfTULO 2. MODELADO DE LAS PARTES DEL SISTEMA DE PROPULSl6N.
25kHz, se requiere también que el rizo de corriente en el inductor no sobrepase 0.2 App. Es necesario encontrar:
I/ Ciclo de trabajo, k, el valor de la inductancia, Lbt, el valor del capacitor, Cbt,
li
Ciclo de trabajo, k,
k = 0.35 Valor de la inductancia, Lbt,
Vs*k 260v*0.35 f *AI 25,000Hz*0.2A
Lb, = - =
Lb, = 18.2mH Valor de la capacitancia, Cbl,
li
Io*k AVC = - f *Cb, Io*k 20A*0.35
" - f *AV= 25000*5v - c - -
C,, = 56pF
(2.34)
(2.35)
(2.36)
2.6.6 BATERíA.
Uno de los factores principales en el vehículo es la batería, ya que el ahorro de energia es lo que hace llamativo este tipo de automóviles, además de la reducción de emisiones contaminantes, el ahorro de combustible es posible gracias a las baterias y el frenado regenerativo.
' , El modelo que se utilizó para la batería es generalmente. utilizado en sistemas de generación fotovoltaicos y se emplea en esta tesis por dos motivos: por su simplicidad y. porque su dinamica depende de la corriente y tiempo de carga.
Una de las cosas que se buscaba en el modelo de la batería es que se pueda obtener de alguna manera su estado de carga (EDC), ya que este parametro indica el comportamiento de la batería
I/
30
CAPiTI/LO 2 SISTEMA DE PROPUUlbN DE UN HEY
MODELO MATEMÁTICO NORMALIZADO DE LA BATERÍA
Basándose en estudios y en experimentación sobre distintos tipos de baterías, [Copetti, 941 desarrolló un modelo de bateria normalizado en función de la capacidad Cio(Capacidad de almacenamiento de la bateria en 10 horas). Se seleccionó este modelo por su simplicidad y ajuste conveniente para aplicaciones industriales. A continuación se transcriben las fórmulas que componen el modelo [Carrasco, 20001:
CASO DE DESCARGA:
Vd = [2.085 -0.12(1- EDC)]
EDC, = EDC, +- C
CASO DE CARGA:
Vc = [ 2 + O. 1 6EDC] +
EDC, = EDC, + -7, Qi"
C
(2.37)
(2.38)
CASO DE SOBRECARGA:
v - 2.45+2.011in 1+- (1-0.002AT) 4 ( ;,I1 VE = 2.24+1.97in I+- (1-0.002AT) [ [ Ll
17.3 1.61 T =
(2.39)
v = ~g +( V~ - v ~ )
31
CAdTULO 2 MODELADO DE LAS PARTES DEL SISTEMA DEPROPULSIÓN
donde:
Estado de carga de la bateria. Capacidad de la batería. Capacidad de carga de la bateria en régimen de corriente a 10hs Variación de temperatura tomando como referencia 25°C. Corriente de la batería. Tensión de la bateria durante la carga. Tensión de descarga. Tensión de la batería para el comienzo de la gasificación. Tensión final de carga. Rendimiento de carga. Constante de tiempo generalizada. Corriente de carga en el régimen CIO. carga suministrada en el tiempo de interés Qn. I*t.
Basándose en este modelo matemático se pueden obtener la tensión de la bateria y el estado de carga a partir de la corriente suministrada por el generador; datos de'temperatura ambiente y estado de carga anterior, utilizando como parámetro principal i a capacidad Cio, que es un dato especificado por el fabricante
I\
2.7 UNIÓN DEL CARGADOR DE BATERIÁ Y LA BATERíA.
~ Para verificar el comportamiento del cargador de baterias se realizaron diferentes pruebas, como son:
Prueba de carga.- El convertidor Buck, se alimenta con una fuente y se observa el aumento en el estado de carga de la bateria.
Prueba de descarga.- Se supone un estado de carga alto en la bateria, luego se le demanda una corriente y a través del convertidor Boost, la bateria entrega un voltaje y una corriente al convertidor.
2.7.1 CONVERTIDOR BUCK Y BATERIA (PRUEBA DE CARGA).
I La primera prueba que se presenta es la prueba de carga, esto con el fin de verificar que el convertidor puede acoplar el voltaje y corriente cuando se presenta el frenado regenerativo o cuando es necesario ocupar el motor de combustión interna para cargar la bateria.
il FUENTE
Figura 2.21.- Prueba de Carga de Baieria.
32
CaPhlJLO 2 SISTEM DE PROPULSION DE UN HEY
25
6 20 E - 9 15 o c - o 10 .- L
La implementación de estos bloques en Matlab/Simulink se presenta en al figura 2.22, el código del programa en .m se muestra en el anexo 2
Función C del convertidor
................................
............... .j ................ ! ............... : ................ i ............... j ............... : ................
................ : ................ : ............... : ................ : ............... : ................ :
function [sys,xO,str.ts] = buck(t,x,u,flag)
Vs = 20; %Voltaje de entrada R 5: . %Resistencia de carga L = 100e-3: %inductor C = 100e-6; %capacitor a = 0.1; % Nivel de la serial triangular Vref = 7;
. ,:I
%Voltaje de referencia
I
VDltaje y Corrlente del convem
la salida
Estado de Carga de la bateria Modelo de Bateria
C10 = 180 %Capacidad de &ga CT = 1 67'C10, %Capacidad limite de la I I l U = 18, switch flag. - '
case O . i
[sys.xO,str,ts] = rndllnitializeSizes,
Función S de la Batería
33
CAPiTULO 2. MODELADO DE LAS PARTES DEL SISTEMA DE PROPULV6N.
En la figura 2.23 se muestra la corriente utilizada para cargar el paquete de baterías, al aplicar el control en modo corriente, la corriente tiene un rizado menor al propuesto en el diseño, esto se debe al lazo de control que mejora el desempeño del convertidor, ya que con el lazo se varia la frecuencia de conmutación.
I'
u $ 30.3 I . .
30 I O 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Tiempo (s) Figura 2.24.- Estado de carga del paquete de baterias.
,I
Se observa en la figura 2.24 que, al aplicar la corriente y voltaje del Buck como fuente de alimentación a la bateria, el estado de carga que está en porcentaje aumenta indicando que el paquete de baterias se está cargando.
2.7.2 CONVERTIDOR BOOST Y BATERIA (CASO DE DESCARGA).
Ahora se presenta el caso de descarga de la bateria, suponiendo un EDC de 90% se demandará una corriente constante de 20 Amperes, de tal manera que el convertidor Boost se encargará de elevar el voltaje que entrega la bateria hasta 400 volts DC. para alimentar el inversor.
En la figiira 2.25 se muestra el diagrama a bloque de esta etapa y la implementación en I!
MatlablSimulink se muestra en la figura 2.26. I/
FUENTE
Figura 2.25 - PrueDa de descarga de la Bateria.
En cuanto a la implementación en función S, este bloque se hizo en dos partes, el convertidor Boost y el paquete de baterias, con el fin de manejar las dos funciones como librerías de Matlab/Simulink, el código .m se muestra en el anexo 2.
34
OlPh'ULO 2 SISTEMA DE PROPUXSl6N DE UN HEY
Función S de la Batería
function [sys.xO.str.ts] = batery-uno-a0 cio = 180; %Capauüad de carga. CT = 1.67'CiO; %Capacidad limite. 110= 18, switch flag,
vs = 10: R = 33: convertidor
Función S del L = 1.5e-3;
C = 75e-6: a = 1;
Figura 2.26.- Implementación en MatlablSimulink del caso de descarga.
En la figura 2.27 se muestra el voltaje a la salida del convertidor Boost, este voltaje se usa para alimentar el inversor trifásico.
O 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Tiempo (s)
Figura 2.27.- Voltaje a la salida del convertidor Boost. <'
Similar al Buck, el rizado disminuye al aplicar el lazo de control, el lazo de control se aplica al voltaje de salida para evitar variaciones en el voltaje.
35
c a p j m o 2. MODELADODE LAS PARTES DEL SISTEMA DE PROPULSI~N.
Figura 2.28.- Estado de carga de la bateria (descarga).
Como se observa en la figura 2.28, el EDC de la bateria disminuye y esto es por que se demanda una corriente a las baterias, esta corriente que se demanda puede ser la que se necssita para alimentar el motor de inducción.
2.8 CONCLUSIONES.
En este capitulo se analizaron los modelos que conforman el sistema de propulsión del vehículo hibrido, la máquina de AC utilizada es el motor de inducción jaula de ardilla, el cual es accionado por un inversor trifásico.
El primer paso que se realizó fue verificar el modelo del motor de inducción en lazo abierto, se obtuvieron curvas de par, velocidad, par - velocidad, corrientes de rotor, corrientes de estator y se verificó el comportamiento con las gráficas obtenidas por [Ong, 981 y [Méndez, 011, que son similares a las obtenidas en las figuras 2.5 a la 2.7.
, Se verificó el comportamiento del inversor trifásico implementado en función S, se obtuvieron los voltajes de las tres fases (figura 2.12), las formas de onda obtenidas son similares a las presentadas por [Sen, 891 en la sección de inversores.
En la unión motor e inversor, se obtuvieron las curvas típicas del motor de inducción que es la de par y velocidad (figura 2.16) validando la unión de los dos modelos, se verificó que al aplicar un par negativo (figura 17a) a la máquina de inducción el inversor funciona como un rectificador (figura 17b).
En el cargador de baterias se verificó el comportamiento de carga y descarga, poniendo condiciones iniciales a la bateria o suponiendo un estado de carga inicial, los resultados son mostrados en las figuras 2.23 a 2.28.
36
CAPÍTULO 3.
CONTROL DE VELOCIDAD DEL VEHICULO HíBRIDO.
3.1 INTRODUCCI~N.
Los accionadores para motores de inducción de jaula de ardilla, han sido los caballos de batalla en la industria en aplicaciones donde son necesarias las variaciones de velocidad.
Entre las aplicaciones donde se manejan estos tipos de controles de variación de velocidad de motores están: bombas para liquidos y aplicaciones eólicas, molinos de papel y textiles, propulsión de locomotoras, vehiculos hibridos y eléctricos, máquinas eléctricas y robóticas, e incluso aplicaciones en el hogar.
El control para máquinas de CA en general tiene mayor complejidad que el control de máquinas de CD, y el control en las máquinas de CA puede ser más complejo si se exigen ciertos comportamientos en el desempeño del control, esta complicación es debido a la no linealidad de la máquina de CA.
El diseño de controladores de alto desempeño para el motor de inducción es complicado, debido a que no se puede medir el estado completo de la máquina, además de ser un sistema no lineal y con parámetros variantes en el tiempo (Mendez, 01).
Existen diferentes métodos de control para el motor de inducción, entre ellos se encuentran:
31
CAPITULO 3 SISTEMA DE PROPUDI~N DE UN HEY
1. Control en régimen permanente
.. Considerado como un método clásico, las variables de control básicas son la amplitud y la fre'cuencia de los voltajes y corrientes del estator. Su ventaja principal radica en que se pueden aplicar las técnicas de control lineal en el diseño del controlador; como desventaja se tiene que el desempeiio dinámico es variable, dependiendo de qué tan cerca esté funcionando el motor del punto de operación supuesto.
Algunas técnicas usadas son pose, O.?]:
a) Control Voltaje/Frecuencia constante, b) Control de la frecuencia de deslizamiento y corriente del estator,
2. Control no lineal
Las aplicaciones de alto desempeño demandadas por la industria requieren técnicas de control no lineal para alcanzar el funcionamiento deseado. Algunos métodos utilizados son:
2.1. Control vectorial
Es un metodo de control estándar para máquinas de CA. Su objetivo principal es hacer que el motor de inducción se comporte como uno de CD de excitación separada, con las variables de par y flujo magnético desacopladas. Algunas técnicas usadas son [vas, 981:
a) Control por campo orientado, b) Cohtrol directo del par y del vector de flujo de estator
il
1:
2.2. Control no lineal moderno
Estas técnicas utilizan el modelo no lineal del motor y se basan en la teoría de sistemas y tratan de demostrar formalmente caracteristicas fundamentales del sistema de control. Algunos de los métodos utilizados son:
a) Los basados en pasividad y moldeo de energía: utilizan la formulación Euler-Lagrange (E-L) para el modelo del MI y aprovechan las propiedades fisicas del sistema como la conservación de energía y la pasividad [Espinosa, 931.
b) Los basados en la linealización por retroalimentación. consisten en transformar al sistema original no lineal en una relación lineal entre variables auxiliares de entrada y salida por medio de un lazo de retroalimentación no lineal interno y posteriormente se diseiia un control lineal que asegure la estabilidad y el desempeiio deseado del sistema lineal resultante [DAttellis, 921.
c) Los basados en el método backstepping: consisten en dividir al sistema total en subsistemas de menor orden, se elige uno y se le diseña un control por retroalimentación
U I;
38
CAPITULO 3 CONTROL DE VELOCIDAD DEL HEY
como si no existieran otras dinámicas y se obtiene un pseudocontrol; si no aparece la setial de control verdadera se repite el procedimiento hasta que aparezca [Isidori, 891.
d) Los basados en el control de sistemas de estructura variable: utilizan el control en modos deslizantes [lsidori, 891.
e) Entre otros métodos de control no lineal moderno se encuentran el robusto, redes neuronales, difuso, etc. [Hernandez et al, 971.
Esta tesis se enfocará al control vectorial, que se describe con detalle a continuación.
3.2 CONTROL VECTORIAL.
El objetivo del control FOC o vectorial es estabilizar y mantener una explícita relación angular (orientación) entre el vector de corrientes de estator y el flujo del rotor (o campo), es decir, estabilizarlo dentro del entrehierro de la máquina de inducción.
La relación angular puede calcularse mediante la regulación del deslizamiento de la máquina a un valor particular el cual causa que el vector del flujo del rotor llegue a alinearse con el componente del eje d (ver figura 3.1) del vector de comente de estator.
De esto se puede decir que el control FOC consiste en fijar la orientación (ángulo a en la figura 3.1) entre el vector de las corrientes de estator y el vector del flujo rotórico o campo de la máquina; de allí el nombre de CONTROL DE CAMPO ORENTADO [Diana, 891.
t eje i vector de corriente de estalor -s
Jr vedor de flujo del rotor
i ds -- h r 'dr
I/ ji; eje d
Figura 3.1.- Condiciones para una correcta orientación de campo
En la figura 3.1, se puede observar que el vector de corriente de estator ( is ) tiene dos componentes ortogonales (ids, iqs); mientras que el vector de flujo del rotor (A,) tiene una sola componente (A,), ésta se encuentra enteramente a Io largo del eje d , esto significa que el vector del flujo del rotor no tiene una componente ortogonal de flujo en dirección del eje q y &,es cero.
39
C A P ~ U L O ~ SISTEMA DEPROPUL~I~NDE UN HEY
11
En este tipo de control es necesaria la adquisición de la posición del flujo del rotor (p). este ángulo puede ser escrito como:
P, = 0, + es, (3.1)
It donde es la posición del rotor y Osles el ángulo de deslizamienio. En términos de la velocidad y el tiempo, el ángulo del flujo puede ser escrito como:
: Los esquemas de control vectorial son clasificados de acuerdo a la manera de obtener el ángulo del campo del rotor (p,). Este ángulo se calcula usando voltajes y corrientes o con censores Hall o devanados para medir el flujo, entonces este tipo de control es conocido como control vectorial directo, que es el control que se utilizará en esta tesis.
En la figura 3.2 se muestra el esquema de la implementación del control vectorial directo orientado al flujo del rotor.
'1 En el control vectorial directo se sensa la velocidad (ur) y se compara con la velocidad de referencia (orre$, la señal de error entra al control PI de velocidad la salida del PI de velocidad se usa como par de referencia (w) y esa señal se compara con el par (re) de la máquina, el error del par entra al controlador PI (control del par electromagnético). La salida del PI del par es la señal isp-rgue es una de las señales utilizada para la transformación al marco de referencia fija al rotor.
, La corriente de referencia limnet I se obtiene a la salida del bloque de generador de funciones (FG); el FG contiene un bloque de debilitamiento de campo que puede ser implementado en una tabla de valores. La entrada del bloque del generador monitorea la velocidad y después basándose en está velocidad el bloque FG proporciona un valor constante de 1 lm/l que es inversamente proporcional a la velocidad del rotor.
La corriente limnet I se compara con la corriente 1 imr 1 y la señal de error entra al control PI de la corriente magnetizante, la salida de este PI es la comente isxErque junto con la corriente isye/ (obtenida a la salida del PI del Par) son las corrientes de referencia utilizada para la transformación al marco de referencia fija al rotor.
r
/I r
40
CAP?TULO 3 CONTROL DE VELOCIDAD DEL HEV.
Canenfe
Figura 3.2.. Esquema del control vectorial directo
Las corrientes de referencia isuete isvet se transforman a un marco de referencias de dos ejes fijas a la corriente del estator (marco de referencia estacionario) nombradas isDret e isQret por medio de la aplicación de la transformación ePr donde p que es el ángulo de la corriente de rotor magnetizante.
Para poder obtener el ángulo p s e ocupa el bloque de modelo de flujo, las operaciones que realiza este bloque se describen a continuación.
3.2.1 BLOQUE DEL MODELO DEL FLUJO.
Este bloque es el que se utiliza para obtener la magnitud de la corriente, y el ángulo de la fase de estator, estas señales son indispensables para que el control vectorial funcione correctamente.
Para este cálculo es necesario medir dos de los voltajes de fase que alimentan a la máquina, tomadas de linea a neutro. En la figura 3.2 se observa que los voltajes de fase entran al bloque de Modelo de flujo, para poder calcular los voltajes de estator en el marco de referencia fijos al estator.
Los voltajes de estator q y d e n un marco de referencia fija al estator son obtenidos de los voltajes de fase como:
(3.3)
41
CAPjTULO 3 SISTEMA DE PROPULSIÓNDE UN HEY
I! Similarmente, las corrientes se obtienen de la misma manera, las ecuaciones de voltajes de estator son:
v, = ( R.< + 4 P ) jqx + L* Piq,
Y,, =(R, + L , P ) L +L,Pi,, I1
De donde se despejan las corrientes y se tiene que: 1
(3.4)
U (3.5)
Las corrientes de rotor y estator, par, el flujo y el ángulo se calculan de la siguiente manera:'
3 P Te =--Lm(iq& 2 2 -id&)
Con estas simples fórmulas, se obtiene el ángulo y la magnitud del flujo rotorico que es la base para el control vectorial.
3.3 IMPLEMENTACIÓN DEL CONTROL VECTORIAL EN MATLABISIMULINK. I/
El problema de control se puede describir de la siguiente manera: se desea que el MI siga a una referencia de velocidad (deseo del conductor de acelerar o frenar), teniendo acoplada una carga (rueda + inercia del vehículo) al eje del rotor.
Para el planteamiento del problema se propone el caso de modelo del control ideal de la máquina de inducción trifásica:
Todos los estados están disponibles para medición, Todos los parámetros del motor son conocidos y constantes, La velocidad de referencia oref es una función suave y acotada conocida, Las resistencias de los devanados de estator Rs y rotor R, se mantienen constantes y sin variaciones.
I1
El diseño del controlador se basa en el modelo 'dq' del MI (marco de referencia fijo al rotor).
I! 42
CAPITULO 3 CONTROL DE VELOCIDAD DEL HEY
Es necesario obtener una ley de control que facilite la programación de este control en MatlablSimulink y poder utilizar la función S. Con base en el diagrama mostrado en la figura 3.2, [Mendez 20011 en su trabajo obtuvo una ley de control la cual se utiliza en este trabajo.
Ley de control de campo orientado obtenido por [Méndez, 20011 es:
(3.7)
Donde Ud y u, son los voltajes de la ley de control que se utilizarán como las señales moduladoras del SPWM del inversor trifásico.
Para poder desarrollar un algoritmo de control presentado en la ecuación 3.8 es necesario que las variables de estado: a, vd, id, i,, p estén disponibles para retroalimentarlas, por tanto se debe poder medir w, i s , isb, ira, ira, y luego calcular vd, id, iq, pr en tiempo real.
Teniendo la ley de control de campo orientado y el modelo que describe el motor de inducción en un marco de referencia fijo al rotor, se une el motor e inversor con el control vectorial en la función S de MatlablSimulink.
Para controlar libremente el par y la velocidad, es necesario que el flujo se establezca a un valor constante, mediante el control PI del flujo. Este control depende de v d y se elige de la siguiente manera ([Méndez, 20011):
donde Kdi, Kd2 son ganancias del controlador.
Como se observa en el esquema de control mostrado en la figura 3.2, se tienen dos controles PI en cascada, que se utilizan para controlar el par y la velocidad, estos PI anidados se pueden escribir como:
43
, CAPhVLO 3 SISTEMA DE PROPULSl6NDEUN HEY
Como se observa en la ecuación 3 9 el par de referencia (w) resulta de aplicar el controlador PI al error de la velocidad.
I' Donde K,f, Kq2, Kq3, Kq4 son las ganancias de los controladores.
La función de los coniroladores PI se debe principalmente a que primero se desea estabilizar el flujo Wd, para después poder controlar la velocidad y el par.
I1 A continuación se presenta el diagrama esquemático a bloques del controlador por
campo orientado, con el modelo 'dq' del MI.
I I
Figura 3.3.- Diagrama a bloques del controlador por campo onentado para el MI en el marco de referencia 'dq' !I
En las ecuaciones que determinan a los controladores PI, sus ganancias se sintonizaron con los siguientes valores:
I1
Algunos algoritmoc acerca de cómo sintonizar los PI en un control FOC se presentan en los trabajos de [Chang, 20001 y [Espinosa, 981.
1 44
r r p i n n O 7 CONTROL DE VELOCIDAD DEL HEY
3.3.1 IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE PROPULSIÓN EN MATLABISIMULINK.
En la figura 3.4 se muestra el sistema de propulsión completo implementado en MatlablSimulink mediante la función S.
Como se observa en la figura un solo bloque contiene el modelo del motor, inversor y control. Para poder distinguir como está formado todo el sistema de propt!lsión, en la figura 3.5 se presenta un diagrama a bloques del sistema completo implementado en MatlablSimulink.
La razón por la cual se implementó el motor, inversor, y control en un solo bloque, fue para disminuir el tiempo de simulación del programa, el archivo .m de esta implemtanción se muestra en el anexo 2.
45
C A P ~ U L O 3 SISTEMA DE PROPUTSIONDE UN HEY
. . .. . . .
Velocidad
Par
Figura 3.5.- Diagrama a bloques del sistema de propulsion implementado en MaüablSimulink mediante ia función S.
AI control Vectorial se le hicieron pruebas de seguimiento y de regulación, estas pruebas se miestran a continuación. La figura 3.6 muestra una prueba de seguimiento, los incrementos de par y velocidad se muestran en la tabla 3.1.
"
80% 100% 120% 324 rags 360 rags 396 rads nominal 50% 100% 25 Nm 37.5 Nm 50 Nm
n0.w iq I5
Figura 3.6.- PNebaS de seguimiento con incremento positivo en el par y en la velocidad.
46
c A p i T u L o 3 CONTROL DE VELOCIDAD DEL HEY
Velocidad -10% -50% 130 rad/s 90 radls
62.5 Nm 12.5 Nm Par 150% 190%
-90% 10 radls 200%
100 Nm
41
CAPiTULO 3 SISTEMA DE PROPULSl6N DE UN HEY
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Figura 3.8.- Respuesta del sistema ante variaciones en el par de carga.
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Figura 3.8.- Respuesta del sistema ante variaciones en el par de carga.
0 5 10 15 m 25 31 35 UI 45
Como se observa en la figura 3.8, al aumentar el par, las perturbaciones en la velocidad son mínimas. Si se hace un acercamiento a la gráfica de velocidd mostrada en la figura anterior, se ve como estos cambios en el par de carga afectan al sistema. Esto se presenta en la figura 3.9.
I1
10 I5 a a 45 nsmpo 11
Figura 3.9.- Respuesta del sistema ante variaciones del par de carga.
En las pruebas de regulación y seguimiento se verificó el comportamiento dinámico general del sistema, ahora se presenta el comportamiento particular del sistema en diferentes escenarios del vehículo híbrido.
il
48
CAPiTULO 3 CONTROL DE VELOCIDAD DEL HEV.
3.3 ESQUEMA DEL SISTEMA COMPLETO DE PROPULSI~N DE UN VEH~CULO H~BRIDO.
En la figura 3.10 se observa el sistema completo de propulsión indicando con distintos trazos las direcciones del flujo de energía en cada uno de los posibles escenarios que se van a contemplar en esta tesis, estos escenarios son: Modo batería, Modo Normal y Modo de frenado regenerativo.
MODO NORMAL MlJA
m rn I MOO0 I BATERIA n I =
PAQUETE DE BATERíAS
Figura 3.10.- Sistema de propulsión completo en los distintos modos de funcionamiento
1) Modo normal: En este modo se opera el vehículo como un automóvil convencional, la energía principal proviene de la máquina de combustión interna (MCI), este modo se utiliza cuando el vehiculo se mueve a velocidad crucero.
Cuando la carga mecánica en las ruedas no exige toda la potencia que el MCI puede aportar, se utiliza el sobrante para cargar las baterías, se pretende que este modo de operación, sea el menos utilizado, para lograr una disminución en el consumo de combustible.
2) Frenado Regenerativo: Este modo se presenta cuando a la máquina de inducción se le aplica un par de carga negativo, esto hace que la máquina pase del modo motor a modo generador (el par de carga negativo se aplica en el frenado del vehiculo).
Cuando el motor está en modo generador el inversor trifásico funciona como un rectificador trifásico, la corriente rectificada alimentara al convertidor Buck, y la salida del convertidor se utiliza para cargar el paquete de baterías.
49
CAPITULO 3 SISTEMA DE PROPULSi6N DE UN HEY !t
I! 3) Modo Batería: Este modo entra en funcionamiento al encender el vehiculo, o cuando el estado de carga de la bateria (EDC) está en un nivel aceptable y permite al convertidor Boost, entfegar la energia suficiente al motor de inducción a través del inversor.
it
8 Como se observará en las simulaciones, cuando el convertidor Boost proporcione eneigia al inversor, el EDC empezará a decrecer, esto indica que la bateria se está descargando.
Mientras el vehículo funcione con las baterias, habra un ahorro de combustible fósil, el cual es uno de los requisitos en estos vehiculos, este modo de funcionamiento se ilustra en la figura 3.10, mediante las líneas punteadas.
I!
Una vez que se ha explicado brevemente los escenarios y mencionado como se comporta cada uno, se observan los resultados obtenidos durante la simulación.
3.3.'i CONDlClONES DE SiMUíACIdN.
Los escenarios mencionados anteriormente, fueron escogidos para representar ciertas condiciones de interés en el comportamiento del Vehiculo Híbrido. Las condiciones para que estos escenarios se presenten son fijadas con anterioridad, ya que para que se den en forma natural, es necesario contar con un control supervisorio.
I
Modo Normal.- Aqui se verifica que al no utilizar toda la potencia del MCI, la potencia sobrante se utilice para cargar las baterias. Esta condición se logra al pasar de una velocidad crucero (no hay sobrante te potencia) de 90 Radlseg., a una velocidad de 50 Radlseg donde no se ocupa toda la potencia del MCI.
Frenado Regenerativ0.- En este escenario, se busca verificar que al tener un frenado, el estado de carga de la bateria aumente. AI incio de la prueba se frena casi al instante del arranque del vehicuio.
Después del frenado del arranque, lavelocidad aumenta a 180 Radlseg., para verificar que cuando no hay frenado el estado de carga de la bateria permanece constante, al final de la prueba se aplica otro freno al vehiculo, esperando tener un comportamiento similar que el ocurrido la primera vez.
Modo Batería.- Aquí se busca mostrar como funciona el sistema de propulsión con las baterias. Primero se fija la velocidad de crucero de 180 Radlseg., mientras pasa esto se observara como el estado de carga (EDC) disminuye.
Para ver el comportamiento del paquete de baterias ante variaciones de velocidades la velocidad crucero incial de 180 Radlseg pasa a una velocidad de 100 Rad/seg., con esta variación se espera que el EDC siga disminuyendo.
Para finalizar la prueba de este escenario se varia la velocidad de 100 Rad/seg a 250 Radlseg y, se espera que el estado de carga se comporte igual a las variaciones anteriores, esto significa que el paquete baterías se está descargando por el uso.
50
CAP¡n/LO 3 CONTROL DE VELOClDAO DEL HEY
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401
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Woilaje pr~venlsnla del motor de cornbustion
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1m -
3.3.2 ESCENARIO 7. Modo de operación normal.
MI J.A TL > O
CD rniiouina de n .~ cornbusti6n inte cornbusti6n inte
Figura 3.11.- Diagrama a bloques del primer escenario propuesto. Figura 3.11.- Diagrama a bloques del primer escenario propuesto
En este escenario se pueden cargar las baterías si la potencia que entrega el motor de combustión interna (que se mantiene constante en su punto Óptimo de operación), no es requerida al cien por ciento por la carga.
La decisión con respecto a qué potencia se debe cargar la bateria la toma un control inteligente, en esta prueba se propone una potencia minima y se verifica que haya un aumento en el estado de carga de la bateria entre el tiempo t 3s y t = 6s, tal como se muestra en la figura 3.12.
51
C ~ P i ~ t i L 0 3 SISTEMA DE ~ROPt iLSlbNDE tiN HEY
I/
En la figura 3.12, se muestra la velocidad del motor; cuando la velocidad del motor es menor a 60 radls, la potencia del motor se usa para cargar las baterías. Tambien se obsewa en que al tener una velocidad menor a la de 60 radls el estado de carga aumenta (gráfica central), también se muestra el voltaje constante que es entregado por el motor de combustión interna (gráfica inferior)
3.3.3 ESCENARIO 2.
Frenado regenerativo. MlJA TLCO
Cn mlnuina de n
Como se mencionó anteriormente, este escenario se presenta al aplicar un par de carga negativo acoplado al eje de la máquina, de esta manera se logra que la frecuencia y el par electromagnético sean negativos y la máquina pase de un modo motor a un modo generador.
Las siguientes figuras muestran el comportamiento del sistema ante estas variaciones
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0.6 0.E 1 * 1.2 0.4 Tiempo (s) o 0.2 20
Figura 3.14.- Variación de la velocidad al aplicar el freno.
52
.. <”
C A P h L O 3 CONTROL DE VELOCIDAD DEL HEY
El frenado se aplica en el tiempo t = 0.1s hasta t = 0.7s y nuevamente en el tiempo t = 0.9 hasta t = 1.2s, la velocidad decrece lentamente, y el par de carga de la máquina es negativo,
Tiempo Is) Figura 3.15.- Par de carga electromagn6tico de la máquina de induccibn
AI momento en que se tiene un par negativo, la máquina de inducción pasa a modo generador, y el inversor se comporta como un rectificador trifásico, la corriente rectificada se muestra en la figura siguiente, está corriente se utilizará para alimentar el convertidor Buck.
Tieinyo (s) Figura 3.16.- Coniente a la salida del rectificador irifhsico
En figura 3.16 se tiene un pico de corriente muy alto en t = 0.2, esto debido a que aún la maquina no alcanza su estado estable; todo exceso de corriente se disipa como calor mediante el frenado normal del vehículo (frenado disipativo).
53
C A P m L O 3 SISTEMA DE PROPULSl6N DE UN HEY
1
.............
0.2 0.4 (1.6 0.0 1 1.2 Tiemno Is) . . .
Figura 3.17.- Voltaje y corriente a la salida del convertidor Buck
Como se observa en la figura 3.17, cada vez que se frena el vehículo hibrido en el tiempo t = 0.1s hasta t 0.7s y nuevamente en el tiempo t = 0.9 hasta t = 1.2s, el inversor entrega corriente al Buck, y este acopla la corriente de tal manera que el paquete de baterias se carga.
I
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. . . . . . . . . . . . .
o 2 o. 4 0.6 O. B 1 1.2 I' o Tiempo (s)
Figura 3.18.- Estado de carga de la bateria.
En la gráfica 3.18 se observa, que mientras se está frenando en t 0.1s hasta t 0.7% la bateria recupera energía, y cuando la máquina deja de frenar en t 0.7s hasta 0.9s. el EDC se mantiene constante.
3.3.4 ESCENARIO 3.
Modo batería. 1,
li
CAP~TULO 3 CONTROL DE VELOCIDAD DEL HEY
................... ................... - ~ . I. .......................... ' ...................... z ......................... t ................ 250
-150 . . . . . . . . . . . . . .., : . . . . . . ,. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . f. . . . . . . . . . .; . . . . . . . . . . . . . . . . . .;.. . . . . . . . . . . . . .- 1 . --- .gim ....................... i... .... C ........... i .......................... V.I. ..... ~- ? Q _ ................................................ : .................... ........................ ; .......................... i ......................... -
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En este escenario se verifica el estado de carga de la bateria (EDC), además se muestra la velocidad del motor al ser alimentado con el paquete de bateria.
,$ 300 s
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Figura 3.19.-Esquema del sistema alimentándolo por medio de la bateria.
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I
Vollafe dsl mnrerlldor boon 500 I I I 1
Figura 3.20.- Respuesta del tercer escenario propuesto.
En la figura 3.20, se observa que cuando el vehiculo esta funcionando en modo bateria, independientemente del intervalo de velocidad, siempre se demanda corriente al paquete de baterías, por Io que el EDC siempre disminuye (gráfica inferior), mientras el EDC este dentro de un intervalo razonable, el voltaje de convertidor Boost acoplará el voltaje de salida de la batería para poder alimentar el inversor.
El intervalo en el cual el paquete de baterias puede utilizarse es indicado por un control inteligente o supervisor.
55
CAPbULO 3 SISTEMA DE PROPULSl6N DE UN HEY
Voltaje Alimentación (Volts)
88 110
/' 132 154 176 1 an
.I
I¡
3.4 OPTIMIZACIÓN DEL CONTROL VECTORIAL.
Cualquier accionador de motores eléctricos diseñado para propulsión de vehiculos y aplicaciones de tracción debe satisfacer dos requerimientos principales: superior desempeíio dinámico y alta eficiencia de energía.
I/
Un motor usado para aplicaciones de propulsión no debe ser sobredimensionado con la intención de obtener mayor par, ya que aumentan los tamaños, costos y potencia del motor. Por lo tanto es necesario hacer una optimización para utilizar el motor a toda su capacidad.
En algunos trabajos como el de va, 20011 han realizado optimizaciones para el motor de inducción con el fin de minimizar pérdidas; uno de los inconvenientes de este trabajo es que esta optimización solo es válida para altas velocidades, por Io tanto no es posible aplicarla en el sistema de propulsión de vehiculos.
[Zhang, 961 en su trabajo, busca optimizar haciendo variaciones en el motor de inducción, esta técnica no se utiliza debido a que los vehiculos son construidos con motores convencionales.
I1
Par Nm (Máximo) Corriente Estator Máxima (Amp).
10 20 15 25 23 30 31 36 39 42 K f l A7
[Xu, 20011 en su trabajo propone un metodo en el que la corriente de excitación del motor, es optimizada y ajustada dinámicamente tal que el motor pueda generar el mayor par posible. Este método puede ser implementado mediante programación y no es necesario cambiar las características del modelo del motor.
// El metodo de [Xu, 20011 funciona en bajas y altas velocidades logrando tener un mayor par en el arranque de la máquina, es por esto que en la tesis se analiza una optimización similar.
I' Para realizar está optimización es necesario conocer el comportamiento del motor de inducción en estado estable y trazar las curvas de par contra corriente magnetizante, de está manera al variar el par, se observará la variación de la corriente.
I1
Para obtener estas gráficas en estado estable, se incrementa el voltaje de alimentación, y se observa el comportamiento en las variaciones del par, corrientes y vclocidad del motor. El voltaje de alimentación máximo es de 220v, y los incrementos se muestran en la tabla 3.4.
II En la figura 3.21 se muestran los valores de voltaje de corriente que se debe suministrar
para obtener las curvas de corriente máxima de estator, as¡ como también el voltaje utilizado
11 56
CAP¡WLO3 CONTROL DE VELOCIDAD DEL HEY
para obtener las diferentes curvas de par contra corriente magnetizante presentadas en dicha figura.
De la figura 3.21 se'observa que el comportamiento de las gráficas de par contra corriente magnetizante es similar en todos los casos. Con las curvas de par velocidad obtenidas se busca tener mayor información en cuanto a la corriente que se necesita para tener un máximo par.
La técnica de optimización comunmente utilizada en apl icaciok industriales es el debilitamiento de campo, la cual consiste en la saturación de flujo para que la velocidad no siga aumentando, pero como consecuencia de esto el par disminuye.
Aunque la técnica de debilitamiento de campo es de las más utilizadas en la industria, no es posible aplicarla en sistemas de propulsión, debido a que al debilitar el par el vehículo perderia potencia en la tracción y esto provocaría escaso par en el arranque y en situaciones de se requiere mayor tracción.
57
CAP~TULO 3 SISTEMA DE PROPULSIONDE UN HEY
70 r
lmS (Amp)
Figura 3.22.- Limiiacion del par debido ai debilitamiento de campo
Como la técnica de debilitamiento de campo decrementa el par, está tecnica no puede ser aplicada por que se perderia tracción en el vehículo.
En la figura 3.22 se observa que con la técnica de debilitamiento de campo se impone un valor máximo de par (mostrado en la figura 3.22 con la linea'punteada). Con esta técnica el par máximo que se obtendrá con un voltaje de alimentación máximo de 22Ov y una corriente máxima de stator de 52 Amp, es de 33 Nm. Este par es solo una parte de lo que la máquina podría entregar con otro tipo de optimización.
El método de [Xu, 20011 consiste en obtener los máximos de cada curva de par contra corriente magnetizante, con el fin de obtener una ecuación que toque los puntos máximos de cada curva y proporcione el par máximo dependiendo de la corriente y el voltaje que se suministre al modelo de la máquina en estado estable.
En la figura 3.23 se muestra una curva que toca los máximos de cada una de las cumas de par contra corriente magnetizante. Con estos puntos se obtiene una curva que tiene el nombre de corriente de excitación optimizada.
58
CAPjIULO 3 CONTROL DE YELOCIDAD DEL HEY
Cofrienle Imt (knp,>
Figura 3.23.- Curva para obtener máximo par.
En la figura 3.23 se muestra que utilizando la curva de optimización y al aplicar un voltaje de alimentación de 220v, se tiene un par de 62Nm, mayor al obtenido con la técnica de debilitamiento de campo, las limitaciones de la técnica propuesta por Fu, 20011 están dadas por la fuente de alimentación, y por el par máximo del motor.
La función cuadrática que se utiliza para representar la curva que toca los máximos de las curvas mostradas en la figura 3.23, está representada con el nombre de "curva de coienfe de excitación optirnizada" y, con la ecuación que la representa se tendrá un par máximo dependiendo del voltaje y la corriente de alimentación.
La curva de optimización se obtiene utilizando el método de interpolación que proporciona Matlab en el menú de figuras, con solo indicar en Matlab los puntos máximos que se desea que toque la curva, el programa proporciona una ecuación matemática que representa la curva, esta curva toca los puntos indicados.
La ecuación matemática del par en función de la corriente magnetizante obtenida con Matlab es la siguiente:
(3.11) 2 Top = 0.0023iM, + 3.2-"iM, - 7.2-14
donde: Top = Par optimizado. iMs = corriente magnetizante.
i
La ecuación obtenida se utilizará para remplazar el bloque anterior de debilitamiento de campo que aparece en ai figura 3.2 con la etiqueta de FG, y se sustituye por un bloque de
59
CAPiTULO 3 SISTEMA DE PROPUUl6NDE UN HEY
II
optimización, tal como Io muestra la figura 3.24, que es el diagrama del control vectorial optimizado.
BLOQUE DE OPTIMIZACI~N
Figura 3.24.- Diagrama a bloques del control vectorial optimizado.
Una vez que se implementa el bloque que compone el nuevo control vectorial, se realizan pruebas para observar el comportamiento en el arranque y a ciertas variaciones en la velocidad, con el fin de verificar que se obtendrá un mayor par con la optimización realizada.
11, Para probar el nuevo control optimizado se hacen variaciones en la velocidad, y se observara cómo se comporta la curva par optimizado del motor en esta situación, y será comparada con la curva de par normal.
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60 - . . . . - .
C A P ~ J L O 3 CONTROL DE VELOCiOAD DEL HEY
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5 10 Tlempo (r]
Figura 3.25.- Variación de la velocidad para verificar el comporiamiento del par
Como se observa en la figura 3.25, se parte de la velocidad nominal y una vez que se estabiliza, se varia la velocidad para verificar que en está situación el par optimizado sea mayor que el par normal que presenta la máquina de inducción sin optimización.
Para observar mejor el par producido con la optimización se hace un acercamiento en el arranque, que es el principal punto de interés, y se muestra en la figura 3.26 (a).
........................................................................................... 4 5 o t r \ ; An1
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
O 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Tiempo IS]
Figura 3.26 (a).. Respuesta del par optimizado.
61
CAP~TILO 3 SISTEMA DE PROPWLSI~NDE UN HEY
La linea continua, representa el par optimizado, como se puede observar es mayor al par normal. E n la figura 3.26 (b) se presenta otro acercamiento de una de las variaciones de velocidad presentadas en la figura 25 y en esta parte el par tambien es mayor al normal producido por la máquina.
4.98 5 5.02 5.04 5.06 hemp0 IS]
Figura 3.26 (b): Respuesta del par optimizado, 11
Mediante las gráficas 3.26 (a) y 3.26 (b), se observa el desempeño del control vectorial optimizado, el cual da un mayor par al arranque y en los momentos donde se incrementa la velocidad.
3.5 CONCLUSIONES.
En este capitulo se estudió e implementó el control vectorial directo, tema sobre el cual hay varios trabajos realizados en Cenidet, pero ninguno de ellos Io enfoca a la propulsión de un vehículo y a la optimización como en esta tesis.
a la 3.9, donde se aplican pruebas de regulación y seguimiento al control vectorial.
'!
Los resultados de la implementación del control vectorial se muestran en las figuras 3.6
1
Tambien se presenta la parte principal del trabajo de tesis, ya que se verifica el modelo del sistema de propulsión completo. Para probarlo se utilizan tres escenarios los cuales sirven para evaluar el comportamiento del vehiculo en diversas condiciones.
En el escenario 1, se observa en las gráficas que cuando no se utiliza toda la potencia del motor de combustión interna, esta energia extra se utiliza para cargar las baterias. En la figura 3.12 se puede ver corno aumenta el estado de carga al usar parte de la potencia del motor de combustión.
!I
62
CAPITULO 3 CONTROL DE VELOCIDAD DEL HEY
El escenario 2 se utiliza para verificar la recuperación de energia en el frenado regenerativo, por medio del cual se observa que al tener un frenado (par de carga negativo) se pueda recuperar energia que se almacena en el paquete de baterias.
Verificar la recuperación de energía durante el frenado regenerativo era uno de los objetivos principales de la tesis y se observa en los resultados mostrados en las figuras 3.14 a la 3.18, que la recuperación de energía es posible y se logra verificar en este trabajo.
En el escenario 3, se observa que al estar el paquete de baterías cargado se puede alimentar el inversor de una forma correcta, el comportamiento se muestra en la figura 3.20, donde se ve como el estado de carga del paquete de baterías disminuye conforme el inversor le demanda corriente.
Tambien se realizó la opümización del control vectorial, con este método se tiene un mayor par al arranque y en cualquier instante de inercia donde se requiera mayor tracción instantánea, los resultados se observan 3.25 a la 3.26 (b).
La implernentación del sistema de propulsión con modelos detallados como los que se utilizan en esta tesis, aun no se encuentra en la literatura, y la optimización realizada en el control vectorial no había sido utilizada para la propulsión, Io cual es otra aportación de la tesis a la investigación
63
CAPÍTULO 4.
VALIDACIÓN DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS EN MATLAB CON VIRTUAL TEST
BED (VTB).
4.1 /NT/?ODUCCIóN.
Con el fin de cotejar los resultados de simulación del sistema completo presentado en el capitulo 3, fue necesario hacer una búsqueda entre los sofhvare comúnmente utilizados en el estudio del comportamiento de sistemas de propulsión y recuperación de energia para cotejar el comportamiento de los modelos implementados en MatlablSirnulink.
Entre los programas computacionales con mayor interés para simulación de prototipos se encontraron el VTB 2003 versión 1.03.03 (Virtual Test Bed) y ADVISOR 2003, este trabajo se enfocará al VTB ya que ofrece mejores ventajas que ADVISOR, como son: facilidad de programación, el software es libre (gratuito), el tiempo de simulación es menor al de ADVISOR.
El VTB es una herramienta que permite crear prototipos multidisciplinarios, y está enfocada a muchas areas de la investigación como son sistemas eólicos, solares, eléctricos y mecánicos o alguna combinación de ellos como es el sistema de propulsión que se plantea en este trabajo ([John, 20001).
65
I; C A P i í U L 0 4 MODELADODEL SISTEMA DEPROPlJLSi6N DEL HEV
II VTB maneja un lenguaje de alto nivel, por Io que se tiene un ambiente parecido al de
Simulink, donde los modelos se interconectan con otros para ver su comportamiento. Este programa aun está en vías de desarrollo y no se cuenta con un tutorial de ayuda sólido como el de MatlablSimulink, sin embargo una gran cantidad de prototipos han sido desarrollados en VTB.
La facilidad de uso del VTB Io hace una herramienta muy competente, se han creado algunos prototipos dentro de los cuales esta un vehículo híbrido, con una configuración serie parecida a la presentada en este trabajo, con la diferencia que ese prototipo utiliza una celda de combustible como fuente principal, el esquema & muestra en la figura 4.1 [Benlyazid, 98).
. , . , r- 1; , \ .
sw-+ca7cmu¿
Figura 4.1 .- Vehiculo hibndo armado en el simulador VTB. '
I/
En la figura anterior .se muestra el esquemático, de un vehículo realizado por la universidad de Carolina del Sur que son los creadores de este software; Los creadore del vehículo utilizan una configuración serie y tienen incluso un control supervisor que automatiza todo el sistema del vehículo.
4.2 SISTEMA DE PROPULS!ÓN DEL VEHíCULO EN VTB.
I; A continuación se presenta el modelo del sistema de propulsión diseñado en esta tesis realizado en VTB, donde se implementa el control vectorial sobre el motor de inducción trifasico, tal como se muestra en la figura 4.2.
!I
. .
!I 66
CAPhJLO 4 VALlDACldNLJE RESULTADOS EN WE.
nducción
Modulador SPWM e
. . <.
1 --
I
I I I I
I
‘*1 I I I
I I I
I I I - Tmp7etñen%fiÓñdel - -
Cargador de Batería 1 L - - - - - - - control Vectorial
Figura 4.2.- Diagrama esquematico del sistema de propulsión en VTB
En la figura 4.2 se obseivan los diferentes subsistemas, los cuales se describen a continuación.
Cargador de Bateria.. Dentro de este subsistema se encuentra un conhtidor Buck, el cual proporciona la corriente necesaria para cargar la bateria, el convertidor se alimenta con la corriente recuperada en el frenado regenerativo.
Modulador SPWM e Inversor.- Dado que este programa tiene un ambiente parecido al de Simulink, el control SPWM para el inversor esta dado por un bloque, el cual mostramos en el recuadro así como también el inversor el cual alimenta el motor de inducción, el inversor que se utiliza está compuesto por interruptores ideales.
Implementación del Control Vectorial.. En este subsistema se muestran las ganancias del control vectorial, aqui están situados los controles PI as1 wmo también las constantes que dependen de la máquina.
Motor de Inducción.- Este bloque contiene el modelo de un motor que permite variar sus parámetros para dirnensionarlo de acuerdo a las necesidades que se tengan. El motor se dirnensiona de tal forma que tenga las mismas caracteristicas que el implementado en la función S.
67
CAPjTULO 4 MODEUDO DEL SISTEMA DE PROPULSIbN DEL HEY
Este sistema de propulsión diseñado en VTB, tiene las mismas características que el simulado en MatlablSimulink en cuanto a dimensión del motor, inversor, alimentación y la ganancia de los controladores de par, velocidad y flujo.
4.3 COMPARACIÓN DEL VTB Y MATLABISIMULINK CON EL'CONTROL VECTORIAL.
Para empezar a analizar los comportamientos en los dos software de simulación, se realizara una prueba de seguimiento.
Figura 4.3.- PNeba de seguimiento en VTB,
Figura 4.4.- Prueba de seguimiento en Matlab/Simulink.
68
CAP~TULO 4 VALIDACI~NDE RESULTADOS EN VTB.
im
2 95
I I - - *r i - --- c3 n rn
~ Vel. de relerenda 90 ................................. : ................................................................... ~ Vel. del motor
_ _ _ _ _ 0 - P
im
^pB
Q. p6
II I
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; 92
- - 90
__ O 5 10 15
Pa, m
................................ : .................... ; .................... :.. . . . . . . . . i . . . . . . . . .; ....................................
.................... j .................... ~ .................... ~ .................... : .................... ? .................... i ................... ~ ....................
: ; j j i : .I ; - -
.................. .................... ..................... ................... ............ ...... .................. .................... - - -. - - -
i. ... ~ . Vsl.dsRoloro~la .................. ~ ........................... : .......................... : . . . . . . . . Vol~aa,.mntoi ; .~
.......... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ................................ I
! !
40 ................................ i ................................. ; ................................ - c -1 Tismpo (s)
Figura 4.5.- PNeba de regulacibn en VTB.
,m ............. , ............ , .. ........................................................... ......... 81 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ,.< ........................... ; ............... : ...........................
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . > ................. ...........,...... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
I 2 6 10 I 6
Tiempo in) Figura 4.6.- PNeba de regulacion en Maiiablsimulink.
Como se puede observar los dos modelos presentan un buen comportamiento en esta prueba de regulación, aunque en la gráfica de par (figura 4.6 inferior) de MatlablSimulink tienen mayor ruido que la obtenida en VTB, esto se observa fácilmente al comparar las escalas. Por otro lado en la grafica de velocidad (figura 4.6 superior) el VTB muestra mayor ruido.
del sistema de propulsión en el escenario 1, con los dos softwares en las siguientes gráficas. Por último para validar el comportamiento del vehiculo hibrido, se muestra el desempeño
69
I1 CAP¡TULO 4 MODELADO DEL SISTEMA DE PROPULSION DEL HEY
,I
$ 80 - m
n 0
-. 0
.......... .......... .......... .......... _ ......... : ; ; .......... 1 : ........... ~ ; :. ......... ..........
60 - i.--L.-.l,.-.i -.-, I--: L.
Figura 4.0.- Comportamiento del escenario 1 en MaUabiSimulink.
Como se puede ver la única diferencia que se tiene es en el estado de carga, la batería en Maüab se carga con mayor rapidez en comparación con la del VTB.
Esto se debe a que el modelo de VTB es más completo que el utilizado en el sistema implementado en MatlablSimulink, debido a que el modelo de batería utilizado en MatlablSimulink es solo de parámetros constantes, mientras que la bateria presentada en VTB es un modelo completo que contiene todas las dinámicas de un modelo real.
-.-i-.*
70
0.52
2 u Lu 0 0.51
0.5
I , 1 I I I I I I
_ ............................... ; .......... : .......... L .................... : .......... : .......... :
.............................................................. _
I I I I I ~
CAPhULO 4 VALIDACfON DE RESULTADOS EN MB.
4.4 CONCLUSIONES.
La implementación del sistema de propulsión con modelos detallados como los que se utilizan en esta tesis, aún no se encuentra en la literatura y la optimización realizada en el control vectorial no había sido utilizada para la propulsión, Io cual es otra aportación de la tesis a la investigación.
Una vez que se tienen todos los resultados obtenidos en MatlablSimulink mediante la función S, se cotejaron los resultados con el programa VTB, con esto se verifica el comportamiento del sistema de propulsión con un paquete computacional especializado en la construcción de prototipos reales.
Los resultados se presentan en las figuras 4.7 y 4.8, que es el comportamiento del sistema de propulsion en los dos paquetes. Con Io cual se validan los resultados obtenidos y los modelos que se realizaron en Matlab/Simulink.
71
CAPhVLO 4 MODELADO DEL SISTEMA DE PROPULSl6NDU HEY
.+ ~
12
CAPíTULO 5
CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS.
5.1 CONCLUSIONES.
Para poder presentar las conclusiones de esta tesis, se inicia por mencionar cada objetivo propuesto.
Objetivo 1. -
Consiste en el diseño, modelado y simulación de un sistema de propulsión eléctrica para su uso en un vehiculo hibrido eléctrico (HEV). El trabajo propuesto incluye el diseño de un convertidor bidireccional, el modelo de una máquina de AC (a elegir entre motor de inducción (IM), ó motor sincrono sin escobillas (BSM)) que cumpla las especificaciones propias de los sistemas de propulsión y por último el diseño de la estrategia de control para la obtención de velocidad y par.
Para lograr este objetivo se estudió el funcionamiento y comportamiento del motor de inducción, también fue necesario el estudio de la transformación del motor en los diferentes marcos de referencia para tener un modelo que facilite la implementación del control vectorial.
Para accionar la máquina de inducción se estudió el funcionamiento del inversor trifásico con un control SPWM, estos dos modelos se unieron mediante un paquete computacional y los resultados fueron satisfactorios, se tienen curvas del modelo del motor con el mismo comportamiento que las obtenidas por algunos autores como [Ong, 981, [Méndez, 011, y [Krause, 951.
, Se estudió la técnica de control vectorial analizada por pas, 981, y se implementó el
control que propone en su libro. La implementación se muestra en el capitulo 3, los resultados fueron muy satisfactorios, se puede apreciar que es un control robusto.
El control vectorial fue probado dentro del ámbito del vehlculo, mediante la implementación de tres escenarios con los cuales se resalta el comportamiento de un vehiculo hlbrido, los resultados que se obtienen por cada escenario son los deseados en un vehículo.
73
CAPiTULO 5 . SISTEMA DE PROPULSIÓN DE UN HEY
Objetivo 2.
Optimización del control vectorial para tener un máximo para al arranque y en determinados momentos de inercia del vehiculo.
I Para resolver este objetivo se estudiaron diversos métodos para optimizar un sistema de propulsión,' ysse utilizo el método':de [Xu, 20011 en él que" la optimización se logra utilizando métodos computacionales sin alterar el diseño fisico del motor como proponen algunos autores.
muestra en el capitulo 3, se puede observar que se cumple el objetivo 2 mediante las figuras 3.26 (a) y 3.26 (b), en estas figuras se muestra que se tiene un mayor par al arranque y en un momento de inercia del vehiculo.
.1 "
La optimización del Controi Ve
Un dato importante en la optimización es que al tener mayor par no se demanda más corriente al motor, solo se aprovecha ai máximo la corriente de alimentación. La optimización solo afecta cuando hay un cambio en la velocidad del motor o en el arranque, la velocidad alcansa la referencia en un tiempo más corto pero se estabiliza hasta que e? par se estabiliza.
Objetivo 3.
Determinación de la capacidad de recuperación de energía durante el frenado regenerativo.
Para resolver este objetivo fue necesaria la implementación de un cargador de baterias, con el fin de mostrar cómo aumenta el estado de carga de la bateria al momento en que se presenta un frenado y de esta forma validar este objetivo 3.
En el capitulo 2 se realizan'pruebas de carga y descarga al cargador de baterias, pero es hasta el capitulo 3, en el escenario 2, donde se valida, al tener un frenado regenerativo se observa como el estado de carga de la bateria aumenta, se muestran gráficas de la mayoria de las etapas que intervienen en este proceso.
El sistema de propulsión tipo serie tiene sentido si se logra el frenado regenerativo, ya que sin la recarga de las baterías el vehiculo se comportaria como un vehículo de combustión interna. Con el objetivo 3.se.valida la recuperación de energia al frenar y se justifica la configuración serie utilizada. 1
,
Objetivo 4.
Construcción de un prototipo simulado en VTB del sistema de propulsión eléctrica para comparar los resultados obtenidos en MatlablSimulink.
, ,
14
CAP~TULO 5 CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS.
~
Este objetivo se plantea para cotejar el comportamiento entre las gráficas que Se obtienen con el modelo implementado en Matlab/Simulink y el modelo del sistema de propulsión implementado en VTB.
Se implementó un control vectorial en VTB con los modelos (motores, inversores, controladores PI, etc.) que los creadores de este software proporcionan, ajustando las ganancias y la capacidad del motor para tener una similitud en el comportamiento de los modelos en VTB y los modelos implementados en MatlablSimulink.
Una vez que se logró la construcción de este nuevo prototipo se comparan los resultados obtenidos en el escenario 1 de MatlablSimulink con los obtenidos en VTB y se observa que el comportamiento de los dos sistemas es similar.
5.2 APORTACI~N.
En este trabajo de tesis se obtuvieron los modelos matemáticos, de los sistemas que forman el sistema de propulsión que son:
a) lmpiementación del modelo del inversor trifásico en MatlablSimulink acoplado al motor de inducción, controlado por modulación senoidal por ancho de pulso (SPWM, por sus siglas en inglés).
b) Implementación del sistema de propulsión completo en función S que es una herramienta de MatlablSimulink.
c) Análisis y aplicacion del Control Vectorial Directo al control del motor de inducción
d) Optimización del control vectorial para obtener máximo par al arranque del vehículo
e) Se cotejaron de resultados obtenidos mediante el paquete computacional Virtual Test Bed.
Se proponen diferentes escenarios para validar el comportamiento del sistema de propulsión del vehículo hibrido, con el fin de obtener los resultados de la regeneración de energla y el comportamiento del control vectorial en el entorno del vehiculoynlbrido.
Con íos resultados obtenidos en esta tesis se pretende tener una base sólida para el desarrollo de futuros trabajos, con el fin de poder contribuir a las líneas de investigación de recuperación de energía, control de máquinas eléctricas y control no lineal que son algunas de las que se trabajan en el Cenidet.
La implementación del sistema de propulsión con modelos completos como los utilizados en esta tesis no se encuentran en la bibliografia del cenidet o de algún otro lugar, por Io que el trabajo de tesis realizado es un aporte a la investigación de sistemas de propulsión.
5.3 PUBLICACIONES.
75
CAPiTULO 5 . SISTEMA DE PROPULSldNDE UN HEX
i l
Con los resultados obtenidos en este trabajo de tesis, se escribió un artículo que fue aceptado en el congreso del AMCA 2004, el nombre del artículo es: "Modelado y Simulación del
Sistema de Propulsión de un Vehiculo Híbrido Serie". El artículo se enfoca al comportamiento del vehículo en los diferentes escenarios propuestos en el capítulo 3 de esta tesis
5.4 TRABAJOS FUTUROS.
A continuación se listará una serie de posibles trabajos futuros que ayudaran a la línea de investigación de generación de energía y sistemas no lineales.
Verificación experimental: . Construcción del inversor y con el motor de inducción que se cuenta en el laboratorio verificar la regeneración de energía. . Implementación de un control inteligente supervisono al sistema de propulsión realizado en esta tesis. . Realizar un modelo cambiando la fuente primaria que es el motor de combustión interna por una celda de combustible.
, .
' : < '
76
Anexo 1.
FUNCIÓN s.
A.1. INTRODUCCIÓN.
Una función S es un lenguaje de computadora utilizado como una herramienta en MatlablSimulink, y puede ser escrita en Matlab, C, C++, Fortran.
La función S usa una sintaxis especial para interactuar con los métodos de solución de ecuaciones utilizadas en Matlab/Simulink. Esta interacción es muy similar a la que utiliza cualquier bloque de Simulink, la forma en que la función S está estructura es muy general y se pueden dar solución a sistemas continuos, discretos, y sistemas híbridos mediante esta función.
La principal utilidad de la función S es que con ella se pueden realizar modelos que interactuan con cualquier otro bloque de Simulink.
A continuación se muestra como implementar una función S.
A.2, IMPLEMENTACION DE LA FUNCl6N S.
Hay dos formas de implementar la función S, una es mediante el editor que hay en Simulink, pero esta forma es un poco limitada debido a que no se pueden utilizar condicionales o ciclos. La segunda es mediante el editor de Matlab, como un MEX file, o comúnmente conocido archivo .m.
Cuando se utiliza el editor de Matlab, se tiene muchas ventajas ya que se pueden inicializar parámetros, utilizar ciclos, y todas las funciones que Matlab tiene, de esta manera nuestra función puede utilizarse para cualquier tipo de sistema.
A.2.1. CONSTRUCCIÓN DE LA FUNCION S EN ARCHIVO .M.
Una función S en archivo .m consiste de una función inicial la cual se declara de la siguiente forma:
[sys,xO,str,ts]=f(t,x,u,flag,pl ,p2 ,...)
ANEXO I MODELADO DEL SISTEMA DE PROPULSIbNDEL HEY
. _ c ,> 1 ..,~ . . . ~ .. .
Donde f es el nombre de la función, t es el tiempo actual (tiempo de simulación en Simulink), x es el vector de estados correspondiente al bloque de la función S, u son las entradas al bloque, flag es usado para indicar la tarea que será desempeiiada en una función especifica, y p l , p2, ... son parametros del bloque.
Durante la simulación de algún sistema, Simulink llama repetidamente la función f, usando las flags o banderas para indicar la tarea que se está desempeñando en un momento especifico. Cada vez que la función S, desempefia una tarea devuelve resultados que pueden ser visualizados mediante un scope (graficador),.o enviados a i 'works pace (área de trabajo de Matlab).
Las subfuciones principales que utiliza la función S, son listadas en la tabla A I , cada una de estas subfuciones tiene una bandera o flag gracias a esto, se ejecutan cada vez que se indica en el programa.
Tabla Al . - subfunciones para la implementación de la funcibn S.
lnit ial i~ation
End of simulation task6 mdlTerminace
A.2.2 DEFlNlClON DE LAS CARACTERISTICAS DE LA FUNCIÓN S.
Para que Sirnulink reconozca un archivo .m como una función S, es necesario especificar cierta información sobre la función. Esta información incluye el número de entradas, salidas, estados y otras caracteristicas del bloque.
Para dar esta información a Simulink, se llama a la función de inicialización que está dentro de la subfución mdllnitializeSizes, esta función aparece de la siguiente manera: '
sizes = simsizes;
Esta función regresa una estructura de inicialización. Es necesario cargar en Sirnulink la estructura sizes con la información acerca de la función S. La tabla A2 lista los campos de la estructura sizes y describe la información contenida en cada campo.
Tabla A2.- EStNctUra de la función
18
ANEXO I F W C I ~ N S .
+
1< c Alto Y) - mielto Bajo (a) - Cerrado.
"_.-"--...-"--
:* R .'
sizes.NumOutputs I Number of outputs I 8 sizes.NumInputs INumber ofinputs 1 il I sizes. DirFeedthrough Flag for direct feedthrough
sizes.NumSampleTimes Number of sample times I Tabla A2.- Estructura de la íunción zises,
Después de inicializar la estructura sizes, es necesario llamar la función simsizes de nuevo, de la forma
sys = simsizes(sizes);
Esta función pasa la información contenida en la estructura sizes al sys, que es un vector que contiene la información que será utilizada en Simulink.
Estas son las partes principales de la estructura, que forman a la función principal y después como inicializarla en un archivo .m para que Simulink la reconozca.
A.3. €J€MPLO.
Para mostrar un ejemplo de cómo se utiliza la función S, se utilizara un convertidor Buck como el utilizado en el cargador de baterías en la tesis y se muestra en la figura A l . AI cual se le asigna el nombre de archivo bucka.m.
n
Figura Al: Diagrama del convertidor Buck.
79
ANEXO 1 MODELADO DEL SISTEMA DE PROPULSI~N DEL HEY.
Las ecuaciones que representan este circuito son:
. . v . ' v =-c.&
RC C iL=--+[ * v Vs*Ací )
L . donde:
v, Voltaje del capacitor, iL Corriente en el inductor,. C valor del capacitor del filtro, ,
L R resistencia de carga. Act
valor del inductor del filtro,
Estado del sw, puede ser 1 o O.
Una vez que se tiene el modelo, se puede comenzar con la construcción de la función S.
Primero se escribe la función principal, donde se pone el nombre de la función y los parámetros que la componen.
function [sys,xO,str,ts] = buck(t,x,u,flag)
Después de la función principal, se declaran los parámetros constantes, tal como se muestra a continuación.
... . , ' ,
. . . . .
,:
R = 5; %Resistencia de carga ',, L = 100e-3; %inductor del convertidor buck C = 100e-6; %capacitor del convertidor buck f 10e3; %frecuencia de la onda cuadrada para controlar el IGBT del convertidor
I I
i'
Y se utilizan las banderas o flags para ir de una función a otra.
80
pua
:([(6e~)~isztunu', = 6 e ~ pa1pueyunJ)ioJia as!,waqio
%%%%%%%%%%%%%%%%%% s 6 e ~ papadxaun yo
%%%%%%%%%%%%Yo%%%%%
:o = CAS '{ 6 'p '2 } ase3
%%%%%%%%%%%%%%%%%% % s6eu p a i p w u n %
%%%%%%%%%%%%%%%%%%
:63'i'tl'n'x'l)sindinoipw=s~s 'E ase3
hhhhhhhhhhhhhhhhhh
%%%%%%%%%%%%%%%%%%
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
yo sepws %
%%%%%%%%%%%%%%%%%% I
lo% lo%%%%%%%%%%%%%% yo uopez!Iep!ul%
%%%%%%%%%%%%%%%%%%
S NqDNIld I OXJNV
ANEXO I MODELADO DEL SISTEMA DE PROPULSIdNDEL HEY
function [sys,xO,str,ts]=mdlln~tializeSizes(t,x,u,R,L,C,9
sizes = simsizes; sizes.NumContStates = 2; sizes.NumDiscStates = O; sizes.Num0utputs 5; sizes.Numlnputs = 1; sizesDirFeedthrough = 4; sizes.NumSampleTimes = 1;
sys = simsizes(sizes); xo = [O,Ol'; str = 1; tc = [O O] ;
Aqui se mandan los datos necesarios a Simulink, para que reconozca est6 programa como una función S, se puede observar que se tienen cinco salidas y una entrada, el como visualizar esto se muestra en la función output.
82
ANEXO I FUNCIONS.
,
En esta función es donde se pone el conjunto de ecuaciones diferenciales, como se puede observar solo es necesario escribir las ecuaciones diferenciales tal como se obtienen en el modelo.
Se define también el PWM, Io que se hace es tomar una señal senoidal volverla cuadrada para tener una señal con un ciclo de trabajo del SO%, luego las condiciones para,la serial Act.
El Act. es un indicador de cuando el switch debe estar abierto o cerrado.
Otra cosa que es necesario señalar, es que la fuente de alimentación al convertidor es una entrada al bloque, y la definimos como u(l), que en el programa se iguala a Vs.
Para terminar con la función S, es necesario declarar las salidas, y para esto se ocupa la función output, tal como se muestra a continuación.
function sys=mdlOutputs(t,x,u,R,L,C,f) vs = u(1); Uc = sign(sin(Tpi*f^t)); ifUc>O
else
end
lload = x(1)IR; Vload = x(1);
sys = [x(l),x(2),lload,Vload,pos]’;
pos = uc;
pos = o;
%corriente a travez de la carga %voltaje en la carga.
83
ANEXO I MODELADO DEL SISTEMA DE PROPLILSI6NDEL HEY
6"
Figura A2.- Nombrando a la función S e n Sirnulink
Se había mencionado que el voltaje estaba como entrada, la forma final de la función S, en Simulink es la siguiente:
bu&-al
constant S.Fundion
Voltaje en el capacitor
D-pJ
@+.--+q
corriente en el indudoi D-45 Il<iad
Corriente en Id caiga
Voltaje en I I sarna m---pJ Voltaje en de EonmutaiiÓn
Figura A3.- Forma final de la función S en sirnulink archivo back.rndl
Los resultados obtenidos en la función S, se muestran en la figura siguiente. Solo se muestra el voltaje y la corriente en la carga.
84
ANEXO I F U N C I I ~ N S
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .
Tiempo (s) Figura A4.- Corriente y Voltaje en la resistencia de carga del convertidor.
Con esto se finaliza el tutorial de la funcibn S, en la ayuda de Matlab/Simulink hay otros ejemplos donde se muestra como ocupar otras subfunciones.
85
ANEXO I MODELADO DEL SISTEMA D E PROPULS16N DEL HEY
86
Anexo 2.
CODIGOS .M DE LAS FUNCIONES S PRESENTADAS EN LATESIS.
MOTOR DE /NDUCC/ÓN. Código .m del motor de inducción en el Marco de Referencia fija al Rotor (Modelo dq), implemtanción en Función S..
% Programa del Motor de Induccion tipo Jaula de Ardilla en el formato S-Function % Carga acoplada constante y sin Control % El modelo es transfomado ai marco de ref. fijo al rotor dq
function [sys,xO,str,ts] = miZdq-s(t,x,u,flag)
M Ls Lr RS
= (26.13/(2'pi'60)); % lnductancia mutua = 0.754/(2'pi'60)t(26.13/(2'pi'60)); = 0.754/(2'pi'60)+(26.13/(2'pi'60)); = 0.435;
% Inductancia del estator % lnductancia del rotor
YO Resistencia de la inductancia del estaloi
% inercia del rotor y de la carga Rr = 0.816; % Resistencia de la inductancia del rotor J = 0.089; P =4; % Numero de polos Np = P12; %Número de pares de polos TL = O ; % Par de carga
switch flag,
%%%%%%%%%%%%% %%%%% % inicializacion % %%%% %%%%%%%%% %%%%% case O, ~sys,xO,str,ts]=mdllnitiaiizeSizes(J,TL,Np,Ls,Lr,M,Rs,Rr);
%%%%%%%%%%%%% %% %Derivadas % %%%%%%%%%%%%%%% case 1, sys=mdiDenvatives(t.x,u,J,TL,Np,Ls,Lr,M,Rs,Rr);
%%%% %%% %%%%
case 3, SyS=mdIOutputs(t,x,u,J,TL,Np,Ls,Lr,M,Rs,Rr);
%%%%%%%%%%%%% %%%%%% % Unhandled flags% %%%%%%%%%%%%% %%%%%% case { 2,4, 9 ) .
SYS = [I; %%%%%%%%%%%%% %%%%%%% % Unexpected flags %
87
ANEXO 2. SISTEMA DE PROPULSIONDE UN HEY
"".'MAI
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . otherwise error(pJnhand1ed flag = ',numZstr(flag)]);
end - ,. I~ I
.......................................................... % mdllnitializeSizes % Tamafios, condiciones iniciales, y tiempos de muestre0 para la función-S. %===---------------------------------------------------------- .......................................................... function [sys,x0,str,ts]=mdllnitializeSizes(J,TL,Np,Ls,Lr,M,Rs,Rr)
sizes = sirnsizes; sizes.NumContStates = 6; sizes.NumDiscStates = O ; sizes.Num0utputs = 12; sizes.Numlnpufs = O; sizes.DirFeedthrough = O; sizes.NumSampleTimes = 1;
sys = simsizes(sizes); xo = [o,o,o.ol,o,o,o~; str = n; 1s = (O O];
%===---------------------------------------------------------- % mdlDenvatives % Derivadas para los estados continuos.
sys=mdlDenvatives(t,x,u,J,TL,Np,Ls,Lr,M,Rs,Rr)
Vas = 22O'(sqit(3)/sq~(2))'cos (2'pi"5o't); Vbs 22o'(Sqr1(3)/Sqi1(2))'COS (2'pi'5O't- 2'piB); Vcs = 22O'(sqit(3)/sqit(2))'cos (2'pi'5O't + 2'pi/3); Vabc = p/as;Vbs;Vcs]; Ks = (2/3)'[ 1 -112 -l/Z
O sqri(3)/2 -sqri(3)/2;
................................................................................
112 112 1/21; Vab = Ks'Vabc; KK = [cos(x(4)) sin(x(4));
-sin(x(4)) cos(x(4))j;
Vdq = KK'[Vab(l);Vab(Z)]; ud = Vdq(1); uq =Vdq(2);
%parametros auxiliares alfa = RriLr; sigma = 1 -(M'M)/(Ls'Lr); beta = M/(sigma'Ls'Lr); gama (Lr'Lr'Rs t M'M'Rr)/(sigma'Ls'Lr"Lr); miu = (Np'M)/(J'Lr);
sys(l)=Np'x(2)'x(5)talfa'M'((x(~)'x(2))/i((3))+alfa'beta'x(3)-gama*x(l)+(l/(sigma'Ls))'ud; %id sys(2)=-Np'x(l)'x(5)-alfa'M~((x(l)'x(2))/x(3))-Np'x(5)'beta'x(3)-gama'x(2)+(l/(sigma'Ls))'uq; %iq sys(3)=-alfa'x(3)+alfa'M'x(l); %Fd sys(4)=Np*x(5)taifa'M'(x(2)/x(3)); %P sys(5)=miu*x(3)'~(2)-TUJ; %W sys(6)=x(5); %teta
88
ANEXO 2 PROGRAMAS UTILIZADOS EN LA TESIS
INVERSOR TRIFÁ SICO. Codigo .m del inversor trifasico con Modulación Senoidal de Ancho de Pulso (SPWM), implementación en Función S.
% inversor en funcion S %pNeba dos, inversor trifasico de medio puente, SPWM. pag. 565 % libro de principios de maquinas electricas y electronica de potencia %autor SEN.
function [sys,xO,str,ts] = inver-spwm(t,x,u,flag)
vs =zoo; frecp = 5000;
switch flag,
%Amplitud de la SPWM % Frecuencia de la portadora triangular
%%%%%%%%%%%%% %%%%% % Inicializacion % %%%%%%%%%%%%%%%%%% case O,
[Sys,x0,str,tsl=mdllnit¡alizeSizes(t,x,u,f~cp,Vs);
%%%%%%%%%%%%% %% % Derivadas % %%%%%%%%%%%%% %% case 1,
sys=mdlDerivatives(t,x,u,frecp,Vs);
89
ANEXO2 SISTEMA DE PROPULSIÓNDE UN HEY
%%%%%%%%%%% % Salidas % %%%%%%%%%%% case 3, sys=mdlOutputs(t,x,u,frecp,Vs);
%%%%%%%%%%%%% %%%%%% % Unhandled flags % %%%%%%%%%%%%%%%%%%% case (2,4, 9 1,
sys = 0;
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . % Unexpected flags % %%%%%%%%%%%%% %%%%%%% otherwise error(['Unhandled flag ',numZstr(flag)]);
end
function ~sys,xO,str,ts]=mdllnitiaiizeSizes(t,x,u,frecp.Vs)
sizes = simsizes; sizes.NumContStates = 3; sizes.NumDiscSfates = O; sizes.Num0utputs = 6; sizes.Numlnputs = O ; sizes.DirFeedtP,rough = O; sizes.NumSampleTimes = 1;
. . si,:,,;
% RutiJa para formar la portadora triangular %%%a~c~%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%
i
R = 2 ; L = 5e-3;
c=floor(frecpW); %Contador
if t>=0i(ireCp*4) & t< l / ( f recp~)
eiseif P=c/(frecp'4) & t<(c+l)/(frecp*4) & mod(c,Z)==l
% Resistencia de carga % lnductancia de carga
trian=t'frecp'40
90
ANEXO 2 PROGMMAS USILIZADOS E N U SESIS.
trian=-t'frecp'40+c'l O + l O; elseif t>=c/(frecpV) & tc(ctl)/(frecp'4) & mod(c,2)==0
if VaXnan vg1:vs;
elseif Va<=trian Vgl=O;
end if Vb>tnan
vg2=vs; elseif Vb<=trian
vg2.0; end if Votrian
vg3=vs; elseif Vc<=tnan
end
Vab = Vgl-Vg2; Vbc = Vg2-Vg3; Vca = Vg3-Vgl;
sys(1) = (Vab-R'x(l))/L; sys(2) = (Vbc-R'x(2))lL; sys(3) = Nca-R'x(3))lL;
Vg3:O;
% Ecuacion diferencial para la % Ecuacion diferencial para Ib % Ecuacion diferencial para IC
R L ~ l a para formar ,a ponaoora 1riangL ar %%%%%%!~%% %%% %%%%%%%% %%%%%%%%% %%%%% %%%%%%%% frecp = 8000; c=floor(frecpil't); % Contador
if t>=Oi(frecp'4) & t<l/(frecptl)
% Frecuencia de la portadora triangular
.
I
91
ANEXO 2. SISTEMA DE PROPULSIÓNDE UN HEY
trian=t'frecp'40;
trian=-t'frecp*40tc'lO+lO;
trian=t'frecp'4Oc'l O;
elseif P=c/(frecp*4) 8 t<(c+l)/(frecp'4) 8 mod(c,Z)==l
elseif t>=c/(frecp'4) 8 t<(c+l)/(frecpV) 8 mod(c,2)==0
end
4
cc=floor(frecp'Pt); % Otro contador if mod(cc+l,2)==0
end trian=-trian;
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . %%%%%%%%%%%%% % Rutina para formar el voltaje de salida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . %%%%%%%%%%%%% f.60; w=z*pi*1; Va = S'sin(w't); Vb = S'sin(w't-2'pi/3); Vc = S'sin(w't+2'pi/3); Vs=200;
if Va>trian vg1:vs;
elseif Va<=trian Vgl.0;
end if Vb>trian
vgz=vs; elseif Vb<=trian
vg2:o; end if Votrian
vg3:vs; elseif Vc< =trian
Vg3.0; end
Vab = Vgl-Vg2; Vbc = Vg2-Vg3; Vca = Vg3-Vgl;
sys = p(l),x(2),x(3),Vab,Vbc,Vcal';
%Voltaje en la fase A
MOTOR - INVERSOR. Código .m de la unión motor - inversor implementado en Función S.
% Programa del Motor de Inducción tipo Jaula de Ardilla en el formato S-Function % Carga acoplada constante % El control es de Campo Orientado y se calcula el ang. del flujo del rotor del modelo dq % El inversor es SPWM %El modelo es trifasico
,. ..
function [sys,xO,str,ts] = mi3dq-CO-lnv-sim3(t,x,u,flag)
92
ANEXO 2 PROGRAMAS UTILIZADOS EN LA TESIS.
M = (26,13/(2*pi'60)); % Inductancia mutua (Bifasico) LS = 0.754/(2'pi'60)+(26.13/(2*pi'60)); Oh Inductancia del estator (Bifasico) Lr = 0.754/(2'pi'60)+(26.13/(2*pi'60)); % Inductancia del rotor (Bifasico)
Lsr = Lsm;
Rs =0.435: Tnfasico) Rr = 0.816; Trifasico)
J = 0.089; cfv = O; P =4; Np = P/2; TL = 25;
Vs -600; frecp = 1000; fi = 2'pi/3;
Lsm = (26.13/(2'pi'60))'(213); % lnductancia de magnetización del estator (Trkasico) Lrm (26.13/(2'pi'60))'(2/3); % Inductancia de magnetización del rotor (Trifasico) LIS = 0.754/(Tpi'60); % Inductancia de dispersión del estator (Trifasico) Llr = 0.754/(2'pi'60): % Inductancia de dispersión del rotor (Tnfasico)
%Valor pico de las inductancias mutuas estator-rotor (Trifasico)
% Resistencia de la inductancia del estator (Bifasico y
% Resistencia de la inductancia del rotor (Bifasico y
% Inercia del rotor y de la carga QA Coeficiente de friccion viscosa % Numero de polos
% Número de pares de polos '/o Par de carga
% Amplitud de la SPWM
% Desfacamiento de 120' % Frecuencia de la portadora triangulai
alfa = RdLr; sigma = l-(M*M)/(Ls*Lr); beta = Ml(sigma'Ls'Lr); gama = (Lr'LTRs + M'M'Rr)/(sigma'Ls'Lr'Lr); miu = (Np'M)/(J'Lr);
switch flag,
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 O O O D O A /o /o h A h h h /o A A A A A h l a A A % Inicializacion % %%%%%%%%%%%%%%%%%% case O,
[sys,xO,str,ts]=mdllnitializeSizes(J,TL,P,Np,Ls,Lr, M.Rs,Rr,Lsm,Lrm,Lls,Llr,Lcr.B,cfv,alla,sigma,beta,gama,miu,Vs,frc P);
%%%% %%%%%%%%% %% %Derivadas YO %%%%%%%%%%%%% %% case 1,
sys=mdlDenvatives(t,x,u,J,TL,P,Np,Ls,Lr,M,Rs.Rr,Lsm,Lrm,Lls,Llr,Lsr,fi,chr.alfa,sigma,beta,gama,miu,Vs.frecp);
%%%%%%%%%%% % Salidas % %%%%%%%%%%% case 3,
sys=mdlOutputs(t,x,u,J,TL,P,Np,Ls,Lr.M,Rs,Rr,Lsm,Lrm,lls,Llr,Lsr,~,c~,alla,sigma,beta,gama,miu ,Vs,frecp);
%%%%%%%%%%%%%%%Yo%%% % Unhandled flags% %%%%%%%%%%%%%Yo%%%%% case (2,4,9 i ,
SYS = 1;
%%%% %@/o%%%%%%% %%%%% %%
93
ANEYOZ SISTEMA DE PROPULSIC~NDE UN HEV
otherwise !. error(jUnhand1ed flag = ',num2str(flag)]); . .
end
function [sys,x0,str,ts]=mdlln~t~alizeSizes(J,TL,P,Np,Ls,Lr, M,Rs,Rr,Lsm,Lrm,LIs,Llr,Lsr,fi.cfv,alfa,sigma,beta,gama,miu,Vs.frec P)
sizes = simsizes; , . , sizes.NumConlStates = 9; sizes.NumDiscStates = O; sizes.Num0ulputs = 11; sizes.Numlnputs = 2; sizes.DirFeedthrough = O ; sizes.NumSampleTimes = 1;
sys = simsizes(sizes); x0 = [0.01,0.02,0.03,0.04,0.05,0.06,0.07,0.08,0.09~; sir = 0; ts [O O];
94
ANEXO 2 PROGRAMAS UTILIZADOSEN 01 TESIS.
95
ANEXO 2. SISTEU.4 DE PROPULSIÓN DE UN HEY
if Va>trian Vgl=Vs;
elseif Va<-tnan vgi=o:
end if VbMan
vg2=üs; elseif Vb<=tnan
vg2=0; end if Votrian
vg3=vs; elseif Vcr=tnan
end
Vab = Vgl-Vg2; Vbc = Vg2-Vg3; üca = Vg3-Vgl; Vabc = (Vab;Vbc;Vca;O;O;Oj; % Vabc = (Va;Vb;Vc;O;O;O];
o/ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . % Modelado de¡ M¡JA Tnfasico % %..:------------------------ _______________--_--____ LS = [LlstLsm -0.5'Lsm -0.5'Lsm;
-0.5'Lsm Lls+Lcm -0.5'Lsm; -0.5'Lsm -0.5'Lsm Lls+Lsm];
LR = [LlrtLrm -0.5'Lrm -0.5'Lrm; -0.5'Lrm Llr+Lrm -0.6Lrm; -0.5'Lrm -0.5'Lm Llr+Lrm];
Vg3:O;
%
%
o __________----____---------
LSR = Lsr'I cos(x(8)) cos(x(S)+fi) cos(x(S)-fi); cos(x(a)-fi) COS(X(~)) cos(x(8)tfi); cos(x(a)tti) cos(x(atfi) COS(X(S)) I;
dLSR = -Lsr'[ sin(x(8)) sin(x(8)tfi) sin(x(8)-fi); sin(x(6)-fi) sin(x(8)) sin(x(8)tfi); sin(x(8)tfi) sin(x(8)-fi) sin(x(8)) 1;
LRS = LSR
L = [LS,LSR;LRS,LR];
R=[Rs O O O O O; ORs O O O O; O ORs O O O; O O ORr O O; O O O ORr O; O O O O ORr];
dL=-Lsr'[ O O O sin(x(8)) sin(x(8)tfi) sin(x(8)6); O 0 O sin(x(8)-fi) sin(x(8)) sin(x(8)tfi); O 0 O sin(x(8)iii) sin(x(8)-fi) sin(@)):
sin(x(8)) sin(x(6)4) sin(x(8)tfi) O O O; sin(x(8)tfi) sin(x(8)) sin(x(8)-fi) O O O; sin(x(8)-fi) sin(x(8)+fi) sin(x(8)) O O o I;
96
ANEXO2 PROGRAMAS UTILIZADOS E N U TESIS
E = R+dL*Np'x(7);
sys(1:O) = inv(L)'(-E)'x(l:6)+inv(L)'Vabc; Te = (Pi2)' (x(l:3)') * dLSR * (~(46)); % Ec. del Par electromagnetico sys(7) = (l/J)'(Te-cfv'x(7)-TL); sys(8) = Np'x(7); sys(9) = Np'x(7) t alfa'Msq1phid;
% Seis ecs. difs. para el subsisterna electric0
% Ec. de lavelocidad % Ec. de la posicion
% Rho
97
ANEXO 2. SISTEMA DE PROPULSIÓN DE UN HEV,
BUCK - BATERíA. Código .m del convertidor Buck y la Batería, implementación en Función S.
%Modelo de la bateria (Copeni), En este programa solo probaremos que el %modelo funcione en los estados de carga y descarga como se pretende.
%En este modelo suponemos que no hay vanacion de temperatura. %Este modelo 10 utilizamos para alimentarlo con la corriente que entrega el Ykonbertidor buck
function [sys,xO,str,ts] = batery-dos-b(t.x.u.flag)
%modelo normalizado (c10) .~
C10 180; %Capacidad de carga en un regimen de corriente de lOhn CT 1.67'ClO; %Capacidad limite de la bateria. 110 18;
switch iiag,
case O [sys,xO,str,ts] = mdllnitializeSizes; % lnicializacion
sizes = simsizes; sizes.NumContStates = O; sizes.NumDiscStates = O; sizes.Num0utputs = 3; sizes.Numlnputs = 1; sizes.DirFeedthrough = 3: sizes.NumSampleTimes = 1;
% Load the sys vector with the sizes information sys = simsizes(sizes); % x0 = 1; % No continuous states % str 1; % ts = [-I O]; % Inherited sample time % End of mdllnitializeSizes.
%.:==---------------------------------------------------------- .......................................................... % Function mdlOutputs performs the calculations.
No state ordering
98
ANEXO2 PROGRAMASUTILEADOSWLA TESIS
a = in; B=0.48/(1-(Q/CT)"I.2);
Vc = (2t0.1 G'((I/C))+(l/ClO)'(A+B+0.036);
tao = 17.3/(l+852'((l/C10)A11.67)); if (vc > Vg)
%Sobrecarga Vec = (2.45t2.01 l*log(lt(i/ClO))); V = Vg+(vec-Vg)^(l-exp(-(Q-O.95'Ci(i'1))))+20; vc =v; else
end % %descarga if (u(l)== O)
Vd = (2.0~5-0.12'((1"t)/C)-(l/C10)'(4/(ltl~(l/3)))t(0.27/((1 -(l*t)/CTJAl .5))t0.02)+20 else
Vd = O; end
sys = [Vc,Vg,Vd]'; % End of mdl0utputs.
Vc = (2t0.1G'(QIC))+(l/ClO)'(AtB+0.036);
BOOST - BATERíA.
Código .rn del convertidor Boost y la Batería, irnplementación en Función S. Este código esta dividido en dos partes:
1 .- Bateria 2.- Vonvertidor Boost.
1. Código de la Bateria.
%Modelo de la bateria (Copetti), En este programa solo probaremos que el %modelo funcione en los estados de carga y descarga como se pretende. %modelo normalizado (c10) %En este modelo suponemos que no hay vanacion de temperatura.
function [sys.xO,str,ts] = batery-uno-a(t,x,u,flag)
99
ANEXO z SISTEMA DE PROPULSION DE UN HEV
C10 = 180; %Capacidad de carga en un regimen de corriente de l0hrs CT = 1.67'ClO; %Capacidad limite de la bateria. 110: 18;
switch flag,
~ ~ ~ . ~ . .
case O [sys,xO,str,ts) = mdllnitializeSizes; % lnicializacion
case 3 sys = md10utputs(t,x,u,ClO,CT,IlO); %Calculo de los parametros de salida y entrada ,
v g = (2.24+(1.97'log(l+(I/C10))));
C = CT/(l+0.67'((l/i10)A0.9));
-%Carga uti1 A= 6/(1+1"0.6); Q= i't; B=O.4ü/(l-(alCT)'l.2];
Vc = (2+0.16'(Q/C))+(l/C1O)'(A+Bt0.036);
ANEXO 2 PROGRAMAS UTILIZADOS EN LA TESIS
tao = 17.3/(1t852'((1/C10)"1.67)); if (vc > Vg)
%Sobrecarga Vec = (2.45t2.01 l*log(l+(l/ClO))); V = Vg+(vec-Vg)'(l-exp(-(C!-O.95*C/(l*t)))); vc =v; else
end % %descartla
Vc = (2tO.l6'(Q/C))+(i/ClO)'(Ateto.o36);
if (u(l)==-o) Vd 2.085-O.lT((I't)/C)-(I/ClO)'(4/(1 tiA(l/3)))t(0.27/((1-(I't)/CT)"1.5))+0.02;
else Vd = O;
end
sys = [(2O+Vc),Vg,(2O+Vd)l'; % End of mdloutputs.
2. Convertidor Boost.
%Convertidor buck de entrada para cargar la bateria, % este modelo no contiene aun la bateria solo una resistencia de carga.
function [sys,xO,str,ts] = boost_dos(t,x,u.flag)
R = 200; %Resistencia de carga L = 10.le-3; %inductor del convertidor buck C = le-6; %capacitordel convertidor buck a = 1; % Nivel de la serial triangular Vref = 40; %Voltaje de referencia T = 0.0001; % Periodo de la señal triangular
switch flag,
%%%%%%%%%%%%% %%%%% % Inicializacion % %%%%%%%%%%%%%%%%%% case O, ~sys,xO,str,tsl=mdlln¡tializeSizes(t,x,u,R, L,C,a,Vref,T,Vs);
case 1, sys=mdlDerivatives(t,x,u,R,L,C,a,Vref,T,Vs);
%%%%%%%%%%% % Salidas % %%%%%%%%%%% case 3,
sys=mdlOutputs(t,x,u,R,L,C,a,Vref,T,Vs);
%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % Unhandled flags % %%%%%%%%%%%%%%%%%%%
101
,, . ,. . . .~ . . ..
ANEXO 2. SISTEMA DE P R O P U L S I ~ N D E UN HEY
% Unexpected flags % . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
sys = simsizes(sizes), xo = [O,O]', str = U,
102
A N E X O 2 PROGRAMAS UTILZ4DOS E N U TESIS
%generation de la señal cuadrada. % Uc = sign(sin(Tpi'f't)); % if uc > o % pos=uc; % else Yo pos= o; % end VCO = (x(Z)-Vrei); Uc = rampa(T,t,a); if uc > VCO
pos = 1; else pos = o;
end
lload = x(2)iR; Vload = x(2);
%corriente a travez de la carga % voltaje en la carga.
sys = [x(í),x(2),lload,Vload,posl';
CONTROL VECTORIAL.
Código .m del Control Vectorial sin optimización, implementación en Función S.
% Programa del Motor de Inducción tipo Jaula de Ardilla en el formato S-Function % Carga acoplada constante % El control es de Campo Orientado y se calcula el ang. del flujo del rotor del modelo dq % El inversor es SPWM Yo El modelo es trifasico % Motor de 3 Hp.
function [sys,xO,str,ts] = miabc_LC-lnv_sim(t,x,u,Rag)
M = (26.13/(2'pi'60)); % Inductancia mutua (Bifasico) Ls = 0.754/(2'pi'60)+(26.13/(2'pi'60)); % Inductancia del estator (Bifasico) Lr = 0.754/(2'pi'60)+(26.13/(2'pi*60)); % Inductancia del rotor (Bifasico)
Lsm = (26.13/(2'pi'60))'(2/3); % lnductancia de magnetización del estator (Tnfasico) Lrm = (26.13/(2'pi'60))'(2/3); % Inductancia de magnetización del rotor (Tnfasico) LIS = 0.754/(2'pi'60); % lnductancia de dispersión del estator (Trifasico) Llr = 0.754/(2'pi%O); % Inductancia de dispersión del rotor (Tnfasico) Lsr = Lsm;
Rs = 0.435;
%Valor pico de las inductancias mutuas estator-rotor (Tnfasico)
% Resistencia de la inductancia del estator (Bifasico y Trifasico) Rr = 0.816; Trifasico)
% Resistencia de la inductancia del rotor (Bifasico y
J = 0.089; cfv = o; P 1 4 ; % Numero de polos Np = P/2; % Número de pares de polos %TL = 25;
% Inercia del rotor y de la carga % Coeficiente de fnccion viscosa
% Par de carga
103
ANEXO 2. SISTEMA D E P R O P U L S I ~ N DE m HEY.
Vs =400; %Amplitud de la SPWM '.., .' frecp = 1000; fi = Z'pii3;
alfa = RrlLr; sigma = l-(M*M)/(Ls'Lr); beta = Mi(sigma'Ls'Lr); gama = (Lr'Lr'Rs t M'M'Rr)/(sigma'Ls'Lr'Lr); miu = (Np'M)/(J'Lr);
switch flag,
% Frecuencia de la portadora triangular % Desfasamiento de IZOo
%%%% %%%%%%%% %%%%%% % Inicializacion % %%%%%%%%%%%%% %%%%% case O,
[sys,xO,str,ts]=mdlln¡t~alizeSizes(J,P,Np,Ls,Lr,M,Rs,Rr,Lsm,Lrm,Lls,Llr,Lsr,fi,cfv,alfa.sigma,beta,gama,miu,frecp,Vs);
%%%% %%%%%%%%% %% % Derivadas % y o o k b k k k h k / o / / / / / / o o 0 o o o 0 ooooolloooooo
case 1, sys=mdlDerivatives(t,x.u.J,P,Np,Ls,Lr,M,Rs,Rr,Lsm,Lrm,Lls,Llr,Lsr,fi,cfv,al~,sigma,beta,gama,miu ,frecp,Vs); . *
%%%%%%%%%%% % Salidas , .
%%%% %%%%%%% case 3, sys=mdlOutputs(t,x,u,J,P,Np,Ls,Lr,M,Rs, Rr,Lsm,Lrm,Lls,Llr,Lsr,fi,cfv.alfa,sigma,beta,gama,miu,frecp,VsJ;
. . %%%% %%%%%%%%% %%%%% % % Unhandled flags % %%%%%%%%%%%%%%%%%%%
sizes = simsizes; sizes.NumContStates = 9; sizes.NumDiscStates = O sizes.Num0utputs = 3; sizes.Numlnputs = 3; sizes.DirFeedthrough O; sizes.NumSampleTimes 1;
104
ANEXO 2 PROGRAMAS UTILIZADOS EN LA TESIS,
105
ANEXO^. SISTEMA DE P R O P U L S I ~ N D E UN HEY
% . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o-------------------------------
abTdq = [ cos(rh0) sin(rho); -sin(rho) cos(rho)];
uaub = inv(abTdq)'[ud;uq]; ua = uaub(1); ub '= uaub(2);
% y _-____________-_---------------- % Transformacion de 'uab' a 'Vabc' % %:..-----------------------------O/ _____________---------------- uabc = inv(Ks2)'[ua;ub:O]; Va = uabc(1); %Voltaje de ref. en la fase A Vb = uabc(2); %Voltaje de ref. en la fase B Vc =uabc(3); % Voltaje de ref. en la fase C
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . % Rutina para formar la portadora triangular % %%%%%%%%% . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
c=floor((frecp'4)'t); %Contador
if t>=O/(frecp'4) & t<l/(frecp'4)
elseif t>=c/(frecpT) 8 t<(c+l)/(frecp'4) 8 mod(c,Z)==l
elseif t>=c/(frecpV) & t<(c+l)/(frecp'4) & mod(c,2)==0
end
(I __________________-_------------
trian=t'(frecpVO);
trian=-t'(frecp'40)+c*lO+lO;
trian=l'(frecp'40)-c'l O;
cc=floor((frecp'2)'t); %Otro contador if mod(cc+l,2)==0
tnan=-trian; end trian = tnan*60;
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . % Rutina para formar el voltaje de alimentacion % . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
if Va>trian vg1=vs;
elseif Vac=trian Vg1=0:
end if Vb>trian
vg2=vs: elseif Vb<=tnan
vg2=0; end if Vc>trian
vg3=vs; elseif Vc<=trian
Vg3.0; end
Vab = Vgl-Vg2: Vbc = Vg2-Vg3; Vca = Vg3-Vgl; Vabc = [Vab;Vbc;Vca;O;O;O]; % Vabc = [Va;Vb;Vc;O;O;O];
106
ANEXO 2 PROCMUAS UTILIZADOS EN LA TESIS
~,~===------------------------~, . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modelado del MlJA Trifasico %
% Oh E===:=EZ:=S::::=:::==:-======
LS = [Lis+Lsm -0.5'Lsm -0S'Lsm; ü.5'Lsrn LlstLsrn -0.5'Lsm; dS*Lsm -0.5'Lsm Lls+Lsm];
LR = [LlrtLrm -0.5'Lrm -0.5'Lrm; 4.5'Lrm LlrtLrm -0.5'Lrm; -0.5'Lrm -0.5*Lm Llr+Lrm];
LSR = Lsr'[ cos(x(8)) cos(x(8)tfi) cos(x(S)-fi); cos(x(8)-fi) cos(x(8)) cos(x(8)+fi); cos(x(8)tfi) cos(x(8tfi) coc(x(8)) 1;
dLSR = -Le?[ sin(x(8)) sin(x(8)tfi) sin(x(8)-fi); sin(x(8)-fi) sin(x(8)) sin(x(ü)+fi); sin(x(8)tfi) sin(x(8)fi) sin(x(8)) 1;
LRS = L S R
L = [LS,LSR;LRS,LR];
R=[Rs O O O O O; ORs O O O O; O ORs O O O; O O ORr O O; O O O ORr O; O O O O ORr];
dL= -Lsr'[ O O O sin(x(8)) sin(x(8)tfi) cin(x(E)-fi); O 0 O cin(x(8)-fi) sin(x(8)) sin(x(8)tfi); O 0 O sin(x(8)tfi) sin(x(8)-fi) sin(x(8));
sin(x(8)) sin(x(8)-i) sin(x(E)+fi) O O O; sin(x(8)tfi) sin(x(8)) sin(x(8tfi) O O O; sin(x(8)-fi) sin(x(8)tfi) ein(x(8)) O O o 1;
B = RtdL'Np'x(7);
sys(l:6) = inv(L)'(-Ei)'x(l:6)tinv(L)'Vabc; Te = (P12) ' (x(l:3)')' dLSR * (~(4%)); % Ec. del Par electromagnetic0 sys(7) (l/J)'(Te-cfv"x(7)-TL); sys(8) = Np'x(7); sys(9) = Np'x(7) + alfa'M'isqiphid;
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . % mdlOutputs % Bloques de salida. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . function sys=mdlOutputs(t.x.u,J,P,Np,Ls,Lr,M,Rs,Rr,Lsm,Lrm,Lls,Llr,Lsr,fi,cfv,alfa,sigma,beta,gama,m~u,f~cp,Vs) global TL %:==..-------------------------'------------- __________________-------------------- % % Transformacion de corrientes 'abc' a 'abdq' %
% %..... ...................................... Ks2 = (2/3)'[ 1 -1/2 -l/Z;
O sqrt(3)iZ -sqrt(3)/2; 112 112 1/21;
% Seis ecs. dits. para el subsistema electric0
% Ec. de lavelocidad % Ec. de la posicion
% Rho
__________________--------------------
isab = KsT[x(l);x(2);~(3)]; isa = isab(1);
107
ANEXO 2 SISTEMA D E P R O P U L S I ~ N D E UN HEV.
isb = isab(2); iidq = Ks~'[x(~);x(~);x(~)] ; ird = irdq(1); iq = irdq(2);
OPTIMIZACIÓN DEL CO.JTROL 'EC TOR .A L. Código .m programa de optimización del control Vectorial, implementación en Función S.
% Programa del Motor de Inducción tipo Jaula de Ardilla en el formato S-Function i % Carga acoplada constante, Implementacibn de la optimización propuesta por Xu. % El control es de Campo Orientado y se calcula el ang. del flujo del rotor del modelo dq % El inversores SPWM % El modelo es tnfasico % Motor de 3 Hp.
function [sys,xO,str,ts] = miabc-LC-lnv-sim(t,x,u,flag)
M = (26.13/(2'pi'60)); % lnductancia mutua (Bifasico) Ls = 0.754/(2'pi*60)t(26.131(2'pi"60)): % lnductancia del estator (Bifasico) Lr = 0.754/(2'pi'60)+(26.13/(2*pi'60)); % Inductancia del rotor (Bifasico)
Ism = (26.13/(2'pii60))'[2/3); % lnductancia de magnetizacion del estator (Trifasico) Lrm = (26,13/(2'pi'60))'(2/3); % Inductancia de magnetizacion del rotor (Trifasico) LIS = 0.754/(2'pi'60); % lnductancia de dispersión del estator (Trifasico) Llr = 0.754/(2'pi'60); % lnductancia de dispersion del rotor (Trifasico) Lsr = Lsm; %Valor pico de las inductancias mutuas estator-rotor (Trifasico)
108
ANEXO 2 PROGRAMAS UTILIZADOS EN U TESIS.
Rs = 0.435; Trifasico) Rr = 0.816; Trifasico)
J =0.089; cfv = O; P = 4 ; % Numero de polos Np =P/2: % Número de pares de polos TL = 2 5 ;
Vs =400; % Amplitud de la SPWM frecp = 1000; fi = 2'pi/3; % Desfasamiento de 120°
aifa = RriLr; sigma = 1-(M*M)/(Ls*Lr); beta = M/(sigma'Ls'Lr); gama = (Lr'Lr*Rs t M'M'Rr)/(sigma'Ls'Lr'Lr); miu = (Np*M)/(J'Lr);
switch flag,
% Resistencia de la inductancia del estator (üifasko y
% Resistencia de la inductancia del rotor (ñifasico y
% Inercia del rotor yde la carga % Coeficiente de fnccion viscosa
% Par de carga
% Frecuencia de la portadora triangular
%%%%%%%%%%%%% %%%%% % Inicialización % %%%%%%%%%%%%% %%%%% case O,
[sys,xO,str,ts]=mdllnitializeSizes(J,TL,P,Np,Ls,Lr, M,Rs,Rr,Lsm,Lrm,Lls,Llr,Lsr,fi,cfv,alfa,sigma,beta.gama,miu,frecp,V s);
%%%% %%%%%%%%% %% % Derivadas YO %%%%%%%%%%%%% %% case 1, sys=mdlDerivatives(t,x,u,J,TL,P,Np,Ls,Lr,M,Rs,Rr,Lsm,Lrm,Lls,Llr,Lsr,h,cfv,aHa,sigma,beta,gama,miu,frecp,Vs);
%%%%%%%%%%% % Salidas % %%%%%%%%%%% case 3,
sys=mdlOutputs(t,x,u,J,TL,P,Np,Ls,Lr,M,Rs,Rr,Lsm,Lrm,Lls,Llr,Lsr,~,cfv,alfa,sigma,beta,gama,miu ,$ecp,Vs);
%%%% %%%%%%%%% %%%%%% % Unhandled Rags % %%%%%%%%%%%%%%%%%%% case ( 2 , 4 , 9 ) ,
sys = 0;
%%%%%%%%%%%%% %%%%%%% % Unexpected flags % %%%%%%%%%%%%% %%%%%%% otherwise error(('Unhand1ed flag = ',numZstr(Aag)]);
end
109
ANEXO 2 SISTEMA DE PROPULSl6NDE UN HEY
function [sys,x0,str,ts]=mdilnitializeSizec(J,TL,P,Np,Ls,Lr,M,Rs,Rr,Lsm,Lrm,Lls,Llr,Lsr,fi,c~,alfa,s~gma,beta,gama,miu,frecp,V . .
sizes = simsizes; sizes.NumContStates = 9; sizes.NumDiscStates = O sizes.Num0utputs = 5; sizes.Numlnputs = 2; sizesSirFeedthrough = O; sizes.NumSampleTimes = 1;
sys simsizes(sizes); x0 = [0.01,0.02,0.03,0.04,0.05,0.06,0.07,0.08.0.09~; str = 1; ts [O O];
. ,
110
ANHO 2 PROGRAMAS UTILIZADOS EN L4 TESIS.
idq = abTdq'[isa;isb]; isd = idq(1); isq = idq(2);
%===------------------------------4/ ____________-____------------- % Ley de Control de Campo Orientado %
% yo cI=____________-____------------- ud = sigma'Ls'(u(1) - alfa'beta'phid - Np'x(7)'isq - alfa'M*isq'isqiphid); uq = sigma'Ls'(u(2) t beta'Np'x(7)'phid + Np'x(7)'isd t alfa'M'isq'isdlphid);
%E.=---------------------------- ____-_____---____----------- % % Transformacion de 'udq' a 'uab' %
% Oh =5=====:2===::====:_--iE:--=--:
abTdq = [ cos(rho) sin(rho);
__________________------------
-sin(rho) cos(rho)];
uaub inv(abTdq)'[ud;uq]; ua = uaub(1); ub =uaub(Z);
%:..-----------------------------Y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . % Transfonnacion de 'uab' a 'Vabc' %
% %:=.----------------------------- . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . uabc = inv(Ks2)'[ua;ub;O]; Va =uabc(l); Vb = uabc(2); Vc = uabc(3);
%%%% %%%%% %%% %%%%%% %%%%%%%%%%% %%%%% %%% %%% %%%%%%
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
c=iiwr((frecp'4)'t); % Contador
if t>=O/(frecp*4) & t<l/(frecptl)
elseif t>=ci(frecp*4) & tc(c+l)/(frecp'4) & mod(c,Z)==l
elseif t>=ci(frecp"4) & t<(c+l)/(frecp'4) & mod(c,2)==0
end
cc=floor((frecp'Z)'t); %Otro contador if mod(cc+l,2)==0
trian=-trian; end trian = trian'60;
% Voltaje de ref. en la fase A % Voltaje de ref. en la fase B % Voltaje de ref. en la fase C
% Rutina para formar la portadora triangular %
trian-t'(frecp'40);
trian=-i(frecp'40)+c'lOtlO;
tnan=t'(frecp*40)c'l O;
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rutina para formar el voltaje de alimentacion % %%%%%%%%% % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % n ~ ~ ~ % ~ ~ % ~ ~ ~ ~ ~ ~ % ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ if Va>trian
Vgl=Vs; elseif Va<=trian
vg1.0; end if Vb>trian
vg2:vs; elseif Vb<=trian
Vg2-o; end
111
ANoYOZ SISTEMA DEPROPULSIÓNDE LW HEY
if Votrian
elseif Vc<=tian
end
Vab = Vgl-Vg2; Vbc = Vg2-Vg3; Vca = Vg3-Vgl; Vabc = pJab;Vbc;Vca;O;O;O]; %matriz para la alimetacion del sistema da Vabcdq = plab;Vbc;Vca];
vg3:vs;
Vg3.0;
Vab = KsZ'Vabcdq;
Vdq = abdqTab'plab(l);Vab(Z)]; Vud = Vdq(1); Vuq = Vdq(2);
% Vabc = pJa;Vb;Vc;O;O;O];
%aplacaremos la matriz de transformacion para tener los voltajes de %alimentation para el motor en dq.
%=..------------------------O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . /a
% Modelado del MlJA Tifasico % %..=------------------------ ___________________----- % Ls = [LlstLsm -0.SLsm -0S"Lsm;
-0.5'Lsm LlstLsm -0S'Lsm; -0.5'Lsm -0.5'Lsm Lls+Lsml;
LR = [LlrtLrm -0S'Lrm -0.S'Lrm; -0.5'Lrm LlrtLrm -0.5'Lrm; -0.5'Lm -O.S'Lrm LlwLrml;
LSR = Lsr'[ cos(x(8)) cos(x(ü)+fi) cos(x(S)-fi); cos(x(8)-fi) cos(x(8)) cos(x(8)+fi); COS(X(8)tfi) COS(X(S)-fi) COS(X(8)) 1;
dLSR = -Lsr'[ sin(x(8)) sin(x(8)tfi) sin(x(E)-fi); sin(x(ü)-fi) sin(x(8)) sin(x(8)tfi); sin(x(8)tfi) sin(x(8)-fi) sin(x(8)) 1;
LRS = LSR;
L = [LS,LSR;LRS,LR];
R=[Rs O O O O O; ORs O O O O; O ORs O O O; O O ORr O O; O O O ORr O; O O O O ORr];
dL= -Lsr*[ O O O sin(x(8)) sin(x(8)tfi) sin(x(ü)-fi); O 0 O sin(x(ü)-fi) sin(x(8)) sin(x(E)+fi); o O '0 sin(x(8)tfi) sin(x(8)-fi) sin(x(8));
sin(x(6)) sin(x(B)-fi) sin(x(8)+fi) O O O; sin(x(8)tfi) sin(x(8)) sin(x@)-fi) O O O; sin(x(ü)-fi) sin(x@)+fi) sin(x(8)) O O o I;
112
ANEXO 2 PROGRAMAS UTILLUDOS EN LA TESIS.
B = RtdL’Np’x(7);
sys(l:6) = inv(L)’(-B)’x(l:6)+inv(L)’Vabc; Top = (0.023’(isa~2))t(3.2e-l5’isa)-(7.2e-14)+21; % Par opümizado Te = (P/2) * (x(1:3)’) * dLSR ’ (~(45)); % Ec. del Par electromagnetico sys(7) = (1/J)’(le-cfv*x(7)-TL); sys(8) = Np’x(7); % Ec. de la posicion sys(9) = Np‘x(7) + alfa’M’isq1phid; sys(l0) = (l/J)’(Top);
% Seis ecs. difs. para el subsistema electric0
% Ec. de la velocidad
% Rho %ec velocidad con par optimizado
. . . . . . . . . Te = (P/2)’(x(l:3)’)’dLSR’(x(4:6)); Top = (0.023’(isaA2))t(3.2e-15’isa)-(7.2e-14)t(TL-4); % Par optimizado. sys = [x(7),Te,phid,isa,Top]‘;
113
ANUO 2 SISTEMA DE PROPULSIONDE UN HEV
114
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