La motivación para la elección del presente trabajo se debe a que permite abordar diversos aspectos como: teoría de máquinas eléctricas, transformaciones, modelos y control. Por otro lado la máquina de inducción, objeto de nuestro estudio, siempre ha funcionado como motor: Sólo en las últimas tres décadas, los investigadores de diversos países han estado experimentando sobre el funcionamiento de la máquina como generador de energía eléctrica. Se aborda el tema analizando las ecuaciones de funcionamiento de la máquina de inducción en base a las leyes eléctricas, electromagnéticas y mecánicas, y mediante sucesivas transformaciones se modifica la máquina de inducción simétrica trifásica a un modelo de máquina bifásica de ejes ortogonales d-q, véase [5]. Las ecuaciones de funcionamiento obtenidas del modelo d-q son no lineales, sin embargo si se mantiene constante la velocidad del rotor, las ecuaciones se transforman en ecuaciones diferenciales lineales, lo cual simplifica significativamente el análisis que se llevará a cabo mediante las técnicas del control lineal

El presente Trabajo de Título tiene como objetivo realizar un análisis comparativo del desempeño de estrategias de control avanzado aplicadas a un motor de inducción, en base a resultados de simulaciones computacionales y pruebas experimentales. Para realizar las pruebas experimentales se construyó un dispositivo de inversión de voltaje previamente diseñado, que considera modificaciones para solucionar problemas de funcionamiento presentados por la versión original. Las estrategias de control aplicadas se basan en un esquema de control por orientación de campo, realizando modificaciones en el bloque de control de velocidad de la máquina. En primer lugar, se estudió la respuesta del sistema en base a un controlador de velocidad “PI fraccionario”, la cual corresponde a una novedosa técnica que considera cálculo de integrales no enteras para la determinación de la acción de control. En segundo lugar, se implementó una estrategia de control exclusivamente aplicable a motores de inducción denominada “Control por deslizamiento constante”. Esta estrategia está basada en la optimización del par entregado por la máquina, lo que se traduce en una reducción de las corrientes de línea para un nivel de carga fijo. Finalmente, se procedió a realizar el control de velocidad del motor de inducción mediante la estrategia clásica que usa un controlador PI, cuyos resultados servirán como base de comparación frente a las otras dos estrategias expuestas. Para realizar la comparación del desempeño de cada una de las técnicas se estudiaron los tiempos de estabilización, corrientes máximas por fase, robustez frente a perturbaciones de torque en el conjunto motor-carga, cálculo de índices de desempeño basadas en el error de control (IAE, ISE, ITAE, ITSE) y aplicabilidad experimental en tiempo real de cada una de las estrategias. Con respecto a los resultados obtenidos, se puede decir que la utilización de un controlador PI fraccionario permite obtener distintos tipos de respuestas, desde dinámicas lentas y sin fluctuaciones hasta respuestas rápidas con fuertes oscilaciones, dependiendo del orden de integración escogido. La estrategia de Control por deslizamiento constante presentó los resultados esperados a nivel de simulación (esto es, bajo error de seguimiento y reducción de corrientes de línea con respecto a las otras estrategias implementadas). Sin embargo, a nivel experimental, el sistema no respondió de la forma presupuestada ya que al imponer un deslizamiento constante las corrientes aumentaron considerablemente y no se consiguió un seguimiento de referencia de velocidad. El controlador PI puede ser interpretado como un caso particular del PI fraccionario (considerando orden de integración unitario), y presentó un comportamiento adecuado tanto en simulaciones como en pruebas de laboratorio.

Ingeniero Civil Electricista / El rol fundamental que poseen las máquinas eléctricas dentro de la industria fomenta la búsqueda de técnicas de control efectivas y eficientes. De particular interés resulta la máquina de inducción tipo jaula de ardilla, la que por su sus bajos costos de fabricación y mantención, constituye el 90% de la energía consumida en máquinas eléctricas en la industria. Desde este punto de vista, resulta evidente la necesidad de disminuir el consumo de energía mediante estrategias adecuadas de control. Dentro de los esquemas de control para máquinas de inducción, la técnica de control por orientación de campo (FOC) es la más estudiada y, hasta el día de hoy, la más efectiva. Por esta razón, en la literatura se pueden encontrar diversos métodos que se basan en la topología FOC. No obstante, la mayoría considera modificaciones que aumentan de manera considerable la complejidad del esquema y no necesariamente se obtienen mejoras significativas en las prestaciones de control. En el presente Trabajo de Memoria se evalúan experimentalmente dos técnicas de control de velocidad basadas en una estructura de FOC indirecta. Las modificaciones que dan origen a las nuevas estrategias son relativamente sencillas y localizadas dentro de la estructura de FOC. La primera corresponde a una técnica que posee un controlador PI con una integral de orden fraccionario (no entero), denominada FOC-PIF. La segunda estrategia conserva todos los controladores del esquema FOC convencional, pero impone al deslizamiento (originalmente variable) a ser un valor fijo. El principal objetivo de la estrategia FOC-PIF es mejorar la respuesta en el seguimiento de velocidad presentada por la estrategia base. La técnica FOC-CSC, busca en cambio obtener un mismo nivel de torque pero reduciendo el consumo de corriente. Las pruebas realizadas para evaluar las técnicas propuestas fueron analizadas primero mediante simulaciones computacionales, procediendo luego a un análisis experimental. De esta comparación se concluyó que el modelo analizado posee una buena confiabilidad para estos estudios. A partir de los resultados experimentales se concluye que frente a referencias de velocidad que se mantienen constantes o varían suavemente bajo un nivel de carga mecánica fija, la técnica FOC-PIF muestra mejoras importantes durante el régimen transiente y mantiene el buen desempeño durante régimen permanente. Los resultados obtenidos al implementar la estrategia FOC-CSC, indican que se logra disminuir los niveles de corriente de estator en un nivel cercano al 33%, con respecto a las magnitudes entregadas por la técnica convencional. Por último, los resultados de las simulaciones indican que el modelo del motor y de los esquemas implementados constituyen una buena herramienta para obtener una idea de la respuesta dinámica de cada esquema y de las tendencias que se observarían en un eventual análisis comparativo entre dos esquemas. Sin embargo, el margen de error que poseen los cálculos realizados revela que la simulación implementada generalmente no puede entregar aproximaciones cercanas a la realidad experimental y, por lo tanto, los resultados deben ser interpretados sólo como órdenes de magnitud y no como valores representativos.

Los ensayos característicos de máquinas eléctricas se desarrollan con el fin de conocer sus principios de funcionamiento, obtener sus circuitos eléctricos equivalentes y evaluar sus comportamientos frente a diferentes condiciones. Para la puesta en marcha y en especial para la realización de los ensayos en máquinas que requieran de voltaje directo como los motores DC o los generadores de corriente alterna en su circuito de campo, se requieren fuentes de alimentación cuyo valor de voltaje pueda ser variable. Esto quiere decir que dichas fuentes no solo deben entregar una tensión continua del valor que se especifica en las características nominales de la máquina, sino también deben tener la capacidad de entregar valores de tensión menores. La presente tesis aborda el diseño y la implementación de fuentes de alimentación de tensión regulables para suministrar energía a los circuitos de campo y armadura de un motor DC shunt y al circuito de campo de un generador síncrono trifásico. Para este objetivo, en la presente tesis se realiza el estudio del motor DC y del generador síncrono trifásico; sus principios de funcionamiento, sus tipos y sus circuitos eléctricos equivalentes. También se aborda el estudio de las tecnologías actuales usadas en el diseño de las fuentes de alimentación lo que introduce a un análisis completo del diseño de las mismas. Por último, se muestran los resultados de las primeras pruebas realizadas a las fuentes implementadas. / Tesis

El principal objetivo de este trabajo de titulo es la realización de un análisis técnico-económico que permite establecer la factibilidad de utilizar motores de inducción para el accionamiento de un molino de bolas, aplicando criterios de eficiencia energética en su diseño. Primero se analiza las principales configuraciones utilizadas actualmente para el accionamiento de un molino de bolas, optando por la utilización de un accionamiento de piñones gemelos utilizando motores de inducción de rotor bobinado por su bajo costo, pero agregando la característica de velocidad variable para aumentar la eficiencia del sistema. Luego, se investigó los métodos más utilizados para el control de un motor de inducción de rotor bobinado, escogiendo un rango de velocidad de 85-110% y el uso del accionamiento Scherbius por su alta eficiencia. A partir de lo anterior se diseñó el sistema necesario para el accionamiento del molino, especificando las características técnicas del molino de bolas y los equipos eléctricos necesarios para su accionamiento. Además se realizó un análisis del sistema mecánico involucrado, el diseño de la electrónica de potencia y el sistema encargado de controlar la velocidad del motor. Diseñado el sistema para el accionamiento del molino de bolas, se creó un modelo matemático de los motores y el sistema de control de velocidad, todo bajo la plataforma Simulink de MATLAB. El estudio analizó la dinámica de las variables en todo el rango de velocidad del motor, prediciendo la dinámica del motor en operación. Por otro lado el análisis económico contempló una comparación de los costos de inversión y operación de las tres opciones más factibles para el accionamiento del molino: motor sincrónico sin escobillas, inducción jaula de ardilla e inducción de rotor bobinado. Además se realiza un análisis energético para distintos casos de operación y potencia nominal. Finalmente se concluye que la mejor opción corresponde a utilizar un motor de mayor potencia nominal al diseñado en un comienzo por el equipo metalúrgico, con el fin de operarlo al 85% de su velocidad nominal, ampliando de esta manera la capacidad para aumentar la velocidad a un 25%.

En la actualidad, unos de los problemas que tienen las empresas arenadoras de vidrio, es la poca disponibilidad de repuestos, en el mercado local, en caso de avería del sistema de control de sus equipos. Este hecho impacta directamente en la producción y en la rentabilidad de la empresa. Si bien existen varios modelos y tipos de máquinas de arenado que cumplen técnicamente con los requisitos necesarios para realizar el proceso de arenado de vidrio eficientemente. Es la parte económica y el tiempo de adquisición son las principales razones que dificultan la adquisición e importación de los mismos. En algunos casos podría tomar hasta 60 días que implicaría una pérdida del 30 % de la utilidad anual esperada. Considerando que sólo el sistema de control de fábrica falle una vez, pero si este problema es recurrente las consecuencias para el negocio pueden ser más graves. Por ello, el presente proyecto, busca implementar un sistema de control alternativo que sea capaz de funcionar de similar o de mejor manera que el sistema de control de fábrica El costo de producción del sistema alternativo es altamente competitivo a diferencia del costo de compra e importación de un nuevo sistema de control de fábrica, el cual puede significar hasta el 60% del costo de una máquina nueva. El costo del sistema del control propuesto significa menos del 10% del costo de un sistema de control de un proveedor local incluyendo los gastos de importación. / Currently, one of the problems that have glassblower companies, is the limited availability of spare parts, in the local market, in case of failure of the control system of their equipment. This fact directly impacts the production and profitability of the company. Although there are several models and types of sandblasting machines that technically comply with the necessary requirements to perform the process of glass sandblasting efficiently. It is the economic part that hinders the acquisition and importation of them. In some cases it could take up to 60 days which would imply a loss of 30% of the expected annual profit. Whereas only the factory control system fails once, but if this problem is recurrent the consequences for the business can be more serious. Therefore, the present project seeks to implement an alternative control system that is capable of functioning similarly or better than the factory control system. The production cost of the alternative system is highly competitive, unlike the cost of purchase and import of a new factory control system, which can mean up to 60% of the cost of a new machine. The cost of the proposed control system means less than 10% of the cost of a control system of a local supplier including import costs. / Tesis

La gran cantidad de problemas ambientales existentes hoy en día, ha provocado en la población una toma de conciencia y una nueva actitud de los actores sociales frente al cuidado del medio ambiente. Es por esto que los gobiernos están cada vez más preocupados del cuidado de la energía, impulsando programas de eficiencia energética dirigidos tanto al consumo residencial como al industrial. Por otro lado, la creciente inestabilidad de precios de la energía, ha obligado a la industria a buscar nuevas formas de disminuir la demanda. Es en este punto en el cual aparecen los equipos energéticamente eficientes, y entre ellos, los motores eléctricos. Dichas ideas sirven como motivación a esta memoria, a la cual se le ha planteado como objetivo, estudiar tanto las diferencias de operación, como las posibles ventajas económicas de este tipo de motores con respecto a los motores tradicionales, pretendiendo usar datos fidedignos y actualizar algunos estudios e ideas ya obsoletas con respecto a la materia. Para lograr este objetivo se recabó la información que imparten los fabricantes de motores, para realizar una comparación entre el comportamiento de los motores eficientes versus los motores de más baja eficiencia. Se programó un software que permite estimar los parámetros de motores eléctricos de inducción de baja tensión, con el fin realizar modelos más acabados y poder obtener mas información respecto de su operación. También se hizo un análisis de las ofertas de mercado disponibles, calculando los indicadores económicos más importantes con respecto a la aplicación de este tipo de motores, permitiendo de esta forma, clarificar el proceso de decisión de la compra de un motor de alta eficiencia versus otro de más baja. Dentro de este mismo punto, se aplicaron estos conceptos a un proyecto real de explotación minera, logrando tener una idea más clara de los beneficios de estos motores. Una vez finalizada la investigación, se pudo concluir que en general los motores de mas alta eficiencia se comportan de manera muy similar a los de menor eficiencia. Tanto con los datos de fabricantes como por la modelación se detectaron dos diferencias: La velocidad de giro y corrientes de partida superiores para los motores eficientes. Dichas diferencias podrían tener alguna repercusión en casos particulares mencionados con mayor detalle en el documento. Al término del análisis económico se pudo concluir que la conveniencia económica en la inversión en este tipo de motores depende fuertemente del precio de la energía. En general, para la mayoría de las potencias y marcas, cuando se tiene un porcentaje de uso alto y el precio se mantiene igual al de la actualidad (0.1 USD/kWh) o superior, es rentable invertir en este tipo de motores. Cuando el precio de la energía es bajo, se recomienda realizar un análisis más detallado.

La existencia de máquinas eléctricas industriales desde finales del siglo XIX implica que es un sector de desarrollo maduro donde parecen difíciles nuevos conceptos de máquina, a no ser que el desarrollo de nuevos materiales o tecnologías de fabricación hagan que conceptos de máquina con pocas aplicaciones pase a ser objeto de mejora y optimización. Analizando la literatura de estos últimos años (ver bibliografía), donde se pueden encontrar máquinas nada convencionales, se infiere que los diseños más interesantes hacen referencia a flujos que ya no pueden simplificarse a dos dimensiones como en los motores convencionales, sino que requieren interpretarlo en sus tres dimensiones. De todas las topologías propuestas es la máquina de flujo axial la que está encontrando mayor número de aplicaciones.En esta tesis doctoral se pretende presentar el estado del arte de esta topología de máquina, justificar su necesidad frente/junto a las máquinas radiales, presentar los parámetros de diseño fundamentales de la misma, presentar el modelo analítico tradicional de máquina de inducción, aportando la solución analítica de las ecuaciones de la máquina.En las máquinas axiales de inducción con rótor sólido no ferromagnético se presentan fenómenos que no tienen explicación evidente, como puede ser el giro en vacío a velocidades muy alejadas de la de sincronismo, o las dificultades en el arranque de las mismas. Con anterioridad ya se han hecho intentos de aplicar caminos de corriente preferentes en maquinas de este tipo con el fin de mejorar las prestaciones, pero aún no se ha logrado encontrar una explicación a alguno de los fenómenos que rodean a este tipo de máquinas.Se ha analizado modelos en 3 dimensiones de máquinas de flujo axial empleando el Método de los elementos finitos (MEF), puesto que el problema de las máquinas de flujo axial es un problema tridimensional, como así se reconoce en la bibliografía consultada.La simulación en 3 dimensiones (3D) de campos electromagnéticos no es novedad, puesto que existe software que permite el cálculo en 3D, sin embargo las simulaciones consultadas en la bibliografía son siempre con campos magnéticos estáticos, la mayoría de veces en 2D y nunca aplicada a cuerpos en movimiento.De los trabajos realizados se ha comprobado que para extraer conclusiones, es tan importante el número como la imagen gráfica de la simulación. Se han validado los resultados en base a los prototipos desarrollados en el Departament d'Enginyeria Elèctrica de la UPC. Desarrollados dentro del equipo de trabajo en el que ha trabajado el autor, dirigidos por Ricard Bosch Tous.Estos prototipos tienen en común la geometría axial, el número de polos y las similares dimensiones interiores y exteriores. Se ha trabajado sobre máquinas de 20 pares de polos, formadas por 1 ó 2 inductores constituidos por un soporte ferromagnético o no, sobre el que se bobina el devanado inductor. El rótor es siempre un disco de aluminio de diferentes dimensiones en función del prototipo.Se ha concluido la necesidad de emplear rotores ranurados debido a los vórtices de corriente que se forman, con el fin de alargar las líneas de corriente y por lo tanto la componente útil de la misma.Se ha concluido también la necesidad de incrementar las frecuencias de trabajo por encima de la f de 50 Hz. Existiendo frecuencias donde se prevé un mejor funcionamiento, que son los 500 y 1000 Hz. / Electrical Machines began to develop in early beginning of XIXth century. This means they have evolved for two centuries, and actually, from an electromechanical point of view, it is difficult to improve them.But there exists other topologies of electrical machines which were forgotten practically from the beginning of their evolution, as in case of axial flux machines.New materials and manufacturing techniques can make possible to develop and improve them.Taking a look on the recent literature related with non conventional machines, as it is the case of linear or axial flux machines, one can see that conventional two dimensional analysis gives little result. Due to the particular topology of these machines, magnetic field must be analysed in its three dimensions.The aim and goal of this thesis is to show the state of the art of axial flux machines, to justify its need against/beside radial flux machines, to show the basic design parameters and to analyse a 2 stator 1 rotor axial flux machine using the Finite Element Merhod (FEM).Axial flux induction machines with non ferromagnetic rotor show results of extremely difficult explanation, as a no load speed far away from synchronous speed. In previous works other authors have tried to fix preferred paths for induced current in these machines, but actually no answer has been found for a lot of questions around them.In this work a three dimensional analysis of the axial flux machine, through FEM simulations with moving rotor, have been performed using ANSYS software.No references of similar works have been found in the literature.Prototypes of axial flux machines with non ferromagnetic conductive rotor have been developed in the "Departement d'Enginyeria Elèctrica" of the Polytechnic University of Catalonia, by the team of Dr. Ricard Boch.Iron and ironless inductors have been tested showing similar results and showing speeds at no load that agree with the simulations.The conclusion of the thesis is that these machines ar so sensitive to frequency (f) and s and show better results at 500 Hz and 1 kHz.It has been proposed to use slotted rotors to break the current vortex and to extent the current lines to improve the torque of the machine.

[EN] After making a review of the state of the art, present laboratory equipment, types of trials and signs that have been used to experimentally validate diagnostic techniques proposed in this paper as well as justify drawbacks or limitations transform short time Fourier (STFT) with classic windows for analyzing transient signals whith diagnostic finnish rotating electrical machines in the field, selecting the prolate spheroidal function is proposed, assessing the effect of the parameters that for your definition, as optimal window for time-frequency analysis of the stator current using said transformed, so it makes a proposal to reduce the computation time and memory capacity calculation of this analysis of this signal by moving the window in the domain frequency rather than the temporary. Thus it contributes to the reduction in terms of processing times and memory requirements without losing quality when it comes to the information about the failure is both essential factors for achieving the goal that solutions for its implementation in real industrial environments with limited memory or communication if it is isolated or remote systems. / [ES] Tras hacer una revisión del estado del arte, presentar el equipamiento de laboratorio, los tipos de ensayos y señales que se han empleado para validar experimentalmente las técnicas de diagnosis propuestas en este trabajo, así como justifi car los inconvenientes o limitaciones de la transformada short time Fourier (STFT) con las ventanas clásicas para el análisis de señales en régimen transitorio con fi nes de diagnóstico en máquinas eléctricas rotativas en campo, se propone la selección de la función prolate esferoidal, valorando el efecto de los parámetros que la defi nen, como ventana óptima para el análisis tiempo-frecuencia de la corriente estatórica empleando dicha transformada, así mismo se formula una propuesta para reducir el tiempo de cómputo y la capacidad de memoria de cálculo de este análisis de esta señal moviendo la ventana en el dominio de la frecuencia en lugar del temporal. De esta forma se contribuye a la reducción en cuanto a tiempos de procesado y a los requisitos de memoria necesarios sin perder calidad en lo que a la información referente al fallo se trata, ambos factores esenciales para alcanzar la meta de que las soluciones permitan su implementación en entornos industriales reales, con limitaciones de memoria o comunicación si se trata de sistemas aislados o remotos. / [CAT] Després de fer una revisió de l'estat de l'art, presentar l'equipament de laboratori, els tipus d'assajos i senyals que s'han empleat per a validar experimentalment les tècniques de diagnosis proposades en este treball, així com justi car els inconvenients o limitacions de la transformada short time Fourier transform (STFT) amb les finestres clàssiques per a l'anàlisi de senyals en règim transitori amb fi ns de diagnòstic en Màquines elèctriques rotatives en camp, es proposa la selecció de la funció prolate esferoïdal, valorant l'efecte dels paràmetres que la de finixen, com a fi nestra òptima per a l'anàlisi temps-freqüència del corrent estatórica emprant dita transformada, així mateix es formula una proposta per a reduir el temps de còmput i la capacitat de memòria de càlcul d'esta anàlisi d'este senyal movent la finestra en el domini de la freqüència en lloc del temporal. D'esta manera es contribuïx a la reducció quant a temps de processat i als requisits de memòria necessaris sense perdre qualitat en el que a la informació referent a la fallada es tracta, ambdós factors essencials per a aconseguir la meta que les solucions permeten la seua implementació en entorns industrials reals, amb limitacions de memòria o comunicació si es tracta de sistemes aïllats o remots. / Cortés López, JM. (2016). Técnicas optimizadas de análisis de señal en dominio tiempo-frecuencia para el diagnóstico de máquinas de inducción en régimen transitorio [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/61976 / TESIS

Las técnicas de diagnóstico de máquinas eléctricas más utilizadas actualmente están basadas en el análisis de la corriente (debido a su carácter no invasivo) a través de la transformada de Fourier (FT). Su principal inconveniente es que no pueden utilizarse en aplicaciones que trabajan constantemente en régimen transitorio, como la generación eólica o la automoción eléctrica, entre otros campos de creciente importancia. Desde finales del siglo XX hasta la fecha se han desarrollado algunas técnicas para el diagnóstico en regímenes transitorios; estas técnicas están basadas fundamentalmente en obtener la evolución temporal de las componentes armónicas de las corrientes causadas por averías, lo cual se consigue aplicando transformadas tiempo-frecuencia (t-f). Hata el momento se han aplicado transformadas estándar no optimizadas para el diagnóstico de averías en máquinas eléctricas (e.g., FT de tiempo corto, transformada wavelet) las cuales permiten la detección de algunas componentes de avería en determinadas zonas del plano t-f. Por otra parte, existen transformadas de carácter adaptativo cuyo análisis se ajusta a la señal a analizar (e.g. Matching Pursuit), no utilizadas todavía en el campo del diagnóstico. Sin embargo, no permiten centrarse en obtener las componentes de avería e incurren en tiempos de cálculo prohibitivos (semanas). En la presente tesis se ha desarrollado una metodología original de análisis t-f, optimizada para el diagnóstico de averías en máquinas eléctricas, mediante el análisis de la corriente. La metodología propuesta se desarrolla teniendo en cuenta las particularidades de la señal analizada y los objetivos del diagnóstico; esto permite efectuar el seguimiento de múltiples componentes de falta a lo largo de amplios dominios del plano t-f con tiempos de procesamiento reducidos, lo que hace posible diagnósticos de gran fiabilidad. El desarrollo de la metodología implica las siguientes etapas: (i) Se caracterizan las evoluciones de las componente / Pons Llinares, J. (2013). Metodología para el diagnóstico de averías en motores de inducción mediante el análisis de corrientes estatóricas transitorias utilizando átomos tiempo-frecuencia [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/27555 / Palancia