Control de motores de inducción en vehículos eléctricos: control directo de par predictivo

Abstract

Frente al frenético crecimiento de la demanda de transporte en el mundo occidental, surge la necesidad de encontrar soluciones sostenibles alternativas al motor de combustión. La movilidad eléctrica encabeza la lista de alternativas prometedoras para poder realizar la transición de combustibles fósiles a energías renovables. Aunque los motores eléctricos comienzan a ser utilizados industrialmente a finales del siglo XIX, su utilización en la tracción de vehículos eléctricos siempre ha afrontado un desafío magnánimo: el almacenamiento de la energía eléctrica y su autonomía. No ha sido hasta las últimas décadas que la tecnología ha conseguido evolucionar lo suficiente como para abaratar el coste de las baterías, y encontrar la manera de ampliar su autonomía hasta valores aceptables. El futuro de la industria de la tracción eléctrica es muy brillante, aún así, todavía son necesarias más mejoras para poder “igualar” la comodidad y autonomía que supone el rellenar el tanque de un coche hasta arriba de gasolina en apenas 5 minutos y tener capacidad para recorrer entre 500 y 700 Kilómetros. Es en este contexto de continua necesidad de optimización del consumo de energía eléctrica, donde se empieza a investigar el campo del control de motores eléctricos. El tren de potencia en un vehículo eléctrico se encuentra principalmente constituido, además del motor y la transmisión mecánica, por una batería, filtros de corriente y un inversor encargado de transformar la corriente continua generada por la batería en corriente alterna. Es precisamente el inversor, el que requiere una estrategia de control capaz de hacer frente a las demandas de conducción y constantes cambios de régimen que solicita la conducción en cualquier vehículo eléctrico. Cuando un motor eléctrico se utiliza para la tracción de vehículos eléctricos, rara vez trabaja en régimen permanente. Es más que frecuente los cambios de ciclo marcha-paro en un entorno urbano, produciendo aceleraciones, deceleraciones, arranques y frenadas hasta parar. El control de motores eléctricos es un tema puntero dentro de la tracción de vehículos eléctricos y se encuentra en continuo cambio y mejora. En los últimos años, se ha puesto de manifiesto la importancia de la investigación dentro de este sector y en la Escuela Técnica de Ingenieros Industriales de la universidad Politécnica de Madrid, se ha procedido a realizar distintas líneas de investigación dentro de la Unidad Docente de Máquinas Eléctricas. Estas investigaciones se han llevado principalmente a cabo en la bancada docente del laboratorio, específica para este propósito. Esta es fruto de una gran cantidad de mejoras continuas y del trabajo de muchos compañeros a lo largo de los años en distintos TFGs. La bancada se encuentra formada por dos motores acoplados en el mismo eje, un motor de inducción (MI) y un motor de imanes permanentes superficiales. Ambos motores se encuentran alimentados por un armario que contiene toda la electrónica de potencia necesaria para accionar el sistema: un inversor para cada motor, filtros, convertidores, sensores, fuentes de tensión, microprocesador, etc. El motor de inducción es uno de los tipos de motores eléctricos de corriente alterna más robustos y sólidos que existen en la actualidad, razón por la cual este TFG se centra en recopilar los mejores controles conocidos hasta la fecha y explicar el control directo de par predictivo (DTPC) aplicado a un motor de inducción.