196MC_rod

Centro Nacional de Investigacion y Desarrollo Tecnologico

Departamento de Ingenierıa Electronica

TESIS DE MAESTRIA EN CIENCIAS

“Emulador de Turbina Eolica para el Banco dePruebas de Generacion Eoloelectrica”

presentada por

Roberto II Ovando DomınguezIng. Electronico por el I. T. de Veracruz

como requisito para la obtencion del grado de:

Maestrıa en Ciencias en Ingenierıa Electronica

Director de tesis:Dr. Jesus Aguayo Alquicira

Co-Director de tesis:Dra. Marıa Cotorogea Pfeifer

Cuernavaca, Morelos, Mexico. Julio de 2007

Centro Nacional de Investigacion y Desarrollo Tecnologico

Departamento de Ingenierıa Electronica

TESIS DE MAESTRIA EN CIENCIAS

“Emulador de Turbina Eolica para el Banco dePruebas de Generacion Eoloelectrica”

presentada por

Roberto II Ovando DomınguezIng. Electronico por el I. T. de Veracruz

como requisito para la obtencion del grado de:

Maestrıa en Ciencias en Ingenierıa Electronica

Director de tesis:Dr. Jesus Aguayo Alquicira

Co-Director de tesis:Dra. Marıa Cotorogea Pfeifer

Jurado:

Dr. Jorge Hugo Calleja Gjumlich - PresidenteDr. Mario Ponce Silva - Secretario

Dr. Francisco V. Canales Abarca - VocalDr. Jesus Aguayo Alquicira - Vocal Suplente

Cuernavaca, Morelos, Mexico. Julio de 2007

Dedicatoria

Dedico este trabajo:

A Dios, ya que siempre ha estado conmigo al momento de tomar las deci-

siones que hasta ahora han sido significativas en mi vida.

A mi padres Roberto y Paula, por el apoyo, el amor y los valores que toda la

vida me han dado de corazon; sin ustedes no hubiera sido posible alcanzar

todas las metas propuestas hasta ahora, espero seguir contando con ustedes

para las siguientes, los amo!

A mi hermano Asael por quererme y apoyarme a su modo tan peculiar, te

quiero mucho carnal!

A mis Abuelos: EulalioO, Isabel, Filiberto e Irene por sus sabios consejos.

A las familias Domınguez-Avalos, Ramırez-Domınguez, Gonzales-Domınguez,

Domınguez-Lagunes, Domınguez-Avendano, Cuevas-Domınguez, Barra -

Ovando, Ciro-Zita, este logro va para todos ustedes, espero los motive a

continuar con la cosecha de exitos profesionales.

A mi alma mater, Instituto Tecnologico de Veracruz.

Agradecimientos

Agradezco:

A Dios y a mis padres, porque siempre me dieron la fuerza necesaria para

continuar cuando parecıa que abandonaba el camino.

A mi asesora la Dra. Marıa Cotorogea por sus comentarios para mejorar

el trabajo de tesis y un agradecimiento muy especial al Dr. Jesus Aguayo

ya que gracias a su apoyo, confianza y perseverancia, el trabajo permitio

obtener mas frutos de los esperados; gracias por confiar en mı!

Al Dr. Gerardo Guerrero por confiarme las herramientas necesarias para

llevar a cabo la implementacion de este trabajo de tesis y por los consejos

sugeridos durante el desarrollo del mismo.

A los miembros del comite revisor: Dr. Hugo Calleja, Dr. Francisco

Canales y al Dr. Mario Ponce por los valiosos comentarios que enriquecieron

este trabajo.

A mis profesores: Dr. Abraham Claudio, Dr. Carlos Aguilar, Dr. Jaime

Arau y al Dr. Marco Oliver.

A la Lic. Rosa O. Maquinay, M.I. Elia, Anita y Maira por que siempre me

atendieron de manera educada y atenta.

A Roberto Galindo, Marving Aguilar e Ivan Alcala por dedicar parte de su

tiempo para ayudarme a aclarar dudas que surgieron durante el desarrollo

del trabajo.

A mis companeros y a mis amigos: Paloma, Educado, Pachis, Pitta, Rose,

Matis, Frankie, Ansioso, Enrique, Abraham, Jerry, Uribe, Sorcia, Molina,

Vidal, Chaka, Chupis, Chino, Alegrıa, Gracia, Cesarin, Innombrable, Back-

street, Sabor a mi, Botas, Jalapo, Pachiclon, Rata, Colombia, Barcenas,

Victor, Efren, Leobardo, Diego, Tuyui, Chocotorro, Beneindio, Oaxaco,

Dj, Max, Campeche, Cimazo, Dienton, La tigresa, Gustavo torp, jojojo,

Chikion, Mayito, Oscar, Mosco, Gato, Renata, Laura, Ale B, Karito, Pepe,

Carballo, Calaco, Chuy, Negro, por el companerismo y su incomparable

amistad que me han brindado de manera desinteresada, gracias por sopor-

tarme!

A la Sra. Sara Paniagua y a Karito porque hacerme sentir como un miem-

bro de su familia varios fines de semana durante mi estancia en Cuer-

navaca.

A todas las demas personas que eh dejado de mencionar y que sin duda

forman parte de mi vida.

Al CENIDET por permitirme crecer profesionalmente un poco mas; y a todo

el personal que labora en el centro, por todas las finas atenciones prestadas

durante mi estancia.

Finalmente a CONACYT y a la DGEST por el apoyo economico que me

brindo para la realizacion del trabajo.

Emulador de Turbina Eolica para el Banco de

Pruebas de Generacion Eoloelectrica

Autor

Roberto II Ovando Domınguez

(RESUMEN)

La energıa electrica ha sido el impulsor del desarrollo de la industria mundial en los ultimos

doscientos anos. Esta energıa electrica ha sido generada comunmente por medio de la

combustion de combustibles fosiles. Sin embargo, debido a que este tipo de generacion es

contaminante, costosa y en algunos anos sera insuficiente; es necesario encontrar fuentes

alternativas de generacion electrica, como la energıa renovable.

Esta tesis presenta la implementacion experimental de un emulador de turbina eolica

(WTE) para sistemas de generacion eolica, usando un motor de CD de excitacion separada

como el impulsor principal. El modelo de la turbina (parte dinamica y parte estatica) y

el control del motor de CD se implementan en MATLAB/SIMULINK. El modelo de la

turbina eolica (WT) genera los valores de referencia de velocidad para impulsar el motor

de CD.

El desarrollo de un WTE permite que se estudien este tipo de sistemas sin la necesi-

dad de turbinas eolicas reales. El banco de pruebas se compone por un motor de CD

acoplado con una maquina de induccion doblemente alimentada (MIDA). El motor de CD

con el control actuan como la WT y la MIDA actua como el generador.

En este trabajo de tesis, se presentan los resultados experimentales obtenidos de

un prototipo de 300W , ası como los resultados en simulacion en el paquete comercial

MATLAB del mismo sistema.

Wind Turbine Emulator for Wind Energy

Generation Test Bench

Autor

Roberto II Ovando Domınguez

(ABSTRACT)

The electric energy has been the booster of the development of the world-wide industry in

the last two hundred years. This electric energy has been commonly generated by means

of the combustion of fossil fuels. However, because this generation type is pollutant,

expensive and in some years it will be insufficient; it becomes necessary to find alternative

sources of electric generation, as the renewable energy.

This thesis presents the experimental implementation of a wind turbine emulator

(WTE) for wind generation systems, using a separately excited DC motor like the prime

mover. The model of the turbine (static and dynamic part) and the control of the DC

motor are implemented in MATLAB/SIMULINK. The model of the wind turbine (WT)

generates the reference values of speed to drive de DC motor.

The development of a WTE enables system studies to be undertaken without the

need for real turbines. The test bench it is composed by a DC motor coupled with a double

fed induction machine (DFIM). The DC motor with its control actuates as the WT and

the DFIM actuates as the generator.

In this thesis work, experimental results obtained from a 300W prototype, as well

as the simulation results in the comercial software MATLAB of the system itself are

presented.

Tabla de Contenido

Lista de figuras v

Lista de tablas vii

Notacion ix

1. Introduccion 1

1.1 Prefacio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 Planteamiento del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.3 Revision del estado del arte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.4 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.4.1 Objetivo general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.4.2 Objetivos particulares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.5 Propuesta de solucion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.6 Aportacion y alcances del trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.7 Organizacion del documento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2. Sistema de generacion de energıa eolica 11

2.1 Perspectiva historica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.1.1 Ventajas de la energıa eolica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.1.2 Inconvenientes de la energıa eolica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.2 Estructura general de una turbina eolica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.2.1 Rotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

i

2.2.2 Tren de impulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.2.3 Generador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.2.4 Gondola y sistema de orientacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.2.5 Torre y cimentacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.2.6 Controles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.3 Estructura del sistema implementado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.4 Principio de funcionamiento de una turbina eolica . . . . . . . . . . . . . . 20

3. Modelado del sistema y resultados de simulacion 23

3.1 Introduccion: modelado y simulacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.2 Tipos de modelos y conceptos de validacion . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.2.1 Modelos fısicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.2.2 Modelos mentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.2.3 Modelos simbolicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.2.4 Conceptos de validacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.3 Modelo de la turbina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.3.1 Modelo estatico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.3.2 Modelo dinamico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.4 Condiciones de operacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.5 Resultados de simulacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.5.1 Simulacion del modelo de la turbina eolica . . . . . . . . . . . . . . 33

3.5.2 Simulacion del sistema completo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4. Implementacion del emulador 39

4.1 Estructura del sistema emulador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

4.2 Motor de CD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.2.1 Modelo del motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.2.2 Control del motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.3 Etapa de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4.4 Plataforma DSC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.4.1 Seleccion de la plataforma DSC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.4.2 Programacion de la eZdspF2812 en MATLAB/SIMULINK . . . . . 51

4.4.3 Acondicionamiento de senales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

ii

5. Analisis de resultados 55

5.1 Perfil de viento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

5.2 Resultados experimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

5.3 Desempeno del sistema emulador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

5.3.1 Indice de desempeno del sistema emulador . . . . . . . . . . . . . . 62

5.3.2 Desviacion estandar del sistema emulador . . . . . . . . . . . . . . 65

6. Conclusiones y trabajos futuros 69

6.1 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

6.2 Trabajos futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

Referencias 73

Anexos 77

A. Configuracion del RTDX 77

B. Extras de la etapa de potencia 79

C. Guıa de inicio rapido para la tarjeta eZdspF2812 81

C.1 Requerimientos de hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

C.2 Requerimientos de software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

C.3 Configuracion basica del SIMULINK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

iii

iv

Lista de figuras

1.1 Banco de pruebas desarrollado en [1]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2 Sistema desarrollado en la Universidad Tecnologica de Delft. . . . . . . . . 3

1.3 Sistema desarrollado en la Universidad Tecnologica de Chemnitz. . . . . . 4

1.4 Sistema desarrollado en la Universidad de New Brunswick. . . . . . . . . . 5

1.5 Sistema desarrollado en la Universidad de Magallanes. . . . . . . . . . . . 6

1.6 Banco de pruebas para generacion eoloelectrica. . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.1 Turbina eolica real. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.2 Configuraciones de los rotores HAWT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.3 Componentes principales de una HAWT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.4 Diagrama de bloques del sistema de generacion de energıa eolica. . . . . . . 19

2.5 Fuerza de sustentacion y fuerza de arrastre. . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.1 Curva de potencia CP pλ, βq. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.2 Modelo estatico y dinamico implementado en MATLAB/SIMULINK. . . . 31

3.3 Vw, ωr, Tr y Tg. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.4 Turbina eolica, MIDA, MSC y carga. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.5 Vw, ωr, Tr y Tg. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.6 Paso de velocidad sub-sıncrona a super-sıncrona y viceversa. . . . . . . . . 37

4.1 Diagrama de bloques del sistema emulador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

4.2 Acoplamiento mecanico completo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4.3 Equivalente electrico de un motor de CD de excitacion separada. . . . . . . 43

4.4 Esquema de control para el motor de CD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.5 Clasificacion de los troceadores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

v

4.6 Convertidor troceador clase “A”. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.7 Plataforma eZdspF2812 de TI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.8 Diagrama de flujo para implementacion del modelo SIMULINK. . . . . . . 52

4.9 Implementacion del modelo SIMULINK para la tarjeta eZdspF2812. . . . . 53

4.10 Diagrama esquematico para el acondicionamiento de senal. . . . . . . . . . 54

5.1 Perfil de viento real, La Venta (Enero-06). . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

5.2 Velocidad en el eje de alta velocidad (REALvsSIMULADA). . . . . . . . . 59

5.3 Acercamiento de la Figura 5.2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

5.4 Operacion del del sistema durante las transiciones . . . . . . . . . . . . . . 62

5.5 Indices de desempeno del sistema emulador . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

5.6 Acercamiento de la Figura 5.2 para el calculo de la desviacion estandar. . . 66

B.1 Diagrama esquematico de los troceadores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

B.2 Troceadores implementados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

C.1 Contenidos del kit eZdspF2812. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

C.2 Librerıas que conforman el bloque Embedded Target for TI C2000 DSP. . . 84

C.3 Lista de tarjetas instaladas en el PC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

vi

Lista de tablas

3.1 Parametros de la turbina eolica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.2 Parametros de la MIDA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.3 Ganancias del control para la MIDA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.1 Parametros del motor de CD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.2 Ganancias del control para el motor de CD. . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.3 Comparacion de las familias C2000 y C6000. . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

5.1 Lugares que son evaluados por el IIE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

5.2 Arreglos de datos crudos adquiridos por el IIE . . . . . . . . . . . . . . . . 57

5.3 Indices de desempeno IAE e ITAE evaluados numericamente . . . . . . . . 64

5.4 Desviacion estandar para grafica de la Figura 5.2 . . . . . . . . . . . . . . 65

5.5 Desviacion estandar para grafica de la Figura 5.6 . . . . . . . . . . . . . . 67

A.1 Listado para configurar la herramienta RTDX. . . . . . . . . . . . . . . . . 77

B.1 Listado de los dispositivos utilizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

C.1 Tarjetas soportadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

C.2 Version del software utilizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

C.3 Complementos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

vii

viii

Notacion

Letras mayusculas

Ar Area que cubre el rotor eolico

Beq Coeficiente de amortiguamiento equivalente

Bg Coeficiente de amortiguamiento del generador

Br Coeficiente de amortiguamiento del rotor

CO2 Dioxido de carbono

CM Coeficiente de par

CP Coeficiente de potencia

Hz Ciclos por segundo, Hertz

Jg Inercia del generador

Jr Inercia del rotor

Jre Inercia reflejada

Keq Coeficiente de dureza equivalente

Kg Coeficiente de dureza del generador

Kr Coeficiente de dureza del rotor

Lr Inductancia del rotor

Ls Inductancia del estator

ix

Llr Inductancia de dispersion del rotor

Lls Inductancia de dispersion del estator

Lrm Inductancia de magnetizacion del rotor (trifasico)

Lsm Inductancia de magnetizacion del estator (trifasico)

N Razon de la caja de engranajes

P Numero de polos de la maquina

Pent Potencia de entrada

Pn Potencia nominal de la turbina eolica

Pper Perdidas de potencia

Rr Resistencia del rotor

Rs Resistencia del estator

Tg Par generador

Tm Par mecanico

Tr Par del rotor

Tre Par del rotor reflejado

Va Velocidad de arranque de la turbina eolica

Vc Velocidad de corte de la turbina eolica

Vn Velocidad nominal de la turbina eolica

Vrms Tension raız cuadrada media

Vw Velocidad del viento

W Watts

Y Tipo de conexion de la MIDA

x

Letras minusculas

c Salida real

c1. .c6 Coeficientes de potencia

e error en un sistema

ims Corriente de magnetizacion estatorica

kW Kilo Watts

m Metros

n Numero de elementos de un vector

r Salida deseada

rpm Revoluciones por minuto

rr Radio del rotor

s Desviacion estandar

x Elementos de un vector

x Media aritmetica

Letras griegas

β Angulo de inclinacion de las palas

η Eficiencia de las maquinas electricas

θg Posicion del eje del generador9θg Derivada de la posicion del eje del generador

θr Posicion del eje del rotor9θr Derivada de la posicion del eje del rotor

θre Posicion del eje del rotor reflejada9θre Derivada de la posicion del eje del rotor reflejada

λ Razon de velocidad de la punta de la pala al centro de la misma

ρ Densidad del viento

σ Relacion de inductancias

ωg Velocidad en el eje de alta (generador)

9ωg Derivada de la velocidad en el eje de alta (generador)

ωr Velocidad en el eje de baja (rotor)

9ωr Derivada de la velocidad en el eje de baja (rotor)

ωre Velocidad en el eje de baja reflejada

9ωre Derivada de la velocidad en el eje de baja reflejada

xi

Acronimos

ADC Convertidor analogico digital

CCS Code Composer Studio

CD Corriente directa

CENIDET Centro Nacional de Investigacion y Desarrollo Tecnologico

DFIM Maquina de induccion doblemente alimentada

DSC Controlador digital de senales

DSP Procesador digital de senales

FPGA Field Programable Gate Array

GSC Convertidor del lado de la red

HAWT Turbina eolica de eje horizontal

IAE Integral absoluta del error

IIE Instituto de Investigaciones Electricas

ITAE Integral del tiempo por el valor absoluto del error

MCC Modo de conduccion continuo

MCD Modo de conduccion discontinuo

MIDA Maquina de induccion doblemente alimentada

MSC Convertidor del lado de la maquina

PI Control proporcional-integral

PWM Modulador de ancho de pulso

RTDX Real-Time Data Exchange

RTW Real-Time Workshop

TI Texas Instruments

WTE Emulador de turbina eolica

WT Turbina eolica

xii

Capıtulo 1

Introduccion

1.1 Prefacio

El aprovechamiento de la energıa eolica es una tecnologıa que se encuentra en desarrollo y

se esta utilizando ampliamente a nivel mundial, debido a la creciente demanda de energıa

a la red electrica. Lo anterior lleva al estudio de la mejora continua de este tipo de

sistemas de generacion con el fin de obtener el mayor aprovechamiento de ellos, de reducir

la contaminacion y de disminuir la dependencia de los combustibles fosiles.

Para realizar investigacion en sistemas de generacion eolica en un lugar donde no se

cuenta con el recurso natural del viento, es necesario desarrollar un emulador de turbina

eolica (WTE). El desarrollo de un WTE permite realizar pruebas con perfiles de viento

reales ası como la validacion experimental de otros trabajos relacionados con la generacion

de energıa eolica.

Por tanto, este trabajo de tesis describe detalladamente cada una de las etapas que

se desarrollaron para llevar a cabo la implementacion del sistema WTE en el laboratorio

de maquinas electricas de CENIDET.

1.2 Planteamiento del problema

Para el uso masivo de los sistemas de generacion eoloelectrica es importante el estudio

de los sistemas conectados a red. Es deseable que el desarrollo y las pruebas de nuevas

tecnologıas deban realizarse en un sistema aislado y por lo tanto, controlado. En un

1

2 CAPITULO 1. INTRODUCCION

sistema aislado se puede verificar y optimizar la operacion de los subsistemas antes de

realizar pruebas con conexion a la red principal.

De acuerdo a lo planteado anteriormente, en CENIDET surgio la necesidad de de-

sarrollar este tipo de sistema para probar diferentes trabajos relacionados con el control

de maquina de induccion doblemente alimentada (MIDA), la cual forma parte del banco

de pruebas de generacion eoloelectrica.

De este modo en [1] se diseno y construyo un banco de pruebas experimental para

ensayos de recuperacion de energıa en un sistema aislado. El banco esta delimitado por

una MIDA de dos polos, especificada para operar con una tension nominal de 42Vrms entre

terminales y su conexion es en estrella; forma parte del sistema de maquinas electricas del

fabricante DE LORENZO.

El banco de pruebas desarrollado no contaba con un emulador de turbina eolica, por

lo que manualmente se emulaba el comportamiento mediante el uso de una fuente variable

de CD. Este comportamiento tenıa como desventaja que no manejaba perfiles de viento

reales ni se apegaba al funcionamiento real de una turbina.

Aunado a lo anterior, el sistema no tiene la posibilidad de conectarse a la red, debido a

que falta completar el banco de pruebas con un convertidor del lado de la red. Actualmente

en lugar del convertidor se tiene una fuente de CD. La Figura 1.1 presenta el banco de

pruebas desarrollado en [1].

Fuente de

CD

Motor de

CDr MIDA

Carga

resistiva

Convertidor

puente completo

con IBGTsControl

FOC Fuente de

CD

Supersíncrono

Subsíncrono

Figura 1.1: Banco de pruebas desarrollado en [1].

1.3. REVISION DEL ESTADO DEL ARTE 3

1.3 Revision del estado del arte

Existen varios grupos de trabajo dedicados a la investigacion sobre la generacion de energıa

eolica entre los cuales destacan: la Universidad Tecnologica de Delft Holanda [2]-[3], Uni-

versidad Tecnologica de Chemnitz Alemania [4], Universidad de New Brunswick Canada

[5]-[6] y la Universidad de Magallanes Chile [7].

Del mismo modo que el grupo de trabajo formado en CENIDET, los anteriores se

han visto en la necesidad de implementar diferentes tipos de emuladores de turbinas eolicas

para realizar investigacion sobre este tipo de generacion de energıa.

En la literatura que se reviso se presentan las distintas formas de atacar el problema

y las suposiciones hechas por los diferentes grupos de investigacion involucrados. Cabe

apuntar que los artıculos presentados en esta seccion son los de mayor provecho en cuanto

a la informacion extraıda de cada uno de ellos.

En la referencia [2] se presenta un modelo dinamico de una turbina eolica de veloci-

dad variable con un generador doblemente alimentado y un convertidor back-to-back. El

devanado de estator del generador se acopla directamente a la red. El devanado de rotor se

conecta al convertidor back-to-back. El modelo incluye el control de velocidad, control de

grado de inclinacion de las aspas, control de tension en terminales e ignora la dureza y el

amortiguamiento de los ejes. Del sistema descrito anteriormente (Figura 1.2) se obtienen

las ecuaciones (3.2), (3.3) y (3.5) que describen el comportamiento estatico de un rotor

eolico.

ROTOR

Caja de

engranajes

CONVERTIDOR

RED

Máquina de inducción

doblemente

alimentada

Figura 1.2: Sistema desarrollado en la Universidad Tecnologica de Delft.


Como complemento de [2] en la referencia [3] se resuelve el problema de inicializacion

de los sistemas de generacion eolica para simulaciones y se describen tres tipos de estos

sistemas. Uno de los sistemas descritos en la referencia [3] es caso de estudio en este

trabajo de tesis y se desglosa en la seccion 2.3.

En [4] se presenta el modelo estatico y dinamico de una turbina eolica, y su im-

plementacion. De esta referencia se obtienen las ecuaciones (3.1) y (3.5) para la parte

estatica. Se sabe que el modelado de la parte dinamica incluye la inercia de la turbina y

del generador considerando ejes elasticos ası como una caja de engranajes.

Es muy valiosa la aportacion de este trabajo en cuanto a la implementacion se refiere.

Utiliza un motor de CD de excitacion separada operando en su region nominal impulsado

mediante un rectificador trifasico controlado. El esquema de control consta de un lazo

interno de corriente y un lazo externo de velocidad, los controladores son tipo proporcional-

integral (PI). El sistema se implementa en una plataforma del tipo procesador digital de

senales (DSP) de Texas Instruments (TI). La Figura 1.3 presenta el sistema desarrollado

en la Universidad Tecnologica de Chemnitz.

Tω

WV

ESTÁTICO

TM

-

dM

DINÁMICO

Sistema

de 3 masas

Impulsor para

motor de CD

0 5 10 15

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Lambda

Cm

0

40

10

30

20

Figura 1.3: Sistema desarrollado en la Universidad Tecnologica de Chemnitz.

En la referencia [5] se presenta un motor de induccion impulsado mediante un inversor

trifasico para obtener el comportamiento de una turbina eolica. Solo se presentan algunas

ecuaciones estaticas del sistema, tales como (3.1), (3.5) y se enfatiza en el control empleado

para el motor de induccion que es de tipo PI. La implementacion se realiza mediante LAB

Windows y emulan una turbina de 8.5kW , el sistema implementado se presenta en la

Figura 1.4.

1.3. REVISION DEL ESTADO DEL ARTE 5

En [6] se hace enfasis en el algoritmo de control de maxima extraccion de potencia,

el modelado estatico es similar al de los artıculos anteriores pero para la parte dinamica

se considera la inercia de la turbina despreciando la dureza y el amortiguamiento de los

ejes. Este modelo dinamico es similar al utilizado en la implementacion experimental de

este trabajo de tesis, ecuacion (3.12).

Perfil de

viento

Simulador de viento

Demanda de

corriente

Demanda de

frecuencia

Fuente

trifásica

Inversor trifásico

con IGBT

Motor de

inducciónGenerador

Par

Velocidad

Figura 1.4: Sistema desarrollado en la Universidad de New Brunswick.

En la referencia [7] se presentan dos casos: la emulacion de una turbina eolica y la de

una rueda volante, el primer caso es el de interes. Lo que se debe resaltar en este artıculo

es el modelo dinamico ya que considera ambos ejes (turbina y generador); lo anterior es

util para simular el sistema de generacion completo.

En la implementacion utilizan un motor de CD operado en su region nominal impul-

sado mediante un rectificador trifasico controlado. Utiliza un esquema de control con un

lazo interno de corriente y un lazo externo de velocidad, los controladores son tipo PI.

El prototipo se implementa en un sistema microprocesador y se comparan los resul-

tados con simulaciones hechas en MATLAB/SIMULINK (Figura 1.5).

Un ultimo documento que se considera fuertemente para el modelo dinamico del tren

de engranajes es la tesis [8] de donde se deduce la ecuacion (3.11) que se utiliza para la

simulacion del sistema de generacion completo.

Otras fuentes de informacion importantes y que complementan el desarrollo de este

trabajo de tesis son las referencias basicas [9],[10].


Interfase

con cliente

Algoritmo

de controlPWM

Entrada

Salida

A/D y D/A

Sistema basado en microprocesador

Tarjeta para

interfase de

velocidad

Control de

velocidad para

motor de CD

Tarjeta para

interfase PWM

A/D

Convertidor

D/A

3∅

ωr

Máquina de

CD

Máquina de

Inducción

ECD

Va,Vb,Vc

ia ib E V1IL

V2

Figura 1.5: Sistema desarrollado en la Universidad de Magallanes.

1.4 Objetivos

1.4.1 Objetivo general

Desarrollar un emulador de turbina eolica que permita reproducir el comportamiento de

una turbina ante perfiles de viento reales.

1.4.2 Objetivos particulares

1. Realizar la revision del estado del arte mediante la cual se conozcan y analicen las

diferentes alternativas de solucion en emuladores de turbinas eolicas.

2. Proponer una alternativa de solucion mediante la cual se puedan satisfacer los re-

querimientos del sistema para el estudio de la recuperacion de energıa.

3. Realizar el analisis de la solucion propuesta.

4. Validar experimentalmente la solucion propuesta.

1.5. PROPUESTA DE SOLUCION 7

1.5 Propuesta de solucion

Se propone disenar e implementar experimentalmente un emulador de turbina eolica con

un motor de corriente directa (CD) controlado a traves de dos convertidores tipo troceador.

El emulador complementara el banco de pruebas para generacion electrica existente basado

en la maquina de induccion doblemente alimentada (MIDA). El esquema del sistema pro-

puesto se presenta en la Figura 1.6.

Perfiles de

viento

Modelo de

turbina

eólica

Control

Pulsador

clase A

Motor de

CD

Emulador de turbina

rDFIG

Carga

resistiva

Convertidor

puente completo

con IBGTsControl

FOC Fuente de

CD

Supersíncrono

Subsíncrono

Fuente de

CD

Figura 1.6: Banco de pruebas para generacion eoloelectrica.

De acuerdo a lo que se reviso en la literatura se propuso la metodologıa a seguir para

llevar a cabo el trabajo de tesis y se presenta a continuacion:

1. Revision del estado del arte.

2. Estudio del modelo del sistema mecanico.

3. Obtencion de las mediciones anemometricas.

4. Estudio del funcionamiento y control del motor de CD.

5. Caracterizacion del motor de CD.

6. Acoplamiento mecanico del motor de CD con la MIDA.

7. Seleccion y diseno del propulsor para el motor de CD.

8. Estudio de la construccion y funcionamiento del banco de pruebas.


9. Implementacion del modelo de la turbina eolica al modelo existente del sistema

completo de generacion electrica y simulaciones con diferentes perfiles de viento.

10. Estudio de la plataforma controlador digital de senales (DSC).

11. Implementacion experimental del modulo emulador de turbina eolica en el banco de

pruebas actual.

12. Analisis de resultados y conclusiones.

1.6 Aportacion y alcances del trabajo

El desarrollo de este trabajo tiene como aportacion principal completar el banco de pruebas

existente en CENIDET, lo que permitira realizar pruebas con perfiles de viento reales y

la validacion experimental de otros trabajos de investigacion.

El alcance del trabajo de tesis desarrollado se enlista en los siguientes puntos:

modelo de un sistema completo de generacion electrica incluyendo el emulador de

turbina eolica en el software de simulacion MATLAB/SIMULINK

ampliacion del banco de pruebas experimental incluyendo un motor de CD de sufi-

ciente potencia, por lo menos el doble de la potencia nominal de la MIDA (300W )

la potencia total del sistema de generacion queda limitada por la MIDA

se modela una turbina eolica de velocidad variable de eje horizontal (HAWT por sus

siglas en ingles Horizontal Axis Wind Turbine)

1.7 Organizacion del documento

Este documento esta constituido por 6 capıtulos, organizados de la siguiente manera:

En el Capıtulo 2 se define cada una de las partes que conforman un sistema de

generacion de energıa eolica. Lo anterior dara una perspectiva general del sistema

completo y permitira identificar cada una de las partes que se deberan modelar e

implementar para obtener un sistema emulador de turbina eolica.

1.7. ORGANIZACION DEL DOCUMENTO 9

En el Capıtulo 3 se describe detalladamente el modelo del sistema emulador de

turbina ası como el resultado de la simulacion del mismo. Tambien se presenta el

modelo y la simulacion del sistema de generacion de energıa eolica (carga resistiva,

generador, convertidor del lado de la maquina, turbina eolica y el control respectivo).

En el Capıtulo 4 se presenta el desarrollo que se lleva a cabo para implementar el

sistema emulador en el laboratorio, ası como cada una de las etapas que se requirieron

para el desarrollo del mismo.

En el Capıtulo 5 se muestran y comentan los resultados experimentales del sistema

emulador de turbina llevados a cabo en el laboratorio de maquinas electricas.

En el Capıtulo 6 se dan las conclusiones de la tesis y los trabajos futuros propuestos.


Capıtulo 2

Sistema de generacion de energıa eolica

2.1 Perspectiva historica

La energıa eolica se ha aprovechado desde tiempos muy remotos, tal vez desde el siglo

X, en aplicaciones tan variadas como propulsion de navıos, molinos, sistemas de bombeo

de agua, etc. Sin embargo, el uso de la energıa eolica para generar electricidad es mas

reciente, apareciendo a finales del siglo XIX, cuando se disenaban sistemas de operacion

a velocidad variable produciendo corriente continua, utilizada para cargar baterıas o para

suministrar energıa a lugares remotos y aislados.

Ya en la decada de los 30’s, la corriente alterna se impuso sobre la corriente directa

como forma de distribucion de energıa. El uso de la corriente alterna origino el estableci-

miento de una normalizacion para definir la tension y frecuencia de distribucion. Una vez

que se fijo una frecuencia de distribucion electrica, los sistemas de generacion de energıa

eolica fueron disenados para operar a velocidad constante permitiendo su conexion directa

a la red principal.

Estos primeros sistemas de generacion eran sencillos y bastante estables en su ope-

racion, sin embargo en casos de fallas simplemente eran desconectados de la red. Con el

aumento del numero de los sistemas de generacion eolicos conectados a la red, se torno poco

practica la desconexion ante fallas, forzando la busqueda de nuevos disenos que lograran

estabilizar la red en caso de falla. Este panorama impulso el desarrollo de nuevos sistemas

que permitieran mayor control [11].

11

12 CAPITULO 2. SISTEMA DE GENERACION DE ENERGIA EOLICA

A mitad de los 70’s surgen los primeros sistemas de generacion de energıa eolica con

operacion a velocidad variable produciendo tension a frecuencia constante. Los sistemas

construidos presentan ciertas ventajas sobre los de velocidad constante, por ejemplo una

mayor generacion electrica a mayor velocidad [11].

2.1.1 Ventajas de la energıa eolica

Es una energıa renovable, ya que no se gasta o tarda poco tiempo en volver a re-

generarse.

Es una energıa limpia ya que no requiere una combustion que produzca dioxido de

carbono (CO2), y no produce emisiones atmosfericas ni residuos contaminantes.

Si bien no en todos los lugares puede ser utilizada como unica fuente de energıa

electrica, su inclusion en un sistema inter-conectado permite, cuando las condiciones

del viento son adecuadas, ahorrar combustible en las centrales termicas o agua en

los embalses de las centrales hidroelectricas.

Puede colocarse en espacios no aptos para otros fines, por ejemplo en zonas deserticas,

proximas a la costa, en laderas aridas y muy empinadas para ser cultivables.

Dado que las turbinas eolicas actuales son de baja velocidad de rotacion, el problema

de choque con las aves se esta reduciendo.

Crea puestos de trabajo en las zonas en las que se construye y en las plantas de

ensamblaje.

La energıa eolica es una fuerte alternativa al cambio climatico ya que no produce

efecto invernadero.

Su utilizacion combinada con otros tipos de energıa, habitualmente la solar, permiten

la auto-alimentacion de viviendas, terminando ası con la necesidad de conectarse a

distintas redes de suministro [10]-[12].

2.2. ESTRUCTURA GENERAL DE UNA TURBINA EOLICA 13

2.1.2 Inconvenientes de la energıa eolica

A pesar de las ventajas senaladas anteriormente, la energıa eolica esta entrando en una

fase de fuerte cuestionamiento por parte de medios ecologistas que sostienen diferentes

razones:

Los lugares mas apropiados para su instalacion suelen coincidir con las rutas de las

aves migratorias, o zonas donde las aves aprovechan vientos de ladera, lo que hace

que entren en conflicto las turbinas eolicas con aves y murcielagos. Afortunadamente

los niveles de mortandad son muy bajos en comparacion con otras causas como

por ejemplo los atropellos. Sin embargo, expertos independientes aseguran que la

mortandad es alta.

Cuando se instalan en zonas elevadas o montanosas, es necesario construir caminos

y realizar desmontes, destruyendo ası la vegetacion natural y originando problemas

erosivos.

Necesita del apoyo de centrales movidas por otros tipos de energıa para estabilizar

su produccion, que sigue las rachas de viento y produce caos en la red de distribucion

nacional. Este apoyo se necesita 24 horas al dıa, y produce mas gases invernaderos

al subir y bajar la produccion de las centrales termicas en cada minuto.

Producen el llamado efecto discoteca: este efecto aparece cuando el sol esta por

detras de las turbinas y las sombras de las aspas se proyectan con regularidad sobre

los jardines y las ventanas, parpadeando de tal modo que la gente denomino este

fenomeno: “efecto discoteca”. Esto, unido al ruido, puede llevar a la gente hasta un

alto nivel de estres, con efectos de consideracion para la salud [10]-[12].

2.2 Estructura general de una turbina eolica

Una turbina eolica es una maquina que convierte la energıa del viento en electricidad. Ası

como los generadores electricos, las turbinas eolicas se conectan a algunas redes electricas.

Estas redes abarcan circuitos para carga de baterıas, sistemas de potencia residenciales,

sistemas aislados y extensas redes de servicio. Una turbina eolica tıpica conectada a la

red se presenta en la Figura 2.1.


Figura 2.1: Turbina eolica real.

Dirección del

Viento

Dirección del

Viento

Barlovento Sotavento

Figura 2.2: Configuraciones de los rotores HAWT.

Para entender la operacion de las turbinas eolicas es conveniente considerar breve-

mente algunos aspectos fundamentales de su operacion. En las turbinas eolicas modernas,

el proceso de conversion utiliza la fuerza aerodinamica de sustentacion para producir un

par neto positivo en un eje giratorio, resultando primeramente la produccion de potencia

mecanica y posteriormente la transformacion en electricidad mediante un generador.

Actualmente, el diseno mas comun de una turbina eolica, y el unico discutido a

detalle en esta tesis, es la HAWT, donde el eje de rotacion es paralelo al suelo. Los rotores

de las HAWT se clasifican comunmente de acuerdo a la orientacion del rotor (barlovento

o sotavento), diseno de buje (rıgido o flexible), control del rotor (angulo de inclinacion

o perdida de sustentacion), numero de palas (comunmente dos o tres palas), y como se

encuentran alineadas con el viento (orientacion de curso libre o activa). La Figura 2.2

muestra las configuraciones de los rotores HAWT de acuerdo a la orientacion del rotor

(barlovento y sotavento) [9].

Los componentes principales de una HAWT tıpica se presentan en la Figura 2.3 y se

enlistan en los siguientes puntos:

El rotor, que consiste en las palas y el buje que las soporta.

El tren de impulsion, esta formado por las partes giratorias de la turbina eolica (ex-

clusivas del rotor); tıpicamente formada por ejes, caja de engranajes, acoplamientos,

freno mecanico y el generador.

La gondola y el bastidor principal, alojan la turbina eolica y el sistema de orientacion.


La torre y la cimentacion.

El control de la maquina.

La estabilizacion del sistema electrico, el cual comprende: cables, dispositivo de

regulacion, transformadores y convertidores electronicos de potencia.

Cimentación

Torre

Buje

Bastidor principal

Estabilización

del sistema

eléctrico

Rotor

Control

GeneradorTren de

impulsión

Cubierta de la

góndola

Figura 2.3: Componentes principales de una HAWT.

A continuacion se presenta una breve introduccion y un vistazo general de algunos

de los componentes mas importantes. En las secciones posteriores se describe a detalle

cada uno de los componentes considerados para el desarrollo de esta tesis.

2.2.1 Rotor

El rotor esta formado por el buje y las palas, y es considerado uno de los componentes

mas importantes de una turbina eolica desde el punto de vista del desempeno y costo

total. La mayorıa de las turbinas hoy en dıa son de rotor a barlovento con tres palas. Hay

algunos rotores a sotavento y muy pocos disenos a dos palas. Las turbinas de una pala se

construıan en el pasado y no se encuentran actualmente en produccion. La mayorıa de las

turbinas de tamano intermedio, especialmente las de Dinamarca, han utilizado el control

por perdida de sustentacion y el angulo de inclinacion fijo.

Un numero considerable de fabricantes en los Estados Unidos ha utilizado el control

por angulo de inclinacion y existe una tendencia que apunta hacia el incremento por el

uso del control por angulo de inclinacion, especialmente en turbinas grandes [9].


2.2.2 Tren de impulsion

Las partes giratorias de una turbina eolica forman el tren de impulsion, comunmente por

un eje de baja velocidad (lado del rotor), una caja de engranajes y un eje de alta velocidad

(lado del generador). Otros componentes del tren de impulsion son los rodamientos, uno

o mas acoplamientos, un freno y las partes giratorias del generador.

El proposito de la caja de engranajes es aumentar la razon de velocidad de giro del

rotor, que es de un valor bajo (decenas de rpm), a una velocidad adecuada para operar un

generador estandar (cientos o miles de rpm). Algunas turbinas eolicas utilizan generadores

de baja velocidad, que son disenados especialmente para que no requieran ninguna caja

de engranajes.

2.2.3 Generador

Casi todas las turbinas eolicas utilizan generadores sıncronos o de induccion. Ambos

disenos operan a una velocidad giratoria constante o casi constante cuando el generador

esta conectado directamente a la red de servicio.

La mayorıa de las turbinas eolicas instaladas en aplicaciones conectadas a red utilizan

generadores de induccion. Un generador de induccion opera dentro de un estrecho lımite

de velocidad ligeramente mayor que su velocidad sıncrona (un generador de cuatro polos

operando en una red de 60 Hz tiene una velocidad sıncrona de 1800 rpm). La ventaja

principal es que son robustos, baratos y faciles de conectar a una red electrica.

Una alternativa para la generacion de energıa electrica involucra el uso de una turbina

eolica de velocidad variable (es el tipo de turbina que se emula en esta tesis). Son nu-

merosos los beneficios que ofrece este sistema, incluyendo la reduccion del desgaste y la

posibilidad de operar la turbina eolica a su maxima eficiencia a diferentes velocidades del

viento, obteniendo como resultado un incremento en la captura de energıa. Aunque hay

un gran numero de opciones de hardware para la operacion a velocidad variable, se utilizan

opciones de electronica de potencia en la mayorıa de las maquinas actualmente disenadas,

lo que permite que los generadores sıncronos o de induccion puedan operar a velocidad

variable cuando se utilizan convertidores de potencia adecuados [9].


2.2.4 Gondola y sistema de orientacion

Esta etapa aloja a la turbina eolica, al bastidor principal y al sistema de orientacion. El

bastidor principal facilita el montaje y la alineacion apropiada de los componentes del

tren de impulsion. La cubierta de la gondola protege el contenido de las condiciones

climatologicas.

El sistema de orientacion se requiere para mantener el eje del rotor alineado apropia-

damente con la direccion del viento, la pieza principal es un rodamiento grande que conecta

el bastidor principal con la torre. Se utiliza generalmente un sistema de orientacion activo

para turbinas eolicas a barlovento, contiene uno o mas motores, este mecanismo se alinea

automaticamente mediante un sensor que determina la direccion del viento y se encuentra

montado en la gondola. En algunas ocasiones existen frenos en este tipo de disenos para

mantener la gondola en posicion. Los sistemas de orientacion libres (se auto alinean con

el viento) se utilizan comunmente en turbinas eolicas con rotor a sotavento.

2.2.5 Torre y cimentacion

Actualmente los principales disenos de torres son del tipo auto soportada utilizando tubos

de acero y de concreto, la altura de la torre es normalmente de 1 a 1.5 veces el diametro

del rotor, pero en cualquier caso debe tener al menos 20m. Para la seleccion de la torre son

de gran importancia las caracterısticas del sitio, la dureza de la torre es el factor que mas

influye en la dinamica de la turbina1, debido a la posibilidad de que se acoplen vibraciones

entre la torre y el rotor.

Para turbinas eolicas con rotor a sotavento debe considerarse el efecto sombra que

produce la torre ya que genera fluctuaciones de energıa y de ruido. Debido al efecto sombra

que produce la torre, las turbinas con rotor a sotavento son mas ruidosas que las de rotor

a barlovento [9].

2.2.6 Controles

El sistema de control para una turbina eolica es muy importante con respecto a la operacion

de la maquina y a la produccion de energıa. Un sistema de control de una turbina eolica

contiene los siguientes componentes:

1La dinamica de la turbina se refiere a la accion de fuerzas a la que se somete el sistema mencionado,cuyas variables que influyen son la inercia, coeficiente de friccion y dureza del sistema.


Sensores – velocidad, posicion, flujo, temperatura, corriente, voltaje, etc.

Controladores – mecanismos mecanicos, circuitos electricos y computadoras

Amplificadores de potencia – interruptores, amplificadores electricos, bombas hidraulicas

y valvulas

Actuadores – motores, pistones, magnetos y solenoides [9].

2.3 Estructura del sistema implementado

Con el desarrollo de la seccion anterior se obtiene un panorama general de las partes prin-

cipales que forman una turbina eolica real (Figura 2.1). Sin embargo, no necesariamente

se implementa cada una de las etapas definidas anteriormente en el sistema a desarrollar.

En esta seccion se presenta la estructura del sistema implementado, donde se incluyen

las partes que se consideran para llevar a cabo el desarrollo de dos de las metas de principal

importancia en este trabajo de tesis:

la implementacion en simulacion del modelo del sistema completo de generacion

electrica, incluyendo el emulador de turbina eolica en MATLAB/SIMULINK, y el

desarrollo de

un emulador de turbina eolica que permita reproducir el comportamiento de una

turbina ante perfiles de viento reales.

Tanto para llevar a cabo la implementacion en simulacion como experimentalmente,

se debe desarrollar un modelo matematico que represente el comportamiento del sistema

real. El sistema real que se toma como base para este trabajo de tesis se desarrollo

en CENIDET y se encuentra en la referencia [1], donde se implementa experimental-

mente un sistema de generacion de energıa electrica para aplicaciones aisladas. El modelo

matematico del sistema desarrollado en [1] se encuentra implementado en el software de

simulacion PSpice.

Debido a su robustez y a las caracterısticas de esta tesis el software elegido es MAT-

LAB/SIMULINK. Por lo tanto, se cambio el modelo del sistema de generacion electrica

realizado en PSpice a MATLAB/SIMULINK, para poder acoplar ambos modelos (turbina

eolica y sistema de generacion de energıa).

2.3. ESTRUCTURA DEL SISTEMA IMPLEMENTADO 19

En la Figura 2.4 se presenta un diagrama a bloques de los sistemas acoplados; se

incluye la turbina eolica y el sistema de generacion de energıa electrica desarrollado en [1].

Posteriormente se presenta una lista con la descripcion de cada bloque, comentandose las

caracterısticas principales de cada uno de ellos.

Implementación

experimental (Emulador)

Implementación en simulación

RotorTren de

impulsiónGenerador

Convertidor del

lado de la máquinaControl

Carga

Figura 2.4: Diagrama de bloques del sistema de generacion de energıa eolica.

ROTOR – Este modelo representa las caracterısticas estaticas del rotor y se utiliza

para la implementacion tanto en simulacion como experimental; contempla un rotor de

tres palas e incluye la posibilidad de controlar el angulo de inclinacion de las mismas.

Consta de tres entradas, velocidad del viento (Vw), velocidad del rotor (ωr) y el angulo

de inclinacion (β) de las palas, que permanece fijo en este caso; como salida se obtiene

un par rotor (Tr). Las ecuaciones que describen la caracterısticas estaticas del rotor son

las siguientes: (3.1), (3.2), (3.3), (3.4) y (3.5). En esta tesis tambien se le conoce como

modelo estatico, y se presenta a detalle en la seccion 3.3.1.

TREN DE IMPULSION – El modelo del tren de impulsion se encuentra for-

mado por un eje de baja velocidad, una caja de engranajes, un eje de alta velocidad, la

dinamica de la turbina eolica y la dinamica del generador. Consta de dos entradas, el par

mecanico del rotor (Tr) proveniente del modelo estatico y par mecanico del generador (Tg)

proveniente del modelo del generador. Consta de dos salidas, velocidad en el eje de alta

(ωg) y velocidad en el eje de baja (ωr).

En esta tesis tambien se le conoce como modelo dinamico, se presenta a detalle en

la seccion 3.3.2, la ecuacion (3.11) representa el comportamiento del tren de impulsion,

utilizado para la implementacion en simulacion. Para la implementacion experimental se

utiliza la ecuacion (3.12) que se deriva de la ecuacion (3.11), omitiendo la dinamica del

generador.

GENERADOR – El tipo de maquina utilizada es una MIDA de dos polos, es-


pecificada para operar con una tension nominal de 42Vrms entre terminales y su conexion

es en “Y”; forma parte del sistema de maquinas electricas DE LORENZO. La MIDA se

encuentra disponible en el laboratorio de maquina electricas de CENIDET. En esta tesis

no se desarrolla el modelo de la MIDA2, ni se aborda a detalle ya que solo se implementa el

modelo en otra plataforma de simulacion. Sin embargo, en el disco adjunto a esta tesis se

incluye el programa desarrollado en MATLAB/SIMULINK donde se encuentra la funcion

S del modelo de la MIDA.

CONVERTIDOR DEL LADO DE LA MAQUINA – En un sistema de

generacion electrica de velocidad variable y frecuencia constante como el caso abordado

en esta tesis, el estator suele estar conectado a la red o a alguna carga aislada, mientras

que el rotor lo hace a traves de un convertidor electronico de potencia de cuatro cuadrantes

[13]. Unicamente se modela el convertidor del lado de la maquina (MSC) ya que el banco

de pruebas se encuentra incompleto, faltando el convertidor del lado de la red (GSC). El

modelo del convertidor se desarrolla con interruptores ideales (MSC) y solo se implementa

en simulacion.

CONTROL – El bloque de la Figura 2.4, correspondiente al controlador del MSC,

es el encargado de generar las senales de tension y frecuencia adecuadas en el circuito del

rotor, para mantener constante la tension y la frecuencia en el circuito del estator. Como

no es objetivo de esta tesis el control de la MIDA, se implementa un controlador sencillo

tipo PI empleando el metodo de sintonizacion lugar de las raıces; cabe apuntar que el

controlador se implementa unicamente en simulacion.

CARGA – Como se trata de una aplicacion aislada el modelo de la carga es del tipo

puramente resistivo de un valor fijo, trifasico y unicamente se implementa en simulacion.

2.4 Principio de funcionamiento de una turbina eolica

Las turbinas eolicas son dispositivos que convierten la energıa cinetica del viento en energıa

mecanica. La captacion de la energıa se produce mediante la accion del viento sobre las

palas. El principio aerodinamico por el cual el conjunto de palas gira, es similar al que

hace que los aviones vuelen. Segun este principio, el aire es obligado a fluir por las caras

superior e inferior de un perfil inclinado, generando una diferencia de presiones entre ambas

caras, y dando origen a una fuerza resultante que actua sobre el perfil.

2El modelo matematico ası como detalles de la MIDA se encuentran en la tesis [1].

2.4. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UNA TURBINA EOLICA 21

Si descomponemos esta fuerza en dos direcciones obtendremos:

Fuerza de sustentacion, o simplemente sustentacion de direccion perpendicular al

viento.

Fuerza de arrastre, de direccion paralela al viento.

Segun como esten montadas las palas con respecto al viento y al eje de rotacion, la

fuerza que producira el par motor sera dominante de arrastre o de sustentacion. Con ex-

cepcion de las turbinas de eje vertical, hoy en todas las turbinas eolicas la fuerza dominante

es la de sustentacion, pues permite obtener, con menor peso y coste, mayores potencias

por unidad de area de rotor, la Figura 2.5 describe lo antedicho.

Fuerza de

arrastre

Fuerza de

sustentación

Flujo del

viento

Figura 2.5: Fuerza de sustentacion y fuerza de arrastre.

Para que una turbina eolica arranque se necesita de un valor mınimo del viento

para vencer los rozamientos y comenzar a producir trabajo util. A este valor mınimo se

le denomina velocidad de conexion o de arranque, sin la cual no es posible arrancar una

turbina (esta velocidad esta comprendida entre 3-5 ms). A partir de este punto empezara

a rotar convirtiendo la energıa cinetica en mecanica, ocurriendo de esta forma hasta que

alcance la potencia nominal, generalmente la maxima que puede entregar.

Una vez en la region de operacion, los mecanismos activos o pasivos de regulacion

empiezan a actuar para evitar que la maquina trabaje bajo condiciones para las que no

fue disenada. Aunque continue operando a velocidades mayores, la potencia que entrega

no sera diferente a la nominal, y esto se producira hasta que alcance la velocidad de corte,

donde, por razones de seguridad, se detiene (esta velocidad se considera a partir de 25

ms) [9]-[12].


Capıtulo 3

Modelado del sistema y

resultados de simulacion

3.1 Introduccion: modelado y simulacion

El modelado y la simulacion son procedimientos inseparables que incluyen actividades

complejas, asociadas con la construccion de modelos que representan procesos reales y

con la experimentacion de los modelos para obtener datos del comportamiento del sistema

que se modela. Ası, el modelado trata principalmente las relaciones entre los procesos

dinamicos reales y sus modelos; la simulacion se refiere a todas las relaciones entre el

modelo y la herramienta de simulacion.

En la actualidad el enfoque del modelado y la simulacion ha ido en aumento inevi-

tablemente, esto para resolver diferentes tipos de problemas practicos. Los modelos

matematicos de sistemas dinamicos y las simulaciones en computadora encuentran apli-

cacion en areas tecnicas y no tecnicas tan diversas como ingenierıa, economıa, medicina,

ecologıa y algunas ciencias sociales. El proposito de estudiar sistemas mediante el en-

foque del modelado y la simulacion tiene como objetivo llevar a cabo diferentes metas

sin la necesidad de construir u operar procesos reales [14]. Algunas de las metas son las

siguientes:

aumentar la comprension de algunos mecanismos en el proceso estudiado

predecir el comportamiento del sistema en diferentes situaciones donde cualquier

nivel de prediccion representa un beneficio

23

24 CAPITULO 3. MODELADO DEL SISTEMA Y RESULTADOS DE SIMULACION

permitir el diseno y evaluacion de sistemas de control compuestos

estimar aquellas variables de proceso las cuales no son medibles directamente

probar la sensibilidad de los parametros del sistema

optimizar el comportamiento del sistema

permitir diagnostico de fallas eficiente

hacer posible la exploracion de tales situaciones que en el sistema real serıa arries-

gado, problematico o caro y ası lograr un entrenamiento al operador seguro y barato

verificar modelos obtenidos de algun otro modo.

Aunque existe una variedad de tecnicas de modelado y de herramientas de simulacion,

ni la computadora ni el modelo pueden reemplazar completamente las decisiones humanas,

los criterios, la intuicion y la experiencia las cuales siguen jugando un papel significante

determinando la validacion y utilidad de modelos para aplicaciones practicas.

3.2 Tipos de modelos y conceptos de validacion

Los modelos pueden ser divididos en varios tipos; en esta seccion se presentara brevemente

una de la posibles clasificaciones: modelos fısicos, mentales y simbolicos. Ademas, se

comentaran algunos metodos para verificar o validar los mismos. Lo anterior tiene como

objetivo identificar donde se encuentra clasificado el modelo que se implementa en esta

tesis y verificar su validez [14].

3.2.1 Modelos fısicos

Estos modelos representan a los sistemas fısicos; su construccion a menudo es costosa,

consume tiempo y es poco practica. Los modelos fısicos que tienen caracter estatico pueden

ser cualquier modelo-escalado (modelo en pequena escala de autos, edificios, barcos, etc.)

o modelos artificiales (estructuras moleculares, munecas, caricaturas, etc.).

Aquellos con caracter dinamico son divididos en modelos analogos - el sistema mode-

lado sera representado con la ayuda de la analogıa correspondiente, la cual probablemente

es adecuada por varias razones (por ejemplo, ratas o monos representan un tipo de modelo

3.2. TIPOS DE MODELOS Y CONCEPTOS DE VALIDACION 25

analogo de humanos en las pruebas de nuevas drogas); y prototipos - copias en pequena

escala de sistemas reales, laboratorios y plantas piloto de diferentes procesos industriales,

sistemas de lıneas ferroviarias en miniatura, etc.

3.2.2 Modelos mentales

Estos tipos de modelos tienen caracterısticas intuitivas y existen unicamente en la mente

humana. Son poco claros, imprecisos y problematicos para la comunicacion. Las experien-

cias humanas acumuladas representan a los modelos mentales que apoyan la planeacion y

decision manufacturando procesos. Los puntos de vista personales de un objeto o de un

evento se pueden basar tanto en un modelo mental como en la capacidad humana para

interpretar funcionamientos, etc.

3.2.3 Modelos simbolicos

Los modelos simbolicos son menos problematicos de manipular y construir que los fısicos,

adicionalmente pueden dividirse en matematicos y no-matematicos. El ultimo mencionado

puede ser linguıstico (descripcion de eventos verbal o escrita, experiencias, escenas, etc.);

grafico (pinturas, fotografıas, dibujos); o esquematicos (diagramas de flujo, mapas, dia-

gramas de red, etc.). La propiedad comun de este tipo modelos es con frecuencia la

problematica para obtener informacion precisa de ellos, particularmente de los expresados

verbalmente.

Por varias razones los modelos matematicos son los mas importantes y la categorıa

mas ampliamente utilizada. Son concisos, claros y se interpretan facilmente; ademas, la

manipulacion y la evaluacion de diferentes alternativas es relativamente barata.

Un modelo matematico puede definirse como el mapeo de relaciones entre las varia-

bles fısicas del sistema que sera modelado en la estructura matematica correspondiente.

Cuando tales relaciones estan determinadas unicamente para el estado estable, el modelo

tiene caracter estatico y se describe con ecuaciones algebraicas. Por otro lado, los modelos

matematicos dinamicos incluyen el comportamiento del transitorio ası como del estado

estable del sistema y son descritos por un sistema de ecuaciones diferenciales (de varios

tipos) y por una serie de condiciones de operacion [14].


3.2.4 Conceptos de validacion

Antes de asegurar o afirmar decisiones acerca de la version final del modelo del sistema a

simular y antes de comenzar con la experimentacion, deben realizarse los procedimientos

de verificacion y validacion de modelos.

El termino “validacion” es el interesado en demostrar que el modelo es una repre-

sentacion adecuada de la realidad, mientras que el termino “verificacion” se relaciona

con la comprobacion de la consistencia del diseno (precision y exactitud del modelado y

metodologıas de solucion, algoritmos, programas de computadora, etc.). Es decir, se desea

probar que el modelo trabaja como se ha pensado.

Como el sistema real nunca es completamente conocido y el modelo nunca es una

representacion exacta del sistema real, la validacion puede aproximarse pero nunca lograrse

con exactitud. Un modelo no tiene valor hasta que se juzgue valido, excepto quizas, siem-

pre que ayude a mejorar la comprension del sistema que sera modelado. Se ha prestado

muy poca atencion a la validacion, la cual es mas problematica comparada con la verifi-

cacion.

Se tratara de explicar el metodo para validacion de modelos para el cual no existe

un procedimiento sistematico o inclusive un algoritmo. Una gran mayorıa de la gente

dedicada a modelar sistemas no esta interesada en acercarse a la realidad bajo ningun

precio, mas bien, prefieren desarrollar y validar modelos practicos a un precio razonable y

dentro de lımites de tiempo aceptables.

Aunque anteriormente se daba muy poca importancia a la validacion, varios modelos

relativamente buenos fueron desarrollados e implementados en el pasado (especialmente

en las ciencias de la ingenierıa). Ası pues, el objetivo de la validacion debe inclinarse mas

hacia establecer el grado de confianza para demostrar que tan atinadamente el modelo

representa el sistema real. En este sentido, debe considerarse lo siguiente:

Validez de conceptos – En el enfoque racionalista, se acepta que el modelo es un

conjunto de deducciones logicas de una serie de teoremas o axiomas cuyas afirma-

ciones son incuestionables, y en este sentido la validacion se concentra en cuestionar

las suposiciones basicas en las cuales se basa el modelo. Por otro lado, el enfoque

empırico declina el aceptar cualquier axioma o teorema, y la validacion involucra la

coleccion de evidencia empırica para soportar los postulados o suposiciones [14].

3.3. MODELO DE LA TURBINA 27

Validez de metodologıa – Aquı se examina la justificacion de la metodologıa em-

pleada en la formulacion del modelo y la solucion del problema (aproximacion de un

problema no-lineal mediante metodos lineales, representacion de sistemas continuos

por su equivalente en discreto, uso inapropiado de metodos computacionales, etc.).

Es obvio que con la metodologıa equivocada puede conducir a soluciones absurdas.

Validez de datos – Los datos pueden ser de valor cuestionable por varias razones y

deben admitirse ası antes de concluir cualquier cosa. Los datos pueden ser defec-

tuosos como consecuencia de errores de observacion, errores de calibracion, interpo-

lacion/extrapolacion, estimacion inapropiada de parametros, etc.

Validez de resultados – Aquı juegan un papel importante el grado de ajuste entre

la respuesta del modelo y los resultados teoricos o los datos medidos. El grado

de ajuste se obtiene usando metodos estadısticos tales como analisis de variacion,

regresion, analisis espectral, etc; lo cual brinda datos utiles para la interpretacion de

los resultados.

Validez de inferencia – La validez de inferencia trata un modelo como valido cuando

la conclusion del estudio realizado por diferentes personas relacionadas con el tema

es la misma [14].

En la siguiente seccion se presentaran el modelo estatico y dinamico de la turbina

y algunos resultados en simulacion. De acuerdo a lo mencionado en la seccion anterior

se puede ubicar el modelo que se desarrolla en esta tesis, que es del tipo matematico,

dentro de los modelos simbolicos. El criterio que se aplica para asegurar que el modelo

desarrollado en esta tesis es valido es el de validez de inferencia.

3.3 Modelo de la turbina

El modelo de la turbina eolica se divide principalmente en dos partes. La primera parte

es el modelo estatico de la turbina, que incluye la curva de potencia, el par desarrollado,

etc. Las entradas para este modelo son la velocidad del viento Vw, la velocidad angular

del eje de baja ωr y el angulo de inclinacion de las palas β, que en este caso permanece

fijo, mientras que la salida es el par rotor generado Tr.

La segunda parte es el modelo dinamico de la turbina, que incluye la inercia, el

amortiguamiento y la dureza, tanto de la turbina como del generador, el eje de baja


velocidad, el eje de alta velocidad y la caja de engranajes. Las entradas para este modelo

son el par rotor generado Tr y el par generador Tg mientras que la salidas son la velocidad

en el eje de baja ωr y la velocidad en el eje de alta ωg.

3.3.1 Modelo estatico

Las ecuaciones que representan el comportamiento estatico del rotor eolico se enlistan a

continuacion. La ecuacion (3.1) define la razon de la velocidad de la punta de la pala al

centro de la misma. Donde rr es el radio del rotor en metros (m), ωr es la velocidad del

rotor en el eje de baja velocidad en (rads) y Vw la velocidad del viento en (ms).

λ rrωrVw

(3.1)

La potencia del viento extraıda de un rotor eolico se ve limitada por su diseno

aerodinamico. La curva de potencia se define por medio de las ecuaciones (3.2) y (3.3), en

las que CP es el coeficiente de potencia y β el angulo de inclinacion de las palas del rotor

eolico. c1, c2, c3, c4, c5 y c6 son los coeficientes de potencia dependientes del diseno de cada

rotor eolico. La Figura 3.1 presenta la curva de potencia de la turbina eolica CP , contra

la razon de velocidad de la punta de la pala al centro de la misma λ, para varios valores

del angulo de inclinacion de las palas β.

CP pλ, βq c1

c2

λi c3β c4

ec5λi c6λ (3.2)

1

λi 1

λ 0.08λ 0.035

β3 1(3.3)

El coeficiente de par se define mediante la ecuacion (3.4), definicion necesaria para

determinar el par mecanico desarrollado por la turbina eolica y que esta definido por la

ecuacion (3.5). Donde ρ es la densidad del viento en (kgm3) y Ar es el area que cubre el

rotor eolico en (m2) [2]-[7].

CM CPλ

(3.4)

Tm 1

2ρArrrV

2wCM (3.5)

3.3. MODELO DE LA TURBINA 29

0 5 10 15-0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

LAMBDA

Co

efic

ien

tes

CP

( λλ λλ, ββ ββ

)

←ββββ=0

↓ββββ=5

↓ββββ=10

↓ββββ=15

←ββββ=20

Figura 3.1: Curva de potencia CP pλ, βq.

Todos los sistemas existentes cambian con una razon de tiempo y cuando esa razon

es significativa, se les denomina sistemas dinamicos. La principal caracterıstica es que la

salida en cualquier instante de tiempo depende del estado anterior y no unicamente de la

entrada actual (“efecto memoria”) [14], la seccion 3.3.2 presenta el modelo dinamico de la

turbina eolica.

3.3.2 Modelo dinamico

El par mecanico calculado a partir del modelo estatico se usa como entrada del modelo

dinamico. En este trabajo se presentan dos modelos dinamicos; el que se describe por

medio de la ecuacion (3.11) correspondiente a la inercia, el amortiguamiento y la dureza,

tanto de la turbina como del generador, el eje de baja velocidad, el eje de alta velocidad y

la caja de engranajes. Este modelo de aquı en adelante se le llamara caso I y se utilizara

para realizar la implementacion en simulacion del sistema completo (Figura 3.4).

Al modelar el caso I se obtiene un conjunto complicado de ecuaciones, por tanto se

deben tomar en cuenta las ecuaciones (3.6), (3.7) y (3.8). Lo anterior se considera para

reducir la complejidad del sistema, reflejando los parametros del eje de baja velocidad al

eje de alta velocidad.

Jre JrN2

(3.6)


ωre Nωr (3.7)

Tre TrN

(3.8)

Donde Jr, ωr y Tr son la inercia-velocidad-par del rotor eolico. Jre, ωre y Tre son

inercia-velocidad-par reflejados del eje de baja velocidad al eje de alta velocidad. La

friccion y dureza equivalentes entre ambos ejes se determinan por las ecuaciones (3.9) y

(3.10) respectivamente. Donde Br, Bg y Beq son los coeficientes de amortiguamiento del

rotor-generador-equivalente del sistema dinamico, de igual modo Kr, Kg y Keq son los

coeficientes de dureza del rotor-generador-equivalente del mismo sistema; N es la razon

de engranajes de la caja de velocidades [8],[13],[15].

Beq Bg Br

N2(3.9)

Keq Kg Kr

N2(3.10)

De acuerdo a las ecuaciones planteadas anteriormente, se obtiene una ecuacion de

estado que representa el modelo dinamico para el caso I y se ilustra en la ecuacion (3.11)

[16],[17].

9ωre9ωg9θre9θg

Beq

Jre

Beq

Jg

1

0

Beq

Jre

Beq

Jg

0

1

Keq

Jre

Keq

Jg

0

0

Keq

Jre

Keq

Jg

0

0

ωre

ωg

θre

θg

1

NJre

0

0

0

0

1

Jg

0

0

Tre

Tg

(3.11)

Para realizar la simulacion del caso I se implementa el esquema presentado en la

Figura 3.2 y el resultado de la simulacion se presenta en la Figura 3.3.

3.4. CONDICIONES DE OPERACION 31

rB

rJ

rK

gJ

gK

gB

N

rω

gωrT

gT

wV

β

rω

0

Figura 3.2: Modelo estatico y dinamico implementado en MATLAB/SIMULINK.

El segundo modelo dinamico que se implementa se denomina caso II. Esta formado

por una caja de engranajes, inercia y amortiguamiento del eje de baja velocidad y la

relacion de la caja de engranajes N ; el comportamiento del sistema descrito anteriormente

se obtiene mediante la ecuacion (3.12).

Como puede observarse en el modelo del caso II no se toma en cuenta el generador,

ni sus caracterısticas dinamicas, debido a que se encuentra disponible fısicamente en la

implementacion experimental en el banco de pruebas. Por el momento no se requieren

emular las caracterısticas de un generador de mayor capacidad, ya que se esta emulando

un sistema de muy baja potencia.

9ωr9θr

Br

Jr0

1 0

ωr

θr

1

Jr

0

Tr

0

(3.12)

La implementacion se hace de igual forma en MATLAB/SIMULINK, esquema similar

al mostrado en la Figura 3.2 pero con la diferencia que la parte dinamica solo tiene una

entrada Tr y una salida ωr.

Cabe senalar que aunque en las secciones anteriores se menciona un modelo estatico

y un modelo dinamico, para realizar tanto la simulacion como la implementacion experi-

mental se considera todo como un solo modelo matematico.

3.4 Condiciones de operacion

En todo sistema que se modela se requiere definir bajo que condiciones va a operar y

bajo que condiciones es valido el modelo. Una turbina eolica tiene diferentes formas de


operacion: velocidad variable, velocidad constante, control del angulo de inclinacion y

control por perdida aerodinamica. Por lo tanto, se elige el tipo de turbina de acuerdo a lo

siguiente:

Debido a que esta tesis completa el trabajo desarrollado en [1] se selecciona una

turbina eolica de velocidad variable con la posibilidad de controlar el angulo de inclinacion

de las palas. Las turbinas eolicas con control del angulo de inclinacion de las palas son

mas interesantes, basandose en el hecho de que pueden operar en un amplio intervalo de

velocidades de viento, logrando ası la capacidad de mantener constante la extraccion de

potencia a bajas y altas velocidades.

Uno de los obstaculos que se presentaron durante el desarrollo de esta tesis fue la

seleccion de los parametros fısicos de la turbina eolica y la comprobacion de los modelos

por comparacion con medidas reales. Lo anterior resulta difıcil dada la escasez de registros

detallados de variables electricas y mecanicas en sistemas de generacion de energıa eolica.

Por esta razon, se realiza un escalamiento de parametros para el sistema desarrollado

en esta tesis (300W ), basandose en los parametros reportados de los diferentes sistemas

estudiados en la seccion 1.3.

En la Tabla 3.1 se enlistan los parametros utilizados para realizar la simulacion y la

implementacion experimental del sistema de generacion completo.

Tabla 3.1: Parametros de la turbina eolica.Parametros de la Valor

turbina eolica

Potencia nominal, Pn 300WRadio del rotor, rr 1m

Densidad del viento, ρ 1.225kgm3

Velocidad de arranque, Va 3.5msVelocidad nominal, Vn 12msVelocidad de corte, Vc 25msInercia del rotor, Jr 0.3Nms2

Inercia del generador, Jg 0.025Nms2

Amortiguamiento del rotor, Br 0.024NmsAmortiguamiento del generador, Bg 0.0055Nms

Dureza del rotor, Kr 1.5e4NmDureza del generador, Kg 1.5e2Nm

Razon de la caja de engranajes, N 4

3.5. RESULTADOS DE SIMULACION 33

Con las caracterısticas de la turbina eolica seleccionadas se procede con las simu-

laciones del modelo. Los parametros seleccionados y presentados en la Tabla 3.1 son los

utilizados para llevar a cabo todas las pruebas en este trabajo de tesis. En la seccion 3.5

se presentan los resultados de la simulacion del modelo matematico de la turbina eolica

en MATLAB/SIMULINK.

3.5 Resultados de simulacion

3.5.1 Simulacion del modelo de la turbina eolica

De acuerdo al desarrollo de los modelos en la seccion anterior, en la Figura 3.3 se presenta

el resultado de la simulacion realizada con el modelo descrito por las ecuaciones (3.1), (3.2),

(3.5) y (3.11). Para realizar esta simulacion se propone un par generador Tg constante con

un perfil de viento propuesto. La razon para proponer un par de carga Tg constante se

debe a que si se realiza la simulacion con el sistema de generacion completo (Figura 3.4)

los tiempos de simulacion resultarıan enormes.

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10005

6

7

8

9Velocidad del viento

t (segundos)

m/s

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 100060

80

100

120Velocidad del rotor eólico (eje de baja)

t (segundos)

rad/

s

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000

1

2

3

4

Par Mecanico del rotor Tr y Par constante del generador T

g

t (segundos)

Nm

Figura 3.3: Vw, ωr, Tr y Tg.


Por el momento, la carga en el banco de pruebas permanece a un valor fijo, provo-

cando un par de carga constante por parte del generador, por lo tanto puede hacerse la

consideracion anterior, resultando tiempos de simulacion mucho menores.

Comentando brevemente los resultados presentados en la Figura 3.3, se debe observar

que la velocidad en el rotor sigue al perfil de viento aplicado, lo que provoca un aumento

o una disminucion en el par del rotor eolico. Debido a la dinamica del sistema el par del

rotor eolico trata de igualarse al par de carga, estos cambios pueden notarse ya que se

propone un perfil de viento adecuado.

3.5.2 Simulacion del sistema completo

Un punto que forma parte de la metodologıa es la implementacion del modelo de la turbina

eolica al modelo existente del sistema completo de generacion electrica. Cabe recordar que

el objetivo de esta tesis no trata el estudio del generador ni del convertidor; por lo tanto,

no se profundiza en el modelado del sistema, solo se presenta el esquema del mismo en

MATLAB/SIMULINK Figura 3.4, este esquema se encuentra en el disco adjunto a este

documento de tesis.

rB

rJ

rK

gJ

gK

gB

N

rω

gωrT

gT

wV

β

rω

0

[wm]

Figura 3.4: Turbina eolica, MIDA, MSC y carga.


En la Tabla 3.2 se presentan los parametros de la MIDA disponible en el laboratorio

de maquinas electricas de CENIDET, forma parte del sistema de DE LORENZO. Estos

parametros se obtuvieron mediante una caracterizacion utilizando la norma IEEE112 [18]

y se utilizan para realizar la simulacion del sistema completo (Figura 3.4).

Tabla 3.2: Parametros de la MIDA.Parametros Valor

Resistencia del estator Rs 0.37895ΩResistencia del rotor Rr 0.2857Ω

Inductancia Lsm 17.2807mHInductancia Lrm 17.2807mHInductancia Lls 0.5319mHInductancia Llr 0.5319mH

Polos P 2

Es importante ver el comportamiento conjunto entre ambos sistemas para que pos-

teriormente puedan cotejarse resultados en simulacion con resultados experimentales. El

modelo del sistema de generacion esta formado por una MIDA, un convertidor del lado de

la maquina (MSC), la carga y su control PI correspondiente.

Para verificar el control y el acoplamiento de los modelos se realiza la simulacion del

sistema completo y el resultado se presenta en la Figura 3.5. El perfil de viento utilizado

en esta simulacion se elige para verificar el comportamiento del sistema del paso de la

velocidad sub-sıncrona a super-sıncrona. Este perfil es constante de 0s a 35s para verificar

la estabilidad del sistema y de 35s a 75s es variable para observar el paso de velocidad

sub-sıncrona a super-sıncrona.

Se debe notar que el par de la turbina Tr y el par generador Tg no alcanzan a igualarse

cuando el perfil de viento es variable, esto se debe a que el perfil de viento presenta cambios

mucho mas rapidos que el perfil de viento utilizado en el sistema de la Figura 3.3, donde

Tr y Tg si se alcanzan a igualar.

La razon de elegir un perfil de viento con esos cambios mucho mas rapidos, se debe

a que el tiempo de simulacion aumenta considerablemente ya que el sistema completo

contiene senales de control y moduladores de ancho de pulso, por lo que se requiere un

paso de integracion demasiado pequeno en la configuracion del programa utilizado para

realizar la simulacion. El tiempo de computo requerido para la simulacion de la Figura

3.5 fue de aproximadamente dos semanas.


0 10 20 30 40 50 60 70 804

6

8


t (segundos)

m/s

0 10 20 30 40 50 60 70 8060

80

100


t (segundos)

rad/

s

0 10 20 30 40 50 60 70 80-5

0

5

10

Par Mecanico del rotor Tr y Par generador T

g

t (segundos)

Nm

Figura 3.5: Vw, ωr, Tr y Tg.

Nuevamente se puede observar que la velocidad del rotor sigue satisfactoriamente a

la velocidad del viento y que los pares generador-rotor tratan de igualarse.

La siguiente grafica (Figura 3.6) presenta la misma simulacion pero con un acer-

camiento en la region donde el perfil de viento es variable (35s a 75s), esto con el objeto

de observar el comportamiento que presenta la MIDA cuando cruza por la velocidad de

sincronıa.

El perfil de viento fue creado con la intencion de que la velocidad del generador

iniciara en una velocidad sub-sıncrona y pasara a su velocidad super-sıncrona. Esto se

puede observar en la corriente del rotor en la fase “A” aproximadamente a los 38s de

la simulacion. De igual modo, mediante el perfil de viento adecuado la MIDA cruza de

velocidad super-sıncrona a sub-sıncrona, y esto se presenta aproximadamente a los 50s

de la simulacion. En la misma figura se ilustran la velocidad del rotor en el eje de baja

velocidad y la velocidad del viento.


35 40 45 50 55 60 65 70 754

6

8


t (segundos)

m/s

35 40 45 50 55 60 65 70 7560

80

100


t (segundos)

rad/

s

35 40 45 50 55 60 65 70 75-10

-5

0

5

10Corriente de la fase A del rotor

t (segundos)

A

Figura 3.6: Paso de velocidad sub-sıncrona a super-sıncrona y viceversa.

Como ya se menciono anteriormente no es objetivo de control la MIDA, sin embargo

hubo la necesidad de sintonizar los controladores para el MSC que son del tipo PI. Se

utiliza el metodo de sintonizacion lugar de la raıces y en la Tabla 3.3 se enlistan las

ganancias seleccionadas.

Tabla 3.3: Ganancias del control para la MIDA.

Tipo de Funcion de PI sin KP Ki tscontrolador transferencia ganancia

Controlador de voltajeims psqidr psq

1

1 sTms 50

s4.48 224 77.186ms

para la MIDA

Controlador de corrienteipd,qqrVpd,qqr

1

Rr sσLrs 500

s1.56 780 1.96ms

d, q para la MIDA


Capıtulo 4

Implementacion del emulador

En este capıtulo se describe cada una de las etapas que se desarrollaron para llevar a cabo

la implementacion experimental del sistema emulador de turbina eolica en el laboratorio

de maquina electricas de CENIDET. La Figura 4.1 presenta un diagrama de bloques del

sistema emulador y posteriormente se define cada uno de ellos.

En la seccion 4.1 se presenta a detalle la estructura del sistema emulador imple-

mentado en este trabajo. El motor de CD, su modelo y su control forman una etapa

importante del sistema emulador, ya que es la encargada de reproducir el comportamiento

de una turbina eolica real1 y se presenta en la seccion 4.2.

Para impulsar al motor de CD se utiliza un convertidor tipo troceador y se presenta

en la seccion 4.3. Finalmente, el modelo de la turbina eolica genera una senal a partir de

la velocidad del viento, que sirve como referencia para el control del motor de CD, todo el

procesamiento se realiza con la tarjeta de desarrollo eZdspF2812 de TI, esto se presenta

en la seccion 4.4.

La implementacion del sistema emulador desarrollada en este trabajo de tesis es la

primera realizada en CENIDET (utilizando la tarjeta eZdspF2812 y programandola medi-

ante MATLAB/SIMULINK). Por lo tanto, es importante completar el trabajo anexando

los requerimientos mınimos del sistema, ası como una guıa rapida de programacion para

la tarjeta, esto se agrega en el Anexo C.

1Las caracterısticas de la turbina eolica se obtienen mediante un escalamiento de parametros y sepresentan en la Tabla 3.1, esto debido a que no existe en el mercado una turbina con esas caracterısticas.

39

40 CAPITULO 4. IMPLEMENTACION DEL EMULADOR

4.1 Estructura del sistema emulador

Para entender la estructura del sistema emulador se deben tener en cuenta las partes que

lo conforman y se debe entender el funcionamiento que este debe tener. Como puede

observarse en la Figura 4.1 el sistema emulador esta formado por el perfil de viento2,

la tarjeta de desarrollo DSC, el modelo de la turbina eolica, la etapa de potencia, el

acondicionamiento de las senales, el control y el motor de CD.

Emulador de turbina eólica

eZdsp F2812

iMac

Vector de datos

con el perfil de

viento

Control del motor

Acondicionamiento

de señal

Motor de

CD

Etapa de potencia

Modelo de la turbina

Figura 4.1: Diagrama de bloques del sistema emulador.

Se debe recordar que se requiere reproducir el comportamiento de una turbina eolica

real. Por lo tanto, cada bloque que conforma el sistema emulador debe cumplir con una

funcion especıfica:

el vector de datos que contiene el perfil de viento funge como una de las entradas

que excita el modelo de la turbina, se envıa a la tarjeta eZdspF2812 mediante la he-

rramienta de comunicacion RTDX por sus siglas en ingles Real-Time Data Exchange

el modelo de la turbina se encarga de enviar las senales de referencia al control del

motor de CD

el control del motor de CD envıa las senales de control adecuadas a la etapa de

potencia

2Se le llama perfil de viento al vector de datos ubicado en el espacio de trabajo de MATLAB, este seobtiene a partir de la medicion de la velocidad del viento, por el IIE.

4.2. MOTOR DE CD 41

la etapa de potencia impulsa al motor de CD

el motor de CD reproduce el comportamiento de la turbina eolica

la tarjeta eZdspF2812 se encarga del procesamiento de las senales producidas por el

modelo de la turbina, por el control del motor de CD y de recibir el perfil de viento

proveniente del espacio de trabajo de MATLAB

finalmente el acondicionamiento de senal adapta las senales de los sensores de co-

rriente y de velocidad del motor de CD, al nivel requerido por los convertidores

analogico-digital (ADC) de la tarjeta eZdspF2812

En las siguientes secciones se presentan a detalle solo algunas de las etapas que

conforman el sistema emulador, se omite en este capıtulo el modelo de la turbina ya que

se presento a detalle en el capıtulo 3 y se omite el perfil de viento ya que se presenta a

detalle en el capıtulo 5.

4.2 Motor de CD

Una maquina de CD puede operar como motor o como generador, dependiendo de la

direccion del flujo de potencia a traves de ella [19]. En este trabajo, la maquina de CD se

utiliza en modo motor. La clasificacion de los motores de CD, de acuerdo con su modo de

conexion, es la siguiente:

excitacion separada

excitacion en derivacion

iman permanente

serie

compuesto

De acuerdo con la literatura revisada en la seccion 1.3, se observo que el criterio

para seleccionar el motor que emula a la turbina eolica debe ser de al menos el doble de la

potencia del generador. Este criterio esta relacionado con la eficiencia η de las maquinas

electricas, determinada por la ecuacion 4.1.


La eficiencia de los motores a plena carga, en promedio, es de cerca de 74% para los

de 1HP , 89% para los de 50HP , 93% para los de 500HP y 97% para los de 5000HP .

La eficiencia de los motores lentos es usualmente menor que los de alta velocidad, y la

dispersion entre los valores es de 4% [20]. La eficiencia se define como:

η 1 PperPent

(4.1)

De la referencia [1] se sabe que la MIDA con que cuenta el banco de pruebas de

DE LORENZO es de 300W . Para seleccionar el motor a utilizar se reviso la relacion

de motores disponibles en CENIDET y de acuerdo al criterio se eligio el motor Baldor

CD3475 de 560W de excitacion separada.

Debido a que el banco donde se monta el motor Baldor CD3475 esta optimizado

para un motor del fabricante de DE LORENZO, se presentaron algunos problemas para

colocar el nuevo motor ya que tanto la altura del eje de la MIDA como la del eje del motor

de CD no coincidıan.

Por lo tanto, hubo la necesidad de maquinar una placa de acero para realizar el

acoplamiento mecanico entre el banco de DE LORENZO y el motor Baldor CD3475. En

la Figura 4.2 se presenta el banco de pruebas con la MIDA y el motor Baldor CD3475

acoplados mecanicamente.

Figura 4.2: Acoplamiento mecanico completo.

4.2. MOTOR DE CD 43

Ya que se requiere que el motor de CD tenga la respuesta de una turbina eolica real,

se debe modelar y caracterizar el motor de CD, para que de este modo se obtengan las

ganancias necesarias de los controladores. Lo que permitira obtener la respuesta deseada

de acuerdo a la referencia obtenida a partir del modelo de la turbina desarrollado en la

seccion 3.3.

4.2.1 Modelo del motor

El equivalente electrico del motor de CD de excitacion separada se presenta en la Figura

4.3. De acuerdo a este equivalente electrico se obtiene la ecuacion de estado que modela

al motor de CD de excitacion separada, ecuacion (4.2).

+

-

va,Va

La

Ra

+

-eg

Lf

Rf

ia,Ia if,If

vf,Vf

+

-

wTd TL

Figura 4.3: Equivalente electrico de un motor de CD de excitacion separada.

El modelo del motor se representa en terminos de las variables de estado y de este

modo se implementa en MATLAB/SIMULINK para simular las caracterısticas dinamicas

y para calcular las ganancias de los controladores.

En el caso del motor de CD estudiado, la corriente de campo, la corriente de ar-

madura, la velocidad del rotor y la posicion son las variables de estado. La posicion del

rotor se define como la integral de la velocidad y es considerada una variable de estado

solo cuando la posicion del eje es una variable controlable. En este trabajo la posicion no

es una variable controlable, debido a que una turbina eolica gira libremente sin importar

su posicion; por ende el emulador tendra el mismo comportamiento [21].


9if9ia9ωm

Rf

Lf0 0

0 Ra

La ifLAF

La

0ifLAF

JmBm

Jm

if

ia

ωm

1

Lf0 0

01

La0

0 0 1

Jm

vf

va

TL

(4.2)

Los parametros del motor Baldor CD3475 se obtienen mediante una caracterizacion

realizada en el laboratorio de maquina electricas utilizando la norma IEEE113 [22], estos

parametros se presentan en la Tabla 4.1 ası como la definicion de cada parametro que

aparece en la ecuacion (4.2).

Tabla 4.1: Parametros del motor de CD.Parametros Valor

Resistencia de armadura Ra 1.276ΩResistencia de campo Rf 163.39Ω

Inductancia de armadura La 23.62mHInductancia de campo Lf 23.13HInductancia mutua LAF 821.6mH

Inercia Jm 25e3Nms2

Amortiguamiento Bm 1e3Nms

4.2.2 Control del motor

Antes de elegir el esquema de control del motor de CD se debe definir la region en la que

estara operando el motor. Para ello se sabe que la region de operacion nominal de la MIDA

es de 3600rpm y el motor de CD debe alcanzar esa velocidad y un 30% mas. Sin embargo,

la region de operacion nominal del motor de CD es de apenas 1800rpm. Para poder

cumplir con lo establecido se debe operar el motor de CD en la zona de debilitamiento

de campo. Este esquema de operacion permite alcanzar dos o tres veces mas la velocidad

nominal sin problema.

Si se requiere operar el motor en la zona de debilitamiento se debe controlar tanto el

circuito de armadura como el circuito de campo. Para poder operar el motor en esa zona

se deben implementar dos convertidores de potencia, uno para el circuito de armadura y

4.2. MOTOR DE CD 45

otro mas para el circuito de campo.

El control de armadura utiliza un lazo interno de corriente y un lazo externo de

velocidad, ambos controladores son del tipo PI. El control por campo utiliza un lazo

de velocidad y tambien es tipo PI. El control de armadura se conoce como esquema en

cascada y se muestra en la Figura 4.4 que tambien es el esquema MATLAB/SIMULINK

implementado en la plataforma DSC seleccionada [21].

Referencia de velocidad

u yfcn

EmbeddedMATLAB Function

IF

Wr

IA

Te

VF

VA

TL

DC Motor

VA

Iref

Ia

Controlador de corriente

IrefWref

Wr

Control de velocidad por campo

IrefWref

Wr

Control de velocidad por armadura

-C-

Constant

Figura 4.4: Esquema de control para el motor de CD.

En la Tabla 4.2 se presentan las ganancias de los controladores PI para el motor

Baldor CD3475. El calculo de las ganancias de los controladores se hizo mediante el

metodo del lugar de las raıces.

Tabla 4.2: Ganancias del control para el motor de CD.

Tipo de Funcion de PI sin KP Ki tscontrolador transferencia ganancia

Controlador de corrienteia psqVa psq

1

ra sLas 600

s0.0732 43.92 157ms

circuito de armadura

Controlador de velocidadωr psqia psq

Laf if

Bm sJs 20

s1.15 23 387ms

circuito de armadura

Controlador de velocidadωr psqif psq

Laf ia

Bm sJs 1.5

s0.0181 0.2715 2.98s

circuito de campo


4.3 Etapa de potencia

Los motores de CD tienen caracterısticas variables, su uso es extenso en aplicaciones de

velocidad variable. Ademas, pueden proporcionar un alto par motor de arranque y tambien

permiten obtener control de la velocidad en un amplio intervalo. Los metodos de control

de la velocidad, por lo general son mas simples y menos costosos que los de CA.

Hay tres formas distintas para controlar la velocidad en un motor de CD: varian-

do resistencia de campo, variando la resistencia de armadura y variando el voltaje de

armadura-campo. Las dos primeras provocan grandes perdidas, por esta razon en este

caso se empleara el control variando el voltaje de armadura y campo.

En muchas aplicaciones industriales, es necesario convertir una fuente de CD de

voltaje fijo a una fuente de CD de voltaje variable. Un circuito troceador convierte direc-

tamente de CD a CD, por lo que tambien se conoce como convertidor de CD a CD. Los

troceadores se utilizan ampliamente en el control de los motores de traccion de automoviles

electricos, tranvıas electricos, gruas marinas, montacargas y elevadores de minas. Propor-

cionan control en aceleraciones continuas, una alta eficiencia y una respuesta dinamica

rapida. El voltaje de salida promedio esta dado por la ecuacion (4.3) donde D es el ciclo

de trabajo del troceador.

Vo 1

Ts

» t10vodt DVi (4.3)

Existen dos modos de operacion en los circuitos troceadores y son los siguientes:

1. Operacion a frecuencia constante. La frecuencia de pulsacion fs se mantiene cons-

tante variando solo el tiempo activo t1. Este tipo de control se conoce como control

de modulacion por ancho de pulso (PWM).

2. Operacion a frecuencia variable. Varıa la frecuencia de pulsacion fs ya sea el tiempo

activo t1 o el tiempo inactivo t2. Esto se conoce como modulacion por frecuencia,

la frecuencia debe variarse en un amplio intervalo para obtener todo el intervalo de

salida de voltaje deseado. Este tipo de control generara armonicas a frecuencias no

predecibles lo que provocarıa contaminacion a la red electrica [23].

El modo de operacion adecuado para esta aplicacion debe ser el de operacion a

frecuencia constante, debido a que en dado caso que se necesite disenar los filtros de CA

4.3. ETAPA DE POTENCIA 47

y de CD resulte sencillo el diseno de los mismos.

El modo de conduccion adecuado debe ser el modo de conduccion continuo (MCC)

ya que generalmente no se disenan convertidores en alta frecuencia para que operen en

modo de conduccion discontinuo (MCD). La razon es que la energıa pico del inductor y el

estres de la corriente pico en el dispositivo semiconductor son muy altos, comparados con

los valores en un convertidor operando al mismo nivel de potencia en MCC.

Existen diferentes tipos de convertidores de tipo troceador y se clasifican dependiendo

de la direccion en que fluyan la corriente y el voltaje. En la Figura 4.5 se presentan las

diferentes regiones de operacion de los convertidores tipo troceador [23].

iL

IL

vL

VL

0iL

-IL

vL

VL

0

iLI

L

vL

VL

0

-VL

-IL

iLI

L

vL

VL

0

-VL

iL

IL

vL

VL

0-IL

Clase A Clase B Clase C

Clase D Clase E

Figura 4.5: Clasificacion de los troceadores.

Troceador clase A – La corriente de la carga fluye hacia la carga. Tanto el voltaje

como la corriente son positivos. Este es un troceador de un solo cuadrante, llamandole

operado como rectificador.

Troceador clase B – La corriente de la carga fluye fuera de la carga. El voltaje de

la carga es positivo, pero la corriente de la carga es negativa. Este tambien es un troceador

de un solo cuadrante, pero opera en el segundo cuadrante por lo que se dice que opera

como inversor.

Troceador clase C – La corriente de la carga es positiva o negativa, el voltaje en

la carga es siempre positivo. Este se conoce como un troceador dos cuadrantes. Se puede

combinar troceadores de clase A y de clase B para formar un troceador de clase C. Un


troceador de clase C puede operarse como rectificador o como inversor.

Troceador clase D – La corriente en la carga es siempre positiva. El voltaje en la

carga es positivo o negativo. Un troceador clase D tambien puede operar como rectificador

o como inversor.

Troceador clase E – La corriente de la carga puede ser positiva o negativa. El

voltaje en la carga tambien puede ser positivo o negativo. Este se conoce como troceador

de cuatro cuadrantes. Se puede combinar dos troceadores clase C para formar un troceador

clase E [23].

En este caso el motor opera en el primer cuadrante, quiere decir que tanto el voltaje

como la corriente son positivos, por lo tanto se escoge implementar un convertidor tro-

ceador clase “A” y el circuito se presenta en la Figura 4.6.

Como complemento de esta seccion, en el Anexo B se presenta el listado de los

dispositivos utilizados en la implementacion de la etapa de potencia, ası como el diagrama

esquematico y la fotografıa del prototipo.

Io

VCD

Vo

Carga

Figura 4.6: Convertidor troceador clase “A”.

Tanto para enviar las senales de control al circuito troceador como para realizar

todo el procesamiento3 del sistema emulador se requiere una plataforma lo suficientemente

poderosa. En la seccion 4.4 se presenta la tarjeta utilizada en la implementacion de esta

tesis y se resaltan sus ventajas respecto a otra familia que se encuentra disponible al

momento de realizar la investigacion.

3Si se habla de “todo el procesamiento” se refiere al procesamiento del modelo, la adquisicion de lassenales, el control del motor de CD y el envıo de las senales de control al circuito troceador; todo lo realizala tarjeta eZdspF2812.

4.4. PLATAFORMA DSC 49

4.4 Plataforma DSC

De acuerdo a la literatura que se reviso se detecto que la mayorıa de los grupos de trabajo

utilizan plataformas DSP para llevar a cabo la implementacion de sus emuladores. En

gran parte se debe al poder de procesamiento de senales digitales, y es por la misma razon

que en este trabajo se elige una basada en DSP, para implementar el emulador de turbina

eolica.

4.4.1 Seleccion de la plataforma DSC

Por la amplia diversidad de plataformas DSP en el mercado, la busqueda se reduce al

fabricante TI debido a que tiene familias optimizadas para el control de motores y se

encuentran disponibles fısicamente en CENIDET. En el momento de realizar la imple-

mentacion se encontraban disponibles dos familias del fabricante TI, la TMS320C2000 y

la TMS320C6000.

A la familia C2000 se hace referencia como DSP’s orientados a control, se emplean en

sistemas industriales, control de motores, fuentes de alimentacion, automoviles, sistemas

medicos, por mencionar algunos.

Combina la integracion de perifericos con un uso facil, a estos DSP’s tambien se le

llaman DSC’s (controlador digital de senales) por su similitud a los microcontroladores.

Este es un nuevo tipo de microcontrolador, ya que combina en un dispositivo el poder de

procesamiento de un DSP, con perifericos usados en los sistemas de control como: puertos

de comunicacion, convertidores analogico-digital (AD), temporizadores, moduladores de

ancho de pulso (PWM), tal como los perifericos que contiene un microcontrolador.

La familia C6000 a la cual se hace referencia como DSP’s de alto desempeno, cuenta

con altas velocidades y mayor paralelismo en el procesamiento. Presenta subdivisiones

para aplicaciones especıficas como interfaces con computadoras, internet, multimedia, pero

tambien como atmosfera de desarrollo estandar para la industria.

Es la de mayor capacidad de procesamiento, con frecuencias de operacion hasta de

1GHz. Cuentan con escasos pines de proposito general, en su lugar, tienen una interfaz

paralela de entrada-salida para la interconexion con otros dispositivos [24].

Las caracterısticas principales de las plataformas (TMS320C2000) y (TMS320C6000)

se resumen en la Tabla 4.3.


La columna izquierda corresponde a la familia orientada a control y se presentan las

plataformas (TMS320C24x, TMS320C28x), y la columna de la derecha a las de alto de-

sempeno (TMS320C62(67)x, TMS320C6410(13)x). Para seleccionar a la familia adecuada

se debe tomar en cuenta el proceso para el cual se requiere utilizar el DSC [24].

Tabla 4.3: Comparacion de las familias C2000 y C6000.DSP’s dedicados a control DSP’s de alto desempeno

TMS320C24x TMS320C28x TMS320C62(67)x TMS320C6410(13)xBus fısico 16bits 32bits 32bits 32bitsFrecuenciade operacion

40Mhz 100Mhz y 150Mhz 200Mhz a 300Mhz 400Mhz a 720Mhz

Comunicacionsıncrona

SPI a 10Mbps SPI a 37Mbps McBSP a 100Mbps McBSP a 125Mbps

Comunicacionasıncrona

SCI a 2.5Mbps SCI a 9.3Mbps McBSP a 9.3Mbps McBSP a 11.25Mbps

Comunicacionespecializada

CAN CAN 2.0 HPI HPI

ADC 10bits, 375ns deconversion, 16

canalesmultiplexados,

1 muestreosimultaneo

12bits, 200ns deconversion,(disminuye

segun el numerode muestras),

16 canalesmultiplexados,

2 muestreossimultaneos

no se inluye

Temporizadores 2-16 bits, conmanejador deeventos que

permite generarPWM’s desde

hardware

3-32 bits, conmanejador deeventos que

permite generarPWM’s desde

hardware

2-32 bits, sinmanejador deeventos, los

PWM’srequierensoftware

3-32 bits, sinmanejador deeventos, los

PWM’srequierensoftware

Interfaz I/O Hasta 41 pinesde proposito

generalorganizados en

puertos

Hasta 56 pinesde proposito

generalorganizados en

puertos

EMIF de 32 bits EMIF de 64 bits

Conjunto deinstrucciones

RISC VLIW

Multiplicadoresy ALU’s

1,1 2,6

Formato denumeros

Punto fijo Punto fijo(punto flotante)

Punto fijo

Memoria RAMen el chip

2.5kB-5kB 20kB-40kB 72kB-896kB 160kB-544kB


Por tanto, de acuerdo a las caracterısticas que presenta cada una de ellas se opta por

trabajar con la familia C2000 que esta optimizada para el control de motores. En particu-

lar, con la plataforma de desarrollo eZdspF2812 presentada en la Figura 4.7 que aparte de

las caracterısticas antes mencionadas, permite su programacion en MATLAB/SIMULINK.

En la siguiente seccion se explicara como se realiza la programacion de la tarjeta en

MATLAB/SIMULINK.

Figura 4.7: Plataforma eZdspF2812 de TI.

4.4.2 Programacion de la eZdspF2812 en

MATLAB/SIMULINK

Una caracterıstica importante que se busca en la implementacion del emulador de turbina

eolica es que el sistema a implementar debe ser robusto y de facil manejo para el usuario.

Lo anterior es necesario debido a que si se requiere hacer algun cambio en cualquiera de los

parametros del modelo de la turbina, ganancias de los controladores o del perfil de viento

aplicado, cualquier usuario pueda hacerlo sin necesidad que este sea experto en el tema,

y esto se logra con MATLAB/SIMULINK que es un software poderoso y de uso comun

entre estudiantes.

La herramienta de SIMULINK que permite la implementacion del emulador de

turbina eolica en la tarjeta eZdspF2812 es la Embedded Target for TI C2000 DSP, que

integra MATLAB/SIMULINK con las herramientas eXpressDSP de TI.


El Embedded Target for TI C2000 DSP utiliza la herramienta Real-Time Workshop

(RTW) para automaticamente generar, empaquetar y compilar el codigo fuente del modelo

SIMULINK, creando aplicaciones de software en tiempo real en una variedad de sistemas;

RTW compila un proyecto Code Composer Studio (CCS) a partir del codigo C generado

del modelo SIMULINK. Para ilustrar el proceso anterior se presenta un diagrama de flujo

en la Figura 4.8.

SIMULINK Y RTW

Embedded Target for TI C2000

Code Composer Studio

Link for Code Composer Studio

eZdspF2812

Concepto

Implementación

Figura 4.8: Diagrama de flujo para implementacion del modelo SIMULINK.

Como puede observarse en el primero y segundo nivel del diagrama de flujo se en-

cuentra SIMULINK, RTW y la Embedded Target for TI C2000 DSP ; ahı se implementa

un modelo en tiempo discreto ya que el RTW no soporta bloques en tiempo continuo y se

configuran los perifericos que se requieran para llevar a cabo la implementacion.

En el tercer nivel se encuentra el Link for CCS que permite usar funciones de MAT-

LAB para comunicarse con el CCS y con informacion almacenada en memoria y en registros

del DSC. En el penultimo nivel se encuentra el CCS que es el compilador por defecto de

TI y que utiliza el RTW para generar el codigo ejecutable para el DSC. En la parte mas

baja se encuentra la aplicacion final donde se descarga el codigo ejecutable [25].

La implementacion del emulador de turbina eolica en MATLAB/SIMULINK se pre-

senta en la Figura 4.9, donde el bloque del control de velocidad que puede observarse

corresponde al esquema presentado en la Figura 4.4, el modelo estatico de la turbina

eolica corresponde al presentado en la seccion 3.3.1 y el modelo dinamico al de la seccion

3.3.2 (caso II) pero con la diferencia que aquı se encuentra en tiempo discreto.


eZdspF2812

Unbuffer

TM

Vw

Wr

B

MODELOESTATICODISCRETO

MODELODINÁMICODISCRETO

[Wr]

[Wg]

[Wg]

[Wr]

WREF RTDX

CONTROL DE VELOCIDADDISCRETO

From RTDXichan1

COMUNICACIÓNRTDX

0

BETA

To RTDXochan1

Al RTDX

Figura 4.9: Implementacion del modelo SIMULINK para la tarjeta eZdspF2812.

Existen dos bloques nuevos en el esquema de la Figura 4.9 uno indica la plataforma

que se esta usando, en este caso la tarjeta eZdspF2812 y el otro bloque sirve para obtener

la comunicacion en tiempo real4 entre MATLAB y el proceso ejecutandose en la tarjeta,

a esta herramienta se le conoce como RTDX.

La herramienta RTDX se utiliza para enviar el vector de datos que contiene la in-

formacion del perfil de viento utilizado (Figura 5.1) y para adquirir la velocidad en el eje

del generador.

Los datos que se envıan y se reciben son almacenados en un vector de datos en

el espacio de trabajo de MATLAB, la configuracion basica para poder realizar la imple-

mentacion se encuentra en el Anexo C en el se presenta una guıa rapida paso a paso para

la puesta en marcha de la tarjeta eZdspF2812 de TI. El listado utilizado para configurar

la herramienta RTDX se encuentra en el Anexo A, sı se requieren mayores detalles revisar

la referencia [25].

4En este trabajo se le considera que esta en “tiempo real” el intercambio de datos entre la tarjetaeZdspF2812 y el espacio de trabajo en MATLAB, lo anterior derivado del nombre en ingles (Real TimeData Exchange) de la herramienta de comunicacion de MATLAB, RTDX.


4.4.3 Acondicionamiento de senales

Los ADC’s del DSC tienen un intervalo de lectura entre 0V y 3V , el sensor de corriente

(CSLA2CD) que se utiliza para el circuito de armadura entrega una senal de 0V a 5V con

el cero en 2.5V . Es decir, el sensor mide corrientes negativas y el valor es representado

entre 0V y 2.5V .

Ya que no interesa sensar corrientes negativas, se debe ajustar esa senal utilizando el

amplificador de instrumentacion INA128 conectado como restador; moviendo entonces el

cero del sensor de 2.5V a 0V , de ese modo se ajusta el sensor CSLA2CD para que pueda

operar en el mismo intervalo que el ADC de la tarjeta eZdspF2812.

Para sensar la velocidad en el eje de la MIDA se utiliza el sensor de velocidad

disponible en el sistema del fabricante de DE LORENZO. Nuevamente se debe ajustar el

intervalo de medicion que entrega que es de 0V a 6V , para ello se utiliza el amplificador

OPA2241 conectado como seguidor, con una ganancia en la entrada de k 0.5. El

diagrama esquematico del acondicionamiento de senal se presenta en la Figura 4.10.

Figura 4.10: Diagrama esquematico para el acondicionamiento de senal.

Capıtulo 5

Analisis de resultados

En este capıtulo se analizan los resultados obtenidos experimentalmente en el laboratorio

de maquinas electricas de CENIDET a partir del sistema descrito por el diagrama de

bloques presentado en la Figura 4.1.

En la seccion 3.5.2 se presento el acoplamiento en simulacion entre el modelo de

la turbina eolica y el modelo del sistema de generacion de energıa. De manera experi-

mental tambien se acoplan ambos sistemas; sin embargo, el desarrollo de este trabajo

de tesis unicamente contempla la implementacion en laboratorio del sistema emulador de

turbina eolica. Tomando entonces la implementacion experimental existente del sistema

de generacion de energıa desarrollada en la referencia [1].

Por esta razon, se enfatizan los resultados experimentales obtenidos del sistema emu-

lador, y unicamente se reproducen los del sistema de generacion de energıa para comprobar

que ambos sistemas estan funcionando de manera conjunta.

El capıtulo 5 se encuentra dividido en tres secciones: en la seccion 5.1 se presentan las

condiciones y caracterısticas que tiene el perfil de viento utilizado en la implementacion rea-

lizada. En la seccion 5.2 se presentan y comentan los resultados experimentales obtenidos

del sistema emulador y del sistema de generacion electrica. Finalmente, en la seccion 5.3,

se presenta un analisis del ındice de desempeno o comportamiento del sistema emulador

de turbina eolica.

55

56 CAPITULO 5. ANALISIS DE RESULTADOS

5.1 Perfil de viento

Una de las limitantes de la referencia [1] se presenta en la velocidad que transmite el

motor de CD al eje de la MIDA. Lo anterior se realiza manualmente, impidiendo obtener

el comportamiento de una turbina eolica real como si la estuviera impulsando el viento.

Entre los alcances de este trabajo de tesis esta el implementar un emulador que sea

capaz de aceptar perfiles de viento reales (esta tarea ya se realizo en su totalidad). Para

ello, se investigo que instituciones en Mexico se dedicaban a realizar la medicion del recurso

natural del viento. Y resulto que el Instituto de Investigaciones Electricas (IIE) cuenta

con una gerencia de energıas no-convencionales y dentro de esa gerencia se encuentra la

rama eolica, esta ultima dedicada a la medicion del recurso natural.

El IIE cuenta con una base de datos donde se encuentra disponible la informacion

de las mediciones anemometricas1. Estas mediciones provienen de las diferentes estaciones

de medicion instaladas a lo largo de la Republica Mexicana. En la Tabla 5.1 se presentan

los sitios en donde el IIE cuenta con estaciones de medicion.

Tabla 5.1: Lugares que son evaluados por el IIE

Lugar Estado Estacion

La Venta, Juchitan Oaxaca LV01La Ventosa, Juchitan Oaxaca OA01

Cerro Pelon, Singuilucan Hidalgo HG01Cd. Cuauhtemoc, Chihuahua Chihuahua CH01

Samalayuca, Cd. Juarez Chihuahua CH02Alchichica, Tepeyahualco Puebla PB01

Perote, Perote Veracruz VZ01Punta Delgada, Alto Lucero Veracruz VZ02

Sisal, Hunucma Yucatan YC01Cieneguillas, Zacatecas Zacatecas ZC01Los Naranjos, La Pesca Tamaulipas TM01

Francisco Villa, San Fernando Tamaulipas TM02

La evaluacion del recurso eolico se realiza con base en recomendaciones interna-

cionales que indican que el dato que se debe adquirir es el promedio en 10min, a partir de

muestras cada 2s como mınimo [26]. En el ambito internacional, la velocidad promedio en

10min se considera como la “velocidad estacionaria” ya que es la que afecta los cambios

1Medicion de la velocidad del viento y almacenamiento en un vector de datos.

5.1. PERFIL DE VIENTO 57

de potencia en la salida de una turbina.

Es decir, se considera que los cambios de velocidad en intervalos menores, debido

al gran tamano del rotor2 de estas maquinas, no influyen sobre el desempeno dinamico

en potencia vs velocidad del viento y que los cambios de velocidad en intervalos menores

unicamente influyen en las cargas dinamicas sobre el rotor y en general en la estructura.

El IIE realiza arreglos de los datos adquiridos mediante archivos EXCEL, en donde

el significado de cada columna lo podemos descifrar gracias a la Tabla 5.2.

Tabla 5.2: Arreglos de datos crudos adquiridos por el IIEColumna Dato Unidades Comentarios

A Dıa juliano3 Numero Consecutivo del anoconsecutivo

B Hora y minutos (hhmm) Al final del perıodoC Valor promedio de la velocidad del

viento a 15m de altura(ms) Obtenida de muestras cada 2s

D Direccion dominante del viento (Grados) Medidos a partir del norte en elsentido de las manecillas del reloj

E Desviacion estandar de la velocidaddel viento a 15m de altura

(ms) Obtenida de muestras cada 2s

F Velocidad maxima del viento a 15mde altura

(ms) Valor maximo del conjunto demuestras cada 2s

G Valor promedio de la velocidad delviento a 32m de altura


H Desviacion estandar de la velocidaddel viento a 32m de altura


I Velocidad maxima del viento a 32mde altura

(ms) Valor maximo del conjunto demuestras cada 2s

Para el experimento realizado en esta tesis se selecciona el perfil de viento corres-

pondiente a La Venta, Oaxaca, ya que las con las evaluaciones del recurso eolico se ha

establecido que las condiciones eolicas en el Istmo de Tehuantepec son de las mejores a

nivel mundial. En Oaxaca hay zonas con velocidades del viento medidas a 50m de altura

superiores a 8.5ms [27].

2El tamano del rotor esta relacionado con la masa y con la inercia del mismo, a mayor tamano mayorinercia y mayor masa.

3Cada uno de los dıas contados ininterrumpidamente desde las doce horas del dıa el 1 de enero de 4713AC hasta la fecha actual.


0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5

x 104

0

5

10

15

20

25

30

35

40Perfil de viento de La Venta, Juchitán (Enero 2006)

Escala de tiempo 0 a 31 días ó 0 to 44640min

Vel

ocid

ad d

el v

ient

o m

/s

Perfil de viento

remuestreado

Figura 5.1: Perfil de viento real, La Venta (Enero-06).

En la Figura 5.1 se presenta el perfil de viento correspondiente al mes de Enero

(duracion de 744Hrs) de 2006 en La Venta, Oaxaca. El perfil de viento presentado co-

rresponde a la columna “G” de la Tabla 5.2, que es el valor promedio de la velocidad del

viento a 32m de altura.

Del mismo modo que se selecciona la columna “G” para realizar el experimento en el

laboratorio, tambien se pudieron seleccionar cualesquiera de las columnas restantes (“C”,

“F” e “I”). Sin embargo, se prefirio seleccionar la columna “G” ya que por ser la medicion a

32m de altura se obtiene una mayor cantidad de viento y como el vector de datos contiene

el promedio de las muestras durante 10min el perfil presentara menos variacion que el

contenido de las otras columnas.

Se omiten las graficas de las columnas “D”, “E”, y “H” ya que no se considera que

contengan alguna aportacion relevante para este trabajo de tesis.

En la siguiente seccion se presentan los resultados experimentales obtenidos de la im-

plementacion realizada en el laboratorio de maquinas electricas de CENIDET, en donde

se incluyen las pruebas del sistema emulador y del sistema de generacion electrica funcio-

nando ambos de manera conjunta.

5.2. RESULTADOS EXPERIMENTALES 59

5.2 Resultados experimentales

Dadas las caracterısticas de la turbina eolica que se emula en este trabajo de tesis (Tabla

3.1), el perfil de viento no es el adecuado, ya que la dinamica de la turbina es mucho mas

rapida que la del perfil real adquirido por el IIE, cuyas caracterısticas son adecuadas para

turbinas eolicas grandes, es decir, en el orden de los Kilowatts y mas.

Por lo tanto, se debe muestrear el perfil real de 744Hrs y con una razon de muestreo

de cada 10min (600s), a una razon mas rapida (cada 5s), para observar el comportamiento

de la dinamica del sistema. Para acortar la duracion del experimento unicamente se

remuestrea el area punteada de la Figura 5.1, resultando finalmente una nueva escala de

tiempo de 1Hr, que es la duracion de la prueba realizada en el laboratorio.

Ya con el perfil de viento remuestreado4 (1Hr de duracion), se realiza una simulacion

con el modelo implementado en MATLAB/SIMULINK (Figura 4.9) y se realiza una prueba

en laboratorio, ambos resultados se presentan en la Figura 5.2.

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 35000

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000Velocidad simulada VS Velocidad real

Escala de tiempo 0 a 3600s

Vel

oci

dad

en

el e

je d

e al

ta r

pm

Figura 5.2: Velocidad en el eje de alta velocidad (REALvsSIMULADA).

4El perfil de viento remuestreado es el area punteada de la Figura 5.1.


En la Figura 5.2 se puede observar la velocidad del eje de alta, tanto del modelo

(lınea punteada) como del sistema emulador (lınea en negrita). Con la escala de tiempo

presentada a simple viste se podrıa decir que el resultado es excelente, sin embargo medi-

ante ciertos analisis que se presentan en la seccion 5.3 se vera que existe cierto error debido

a diversos factores, y pesar del error el resultado obtenido seguira siendo satisfactorio.

Como se menciono en la seccion 4.1, el vector de datos que contiene el perfil de

viento se encuentra en el espacio de trabajo de MATLAB. Este a su vez funge como una

de las entradas del modelo de la turbina y es enviado a la tarjeta eZdspF2812 mediante la

herramienta de comunicacion RTDX (en el Anexo A se presenta un algoritmo que configura

la herramienta RTDX y arranca el sistema), esta tarjeta se encuentra conectada al PC

por el puerto paralelo. En el Anexo C se presenta en forma un poco mas detallada el

funcionamiento de la tarjeta.

Para adquirir el vector de datos de la velocidad del eje del generador o eje de alta

y graficarlo en la Figura 5.2 se utiliza la misma tarjeta eZdspF2812, siendo esta la unica

herramienta disponible para adquirir los datos de la prueba cuya duracion es de 1Hr.

Se adquiere cada dato almacenado en la memoria de la tarjeta mediante la herra-

mienta de comunicacion RTDX y se guarda en el espacio de trabajo de MATLAB en forma

de vector, para que sea procesado posteriormente.

Se presenta una acercamiento5 en la Figura 5.3 para observar el error en una escala

de tiempo menor, el resultado obtenido es satisfactorio (en la seccion 5.3 se analiza el

desempeno del sistema).

Puede observarse en esta nueva escala de tiempo que el sistema a simple vista ya

no presenta caracter de “excelente”, como se habıa apreciado anteriormente con la es-

cala mayor. La lınea punteada indica la velocidad de referencia obtenida a partir de la

simulacion y la lınea en negrita indica la velocidad real adquirida mediante la tarjeta

eZdspF2812.

5El acercamiento corresponde al intervalo comprendido entre 2100s y 2300s de la Figura 5.2

5.2. RESULTADOS EXPERIMENTALES 61

2100 2120 2140 2160 2180 2200 2220 2240 2260 2280 23003000

3200

3400

3600

3800

4000

4200

4400

4600

4800



Vel

oci

dad

en

el e

je d

e al

ta r

pm

Figura 5.3: Acercamiento de la Figura 5.2.

La siguiente prueba consistio en poner en funcionamiento ambos sistemas6, se pro-

puso un perfil que provocara el paso de la velocidad subsıncrona a la supersıncrona y

viceversa; Figura 5.4(a) y 5.4(b) respectivamente.

En el cambio de velocidad subsıncrona a supersıncrona se obtiene el comportamiento

detallado de la tension generada en el estator y de la corriente inyectada en el devanado

del rotor. En el cambio de velocidad supersıncrona a subsıncrona permite observar el

seguimiento del control ante cambios de velocidad en sentido opuesto.

El cambio de fases de la corriente del rotor para cambios de velocidad por abajo y

por arriba de la velocidad sıncrona, comprueban la operacion del banco de pruebas similar

al presentado en simulacion, esto se puede apreciar en la Figura 5.4. El objeto de presentar

esta figura se debe a que se quiere mostrar que ambos sistemas se encuentran acoplados y

funcionando, sin embargo para mayores detalles se debe consultar la referencia [1].

6Sistema de generacion electrica y sistema emulador.


(a) Paso de velocidad subsıncrona a supersıncrona. (b) Paso de velocidad supersıncrona a subsıncrona.

Figura 5.4: Operacion del del sistema durante las transiciones

5.3 Desempeno del sistema emulador

En esta seccion se presenta la valoracion cuantitativa de las bondades del sistema emu-

lador de turbina eolica mediante el ındice de desempeno o comportamiento y mediante la

desviacion estandar. En el diseno de un sistema de control, es importante que el sistema

cumpla con las especificaciones de comportamiento deseadas.

5.3.1 Indice de desempeno del sistema emulador

Como los sistemas de control son dinamicos, se puede evaluar su comportamiento en

funcion de terminos de respuesta transitoria ante determinadas entradas, tales como es-

calon, rampa y otras; o se pueden dar especificaciones en terminos de un ındice de de-

sempeno o comportamiento.

Un ındice de desempeno es un numero que indica el grado de beneficio del sistema,

es decir, es una medida cuantitativa del desempeno que senala la desviacion respecto al

comportamiento ideal. La evaluacion de un sistema se puede considerar aceptable si los

valores de los ındices de desempeno son un mınimo o un maximo, segun el caso.

Los requerimientos de los ındices de desempeno deben:

brindar selectividad, es decir, un ajuste optimo de los parametros que se distingue

claramente de los ajustes que no son optimos,

presentar un unico valor numerico positivo o cero, este ultimo se obtiene sı y sola-

mente sı la medida de desviacion es identicamente cero,

5.3. DESEMPENO DEL SISTEMA EMULADOR 63

ser una funcion de los parametros del sistema y debe presentar un maximo o un

mınimo,

ser facilmente calculables, en forma analıtica o mediante computadora.

Sea un sistema de control cuya salida deseada sea r ptq y salida real sea c ptq, el error

e ptq se define como:

e ptq r ptq c ptq (5.1)

En la literatura se han propuesto varios ındices de desempeno basados en el error,

que son integrales de alguna funcion de la salida del sistema en sı, con la entrada deseada.

Los ındices de desempeno mas comunmente utilizados son la Integral Absoluta del Error

(IAE) y la Integral del Tiempo por el valor Absoluto del Error (ITAE) cuyas formulas son:

IAE » t0|e ptq| dt (5.2)

ITAE » t0t |e ptq| dt (5.3)

Un sistema evaluado con el criterio IAE es un sistema con amortiguamiento razonable

y con caracterıstica satisfactoria de respuesta transitoria. Sin embargo, este ındice de

desempeno no se puede evaluar facilmente por medios analıticos.

Por otro lado, en el sistema evaluado con el criterio ITAE, un error inicial grande en

la respuesta transitoria pesa poco y los errores que se presentan mas tarde son penalizados

severamente. El sobreimpulso en la respuesta transitoria es pequeno, las oscilaciones son

bien amortiguadas y posee buena selectividad [28]-[29].

A continuacion se presentan los resultados obtenidos aplicando los ındices de rendi-

miento al sistema emulador. En la Figura 5.5(a) se presenta el error absoluto de ambas

senales donde se puede observar que el error maximo es de 1000rpm aproximadamente.

El error se evaluo durante 1Hr el mismo tiempo que dura la prueba en el laboratorio.

En la Figura 5.5(b) y en la Figura 5.5(c) se presentan las graficas de los ındices de

rendimiento del sistema emulador, el IAE y el ITAE respectivamente. En estas graficas se

puede observar la tendencia del error a permanecer constante. En la Tabla 5.3 se presentan

los ındices numericamente y se puede observar que el IAE es de 40.86 rpmhr

mientras que el


ITAE es de 70392.22 rpmseghr

.

Tabla 5.3: Indices de desempeno IAE e ITAE evaluados numericamente

IAE ITAE

40.86 rpmhr

70392.22 rpmseghr

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 35000

500

1000

1500Error absoluto entre la velocidad deseada y la real


Err

or

en r

pm

(a) Error absoluto eptq

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 40000

5

10

15x 10

4 IAE entre la velocidad deseada y la real


rpm

(b) Indice de desempeno IAE.

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 40000

0.5

1

1.5

2

2.5

3x 10

8 ITAE entre la velocidad deseada y la real


rpm

(c) Indice de desempeno ITAE.

Figura 5.5: Indices de desempeno del sistema emulador


5.3.2 Desviacion estandar del sistema emulador

Para definir la desviacion estandar, que por mucho es la medida de variacion usada con

mayor frecuencia, primero se debe comenzar definiendo la “media”, que es la medida mas

popular de la tendencia central y lo que los estadistas llaman media aritmetica, esta se

define como sigue: La media aritmetica o promedio, de una cantidad finita de numeros, es

igual a la suma de todos ellos dividida entre el numero de sumandos (ecuacion 5.4).

x °x

n(5.4)

La desviacion estandar es una medida del grado de dispersion de los datos de la

media. Dicho de otra manera, la desviacion estandar es simplemente la variacion esperada

respecto a la media aritmetica y por tanto, se mide en las mismas unidades que la variable.

Para conocer con detalle un conjunto de datos, no basta con conocer las medidas de

tendencia central, sino que necesitamos conocer tambien la desviacion que representan los

datos en su distribucion, con objeto de tener una vision de los mismos mas acorde con la

realidad a la hora de describirlos e interpretarlos para la toma de decisiones.

Una desviacion estandar grande indica que los puntos estan lejos de la media, y una

desviacion pequena indica que los datos estan agrupados cerca de la media. La ecuacion

5.5 expresa la desviacion estandar [30].

s gffe° px xq2

n 1(5.5)

Por lo tanto se utiliza el criterio de la desviacion estandar para evaluar que tanta

variacion tiene el sistema real contra la simulacion y ası determinar que “tan bueno” es el

sistema desarrollado. Aplicando las ecuaciones 5.4 y 5.5 a las graficas presentadas en la

Figura 5.2 se obtiene la Tabla 5.4 con los valores para la media y la desviacion estandar.

Tabla 5.4: Desviacion estandar para grafica de la Figura 5.2

Senal Media Desviacionestandar

Diferencia

Deseada 2518.9 1176.41.6

Real 2532 1174.8


Mediante la tabla anterior se puede observar que tanto la media como la desviacion

estandar en ambos sistemas (real y simulado) son bastante similares, obteniendo una

diferencia de apenas 1.6rpm para la desviacion estandar. Lo anterior suena algo anormal

ya que si observamos la Figura 5.3 a simple vista se nota que la desviacion deberıa ser

mayor.

Sin embargo, el calculo de la desviacion estandar se realizo para todo el conjunto de

muestras obtenido a partir de la prueba de 1Hr realizada en el laboratorio de maquinas

electricas. Por lo tanto, para el total de la prueba se obtiene un resultado satisfactorio.

Para corroborar lo anteriormente mencionado se presenta un acercamiento de la

prueba realizada, en donde se presenta un mayor error entre ambas senales (Figura 5.6).

El calculo de la desviacion estandar se realiza en una escala de apenas 120s.

400 420 440 460 480 500 5201200

1300

1400

1500

1600

1700

1800


Escala de tiempo 400s a 520s

Vel

oci

dad

en

el e

je d

e al

ta r

pm

Figura 5.6: Acercamiento de la Figura 5.2 para el calculo de la desviacion estandar.

En la Tabla 5.5 se presentan los valores de la media y la desviacion estandar calcu-

lados a partir de la grafica presentada en la Figura 5.6. Se puede observar que ahora la

diferencia es mayor 9rpm, lo que ındica un peor ajuste y se puede observar claramente en

la Figura 5.6.

Para concluir, se puede decir que de todo el conjunto de muestras obtenidas durante


la prueba realizada en el laboratorio, la mayorıa ajustan de mejor manera con la referencia,

obteniendo ası un buen desempeno del sistema.

Tabla 5.5: Desviacion estandar para grafica de la Figura 5.6

Senal Media Desviacionestandar

Diferencia

Deseada 1567.9 150.7059

Real 1570.7 141.70


Capıtulo 6

Conclusiones y

trabajos futuros

6.1 Conclusiones

Hoy en dıa el estudio y el mejoramiento de la generacion de energıas alternas se encuentra

en crecimiento continuo a nivel mundial. Con la creciente demanda de energıa a la red

electrica y con los altos niveles de contaminantes producidos por la generacion mediante

combustibles fosiles, es necesario desarrollar tecnologıa que contribuya con el estudio y

mejoramiento de la generacion de energıas alternas.

Por tanto, el trabajo desarrollado en esta tesis contribuye con el reto del estudio de

la generacion de energıas alternativas que se tiene actualmente a nivel mundial. Particu-

larmente estudia la generacion eolica, permitiendo realizar estudios en zonas donde no se

tenga el recurso natural del viento.

Con el desarrollo, analisis e investigacion de este trabajo de tesis se valida la pro-

puesta de solucion1 planteada al inicio del trabajo de tesis, ya que sı es posible reproducir

el comportamiento de una turbina eolica real mediante el uso de un motor de CD (Figura

5.2), controlado mediante una estructura de control tipo PI (Figura 4.4) e impulsado por

dos convertidores tipo troceador (Figura B.2).

Se lograron dos de los principales alcances propuestos inicialmente:

1Como propuesta de solucion se propone disenar e implementar experimentalmente un emulador deturbina eolica que permita reproducir perfiles de viento reales mediante el uso de un motor de CD.

69

70 CAPITULO 6. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS

la implementacion en simulacion del modelo del sistema completo de generacion

electrica, incluyendo el emulador de turbina eolica en MATLAB/SIMULINK, y el

desarrollo de

un emulador de turbina eolica que permita reproducir el comportamiento de una

turbina ante perfiles de viento reales.

De las etapas que conforman el sistema emulador, el motor de CD que emula el

comportamiento de una turbina eolica opera satisfactoriamente en ambas zonas (nominal

y de debilitamiento). En el laboratorio de maquina electricas de CENIDET fue posible

operar el emulador con una dinamica mucho mas rapida de la que normalmente se presenta

en las turbinas reales y a pesar de la mala calidad del sensor de velocidad se logra un

seguimiento aceptable de la referencia de velocidad. Esto se puede verificar mediante los

ındices de desempeno en la seccion 5.3.

Para optimizar el tiempo de la prueba se remuestrea el perfil de viento medido por

el Instituto de Investigaciones Electricas en La Venta, Oaxaca durante el mes de Enero de

2006. Tanto el perfil como las caracterısticas de la turbina eolica (Tabla 3.1) corresponden

a un sistema con una dinamica mayor al que normalmente ofrecerıa un sistema real del

orden de los Kilowatts o mas.

Finalmente, se enlistan las aportaciones que ofrece este trabajo de tesis; algunas de

ellas fueron pensadas y buscadas desde el inicio del trabajo, pero otras simplemente se

dieron naturalmente debido a la relevancia que tiene actualmente el tema de investigacion.

Se completa el banco de pruebas disponible en el laboratorio de maquinas electricas

de CENIDET, con un emulador de turbina eolica y se aumenta la capacidad mediante

un motor de CD de suficiente potencia.

La implementacion realizada en este trabajo (utilizando la tarjeta eZdspF2812 y

MATLAB/SIMULINK) es la primera realizada en CENIDET y en la literatura re-

visada a la fecha.

Se genera un artıculo y se acepta para su publicacion en el congreso internacional

Power Electronics Specialist Conference (PESC’07) para celebrarse en la ciudad de

Orlando, Florida, USA.

6.2. TRABAJOS FUTUROS 71

De lo anterior se puede concluir que los resultados obtenidos cumplen con las metas

y objetivos fijados al inicio del trabajo de investigacion. En la siguiente seccion se presen-

taran los posibles trabajos futuros, propuestos gracias a la experiencia obtenida a partir

del desarrollo de esta tesis.

6.2 Trabajos futuros

Los posibles trabajos futuros que se proponen en base a lo observado durante el desarrollo

de este trabajo de tesis se enlistan a continuacion:

realizar un escalamiento en potencia del banco de pruebas actual; aumentar la po-

tencia del motor de CD, la MIDA y la carga

re-implementar todo el sistema completo mediante el uso de la tarjeta eZdspF2812,

englobando el sistema emulador de turbina eolica y el sistema de generacion de

energıa basado en la maquina de induccion doblemente alimentada MIDA; o bien

buscar otra alternativa de implementacion, por ejemplo un Field Programable Gate

Array (FPGA) por sus siglas en ingles

implementar el sistema de generacion con la posibilidad de conectarlo a la red de

distribucion

completar el banco de pruebas con el convertidor del lado de la red Grid Side Con-

verter (GSC) por sus siglas en ingles y optimizar el convertidor back-to-back de

acuerdo a la potencia del sistema de generacion

implementar diferentes tipos de controladores para la MIDA una vez que todo lo

anteriormente mencionado este optimizado y se encuentre disponible para trabajar

72 CAPITULO 6. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS

Referencias

[1] J. Rodrıguez, “Diseno e implementacion de un sistema aislado de generacion electrica

basado en un convertidor back-to-back,” Tesis de Maestrıa, CENIDET, Cuernavaca,

Mor, junio 2005.

[2] J. G. Slootweg, H. Polinder, and W. Kling, “Dynamic modelling of a WT with a

DFIG,” Power Engineering Society Summer Meeting, vol. 1, pp. 644–649, July 2001.

[3] J. G. Slootweg, H. Polinder, and W. K., “Initialization of wind turbine models in

power system dynamics simulations,” Power Tech Proceedings, vol. 4, p. 6, Sept.

2001.

[4] B. Rabelo, W. Hofmann, and M. Gluck, “Emulation of the static and dynamic be-

havior of a wind turbine with a dc machine drive,” PESC, vol. 3, pp. 2107–2112, June

2004.

[5] H. M. Kojabadi, L. Chang, and T. Boutot, “Development of a novel wind turbine

simulator for wind energy conversion systems using an inverter-controlled induction

motor,” IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 19, pp. 547–552, Sept. 2004.

[6] Q. Wang and L. Chang, “An intelligent maximum power extraction algorithm for

inverter-based variable speed wind turbine systems,” IEEE Transactions on Power

Electronics, vol. 19, pp. 1242–1249, Sept. 2004.

[7] R. Cardenas, R. Pena, G. M. Asher, and J. Clare, “Experimental emulation of wind

turbines and flywheels for wind energy applications,” EPE, vol. 1, p. 10, Aug. 2001.

73

74 REFERENCIAS

[8] F. Iov, “Contributions to modelling, analysis and simulation of ac drive systems.

application to large wind turbines,” Master’s Thesis, Dunarea de Jos University,

Galati, ROM, june 2003.

[9] J. F. Manell, J. G. McGowan, and A. L. Rogers, Wind Energy Explained Theory,

Design and Application. West Sussex, England: John Wiley and Sons, 2002.

[10] S. Heier and R. Waddington, Grid Integration of Wind Energy Conversion Systems.

West Sussex, England: John Wiley and Sons, 1998.

[11] P. Carlin, A. Laxson, and E. Muljadi, “The history and the state of the art of variable-

speed wind turbine technology,” National Renewable Energy Laboratory (NREL),

1617 Cole Blvd, Golden CO, USA, Technical Report NREL/TP500-28607, 2001.

[12] T. Burton, D. Sharpe, N. Jenkins, and E. Bossanyi, Wind Energy Handbook. West

Sussex, England: John Wiley and Sons, 2001.

[13] A. Petersson, “Analysis, modeling and control of doubly-fed, induction generators for

wind turbines,” Master’s Thesis, Chalmers Technical University, Sweden, june 2003.

[14] D. Matko, R. Karba, and B. Zupancic, Simulation and modelling of continuous sys-

tems. Salisbury, UK: Prentice Hall, 1992.

[15] B. C. Kuo, Automatic Control Systems. New York, USA: John Wiley, 2003.

[16] K. Ogata, Dinamica de Sistemas. Mexico: Prentice-Hall, 1987.

[17] C. M. Close, Modeling and analysis of dynamic systems. Dallas: Houghton Mifflin,

1993.

[18] IEEE Standard Test Procedure for Polyphase Induction Motors and Generators, IEEE

Power Engineering Society Std. 112, 2004.

[19] J. S. Chapman, Maquinas Electricas. Bogota, COL: Mcgraw hill, 1993.

[20] A. E. Fitzgerald, C. Kingsley, and S. D. Umans, Maquinas Electricas. New York,

USA: Mcgraw hill, 1992.

[21] P. C. Krause, O. Wasynczuk, and S. D. Sudhoff, Analysis of Electric Machinery and

Drive Systems. Piscataway, NJ: Wiley-Interscience, 2002.

Referencias 75

[22] IEEE Guide: Test Procedures for Direct-Current Machines, IEEE Power Engineering

Society Std. 113, 1985.

[23] M. H. Rashid, Electronica de Potencia: Circuitos, Dispositivos y Aplicaciones. New

Jersey, N.Y.: Prentice Hall, 1995.

[24] A. Cortes, “Control digital aplicado a un tipo de convertidor corrector del factor de

potencia monofasico,” Tesis de Maestrıa, CENIDET, Cuernavaca, Mor, Agosto 2006.

[25] The MathWorks, Inc. (2006, Nov.) Embedded target for ti c2000 dsp. [Online].

Available: http://www.mathworks.com/access/helpdesk/help/toolbox/tic2000/

[26] M. A. Borja, O. A. Jaramillo, and F. Mimiaga, Primer Documento del Proyecto

Eoloelectrico del Corredor Eolico del Istmo de Tehuantepec. Cuernavaca, Morelos,

Mexico: IIE, 2005.

[27] M. A. Borja, Estado del arte y tendencia de la tecnologıa eoloelectrica. Cuernavaca,

Morelos, Mexico: IIE, 1998.

[28] V. O. Segura, “Control neurodifuso multivariable aplicado al control de velocidad, po-

tencia y temperatura de gases de escape de una unidad turbogas,” Tesis de Maestrıa,

CENIDET, Cuernavaca, Mor, noviembre 2004.

[29] K. Ogata, Ingenierıa de Control Moderna, Segunda Edicion. Mexico: Prentice-Hall,

1993.

[30] J. E. Freund and G. A. Simon, Estadıstica Elemental. Mexico: Prentice-Hall, 1994.

76 REFERENCIAS

Anexo A

Configuracion del RTDX

En la Tabla A.1 se enlistan las instrucciones que se utilizan para configurar la herramienta

de comunicacion RTDX.

Tabla A.1: Listado para configurar la herramienta RTDX.

Listado

if myexist(‘CC Obj’)cc=CCS Obj;

elsecc=ccsdsp;

endoutfile=‘C:zMATLABzR2006azworkzRESULTADOS2zWTE2 c2000 rtwzWTE2.out’;load(cc,outfile);configure(cc.rtdx,1024,8);open(cc.rtdx,‘ichan1’,‘w’);open(cc.rtdx,‘ochan1’,‘r’);set(cc.rtdx,‘timeout’,20);enable(cc.rtdx,‘ichan1’);enable(cc.rtdx,‘ochan1’);enable(cc.rtdx);disp(‘Escribe un perfil de Viento de tamano [720x1] de tipo double’);disp(‘con la siguiente instruccion: writemsg (cc.rtdx,‘ichan1’,Vw)’);pause disp(‘Para saber cuantos msgs hay en el buffer utilize:’);disp(‘msgcount(cc.rtdx,‘ochan1’)’);pausedisp(‘Para leer un numero determinado de msgs utilizar:’);disp(‘readmsg(cc.rtdx,‘ochan1’,‘double’,3)’);disp(‘Arranque el emulador con run(cc)! ! ! !’);

77

78 ANEXO A. CONFIGURACION DEL RTDX

Anexo B

Extras de la etapa de potencia

En la Tabla B.1 se enlistan los dispositivos utilizados en la implementacion de la etapa de

potencia destinada a impulsar el motor de CD.

Tabla B.1: Listado de los dispositivos utilizados

Tipo de dispositivo Numero de parte Cantidad

regulador de voltaje 5V MC78L05ACP 2regulador de voltaje 15V PTB48510C 1optoacoplador HCPL 2611 2impulsor MIC 4452 2sensor de corriente CSLA2CD 2diodo MUR 620CTG 1diodo MUR 1560 1rectificador BR84D 1interruptor IRF840 1interruptor NTP30N20G 1

Se utiliza el programa para realizar circuitos esquematicos y circuitos impresos PCB

ProtelDXP, el esquematico se presenta en la Figura B.1 y la fotografıa con el prototipo

terminado se presenta en la Figura B.2.

En el disco adjunto en este documento de tesis se incluyen los archivos con los

circuitos realizados en ProtelDXP.

79

80 ANEXO B. EXTRAS DE LA ETAPA DE POTENCIA

1

1

2

2

3

3

4

4

D D

C C

B B

A A

Title

Number RevisionSize

Legal

Date: 04/12/2006 Sheet of File: C:\Archivos de programa\..\CHOPPERS.SchDocDrawn By:

A2

K3

C6

E5

Ve

7nc

4

nc1

Vcc

8

OP1

100nC1

.33ufC2

100nfC3

10ufC4

SIGNALgnd

12

PWMA

390

R1

2.7K

R3

10

R5

5V

5V

MIC-4452

VS1

OUT6

OUT7

GND4

GND5

VIN2

NC3

VS8

IMP1

15V

15V

100nC5

10ufC6 100n

C1310ufC14

HCPL-2611OP2

100nC7

10uf11

22

C8

390

R2

2.7K

R4

10

R6

MIC-4452

VS1

OUT6

OUT7

GND4

GND5

VIN2

NC3

VS8

IMP2

15V

100nC9

10uf11

22

C10 100nC11

10ufC12

100V

12

PWMF

12

cn100V

D2

G1

S3

NTP30N20GQ1

D2

G1 S

3

IRF840Q2

A

-

+ARM

MUR-1560

A1

K2

D1

GNDPW

100V

out2

Vss1

in5

out4

gnd3

CSLA2CD

SENSOR

M

FIELD

.33ufC151

2

Scurr

100V

12

T_SEC

.068@250VC18

CMC UT20

in1

OUT4

OUT3

in2

EMI_filter

AC2

AC3

V+1

V-4

BR84D

220uf@100VC19

PTB48510C

Sync In2

+Vin1

+Vout5

com6

Enable3

-Vin4

Vo Adj7

-Vout8

CDCD

1.5240KR7

15V

5V2

Circuito Chopper con Impulsores

70V

70Vgnd

A1

K2

A3

MUR620CTGD2

Vin3

GND

2

Vout1

GND

MC78L05ACPU1

1

2JUMPER

JP1

5V

.33uf11

22

C22100nfC33

SIGNALgnd

5V215VVin

3

GND

2

Vout1

GND

MC78L05ACPU2

PWR1

PWR2

PWR3

12

puente2

12

puente1

12

puente4

12

puente5

1 2

puente6

1 2

puente7

out2

Vss1

in5

out4

gnd3

CSLA2CD

SENSOR2

PWR4

.33ufC20

5V2

12

Scurr2

PWMA

PWMF

cn100V

T SEC

cn15V

A1

A2

F1

F4 Ñ

Sarm

Sfield

Figura B.1: Diagrama esquematico de los troceadores.

T_SEC

PWMF

PWMA

Sarm

Sfield

Cn15V

- +

+

-

+

-

-

++

-

Cn100V

-

+-

+-

+

A1

A2

F1F4

Figura B.2: Troceadores implementados.

Anexo C

Guıa de inicio rapido para la tarjeta

eZdspF2812

La informacion presentada en este anexo tiene como objetivo facilitar la puesta en marcha

de la tarjeta eZdspF2812 mediante MATLAB/SIMULINK. Al inicio de esta investigacion

se presentaron ciertos problemas para poner en marcha la tarjeta, sin embargo sı se sigue

con lo descrito en este anexo se evitaran los mismos.

Se tratara de ser breve y conciso en la explicacion de cada uno de los puntos necesarios

para la puesta en marcha de la tarjeta. Ya que esta solo es una guıa de inicio rapido en

donde cualquier usuario con conocimientos unicamente de SIMULINK sera capaz de poner

en marcha la tarjeta eZdspF2812.

La informacion de este anexo esta organizada de la siguiente manera:

1. Requerimientos mınimos de hardware y tarjetas soportadas.

2. Requerimientos de software del sistema y modo de instalacion.

3. Configuracion basica del SIMULINK.

C.1 Requerimientos de hardware

La computadora debe cumplir con los siguientes requerimientos mınimos necesarios para

poder arrancar la tarjeta eZdspF2812 mediante MATLAB/SIMULINK.

procesador Intel Pentium o compatible

81

82 ANEXO C. GUIA DE INICIO RAPIDO PARA LA TARJETA EZDSPF2812

64MB de memoria RAM (recomendado 128MB)

3.1GB libres de disco duro para instalar (MATLAB/SIMULINK y CCS)

monitor a color

un puerto paralelo para conectar la tarjeta eZdspF2812 a la computadora

unidad lectora de CD o DVD

Las tarjetas soportadas por la herramienta de SIMULINK Embedded Target for TI

C2000 se enlistan en la Tabla C.1; entre las abajo listadas se encuentra la tarjeta utilizada

en la implementacion de este trabajo de tesis. El contenido del kit eZdspF2812 se presenta

la Figura C.1, con lo que se concluye con la seccion C.1.

Tabla C.1: Tarjetas soportadas

Tarjetas de inicio (DSK) de lacompanıa Spectrum Digital

Tarjetas basadas en cualquierade los siguientes DSC’s de TI

DSK eZdsp320F2812 TMS320F2801 TMS320F2810DSK eZdsp320F2808 TMS320F2802 TMS320C2811

DSK eZdsp320LF2407 TMS320F2806 TMS320F2811TMS320F2808 TMS320R2811TMS320F2809 TMS320C2812TMS320C2810 TMS320F2812

Figura C.1: Contenidos del kit eZdspF2812.

C.2. REQUERIMIENTOS DE SOFTWARE 83

C.2 Requerimientos de software

En esta seccion se presentan los puntos claves necesarios para la instalacion del software

MATLAB/SIMULINK y del CCS. El espacio requerido en disco duro para la instalacion

del MATLAB/SIMULINK es de 2.65GB y para la instalacion del CCS es de 450MB.

Antes de comenzar con la instalacion es necesario considerar la compatibilidad entre

ambos paquetes, ya que es necesario instalar la version adecuada de cada uno de

ellos; si no se instalan las versiones adecuadas se generaran errores al momento de compilar

algun archivo. En la Tabla C.2 se muestra la version de cada software instalado en la PC

donde se implemento el sistema emulador.

Una ultima consideracion que debe tomarse en cuenta es la ruta de instalacion de

ambos paquetes, ya que no debe tener espacios en blanco; si se dejan espacios en

blanco en la ruta de instalacion se generaran errores al momento de compilar. En la Tabla

C.2 se muestran las rutas de instalacion utilizadas en este trabajo de tesis para ambos

paquetes.

Tabla C.2: Version del software utilizadoSoftware Version Carpeta de instalacion

MATLAB R2006A C:zR2006aCCS 3.1 C:zCCStudio v3.1

Junto con lo anterior, se debe verificar que se incluyen los complementos adicionales

de MATLAB, ya que estos son necesarios para que el funcionamiento del sistema sea

correcto. Los complementos deben incluirse al inicio de la instalacion, sin embargo si ya

se cuenta con una instalacion unicamente se debe instalar el complemento faltante. Los

complementos necesarios se listan en la Tabla C.3.

Por otro lado, con la instalacion del software CCS tambien se instalan complementos

adicionales y se debe verificar que estos se hayan instalado. En la Tabla C.3 se presentan los

complementos que deben instalarse junto con el CCS. Si se instalan las versiones sugeridas

en la seccion C.2, todo el software anteriormente descrito y presentado en la Tabla C.3

sera compatible entre sı.


Tabla C.3: Complementos

Complementos de MATLAB Complementos de CCS

SIMULINK Fixed Point AssemblerLink for Code Composer Studio Compiler

Real-Time Workshop LinkerFixed-Point Toolbox TI C2000 miscellaneous utilities

Signal Processing Toolbox Code Composer Setup UtilityReal-Time Workshop Embedded Coder

Signal Processing BlocksetSIMULINK Accelerator

Para determinar si la Embedded Target for TI C2000 DSP esta instalada en el sis-

tema, se debe teclear en el espacio de trabajo de MATLAB el siguiente comando:

c2000lib

MATLAB despliega el bloque Embedded Target for TI C2000 DSP (Figura C.2)

conteniendo las librerıas que lo conforman.

Block Libraries forEmbedded Target for Texas Instruments(tm)

TMS320C2000 DSP PlatformCopyright 2003-2005 The MathWorks, Inc.

General Chip Support Optimized Libraries

C2800 RTDXInstrumentation

Info

Host-sideCAN Blocks

Demos

C28x IQmathLibrary

C28x DMCLibrary

C281x DSPChip Support

C280x DSPChip Support

C2400 DSPChip Support

C2000 TargetPreferences

Figura C.2: Librerıas que conforman el bloque Embedded Target for TI C2000 DSP.

C.3. CONFIGURACION BASICA DEL SIMULINK 85

Sı no se despliega el bloque que se presenta en la Figura C.2 o MATLAB no reconoce

el comando, entonces sera necesario instalar el Embedded Target for TI C2000 DSP. Sin

este software no sera posible utilizar SIMULINK y Real-Time Workshop para desarrollar

aplicaciones en la tarjeta eZdspF2812.

Para verificar si el software CCS se encuentra instalado en el sistema teclear el

siguiente comando en el espacio de trabajo de MATLAB:

ccsboardinfo

Con el CCS instalado y configurado, MATLAB regresa informacion acerca de las

tarjetas que son reconocidas en la PC. En la Figura C.3 se muestra la manera en que

MATLAB despliega la informacion en pantalla.

Figura C.3: Lista de tarjetas instaladas en el PC.

Cumpliendo con lo anteriormente descrito se tendra un sistema listo para operar,

restando configurar algunas opciones de SIMULINK que son presentadas en la siguiente

y ultima seccion de esta tesis.

C.3 Configuracion basica del SIMULINK

Antes de generar un modelo en SIMULINK se deben configurar ciertos parametros basicos.

En esta seccion se presentara la configuracion utilizada en esta tesis, pero debe dejarse

claro que esta configuracion podrıa variar segun la aplicacion que se desee generar.

Cuando se arrastra el bloque Target Preferences en el diagrama SIMULINK, au-

tomaticamente se configuran los parametros basicos de la simulacion. Sin embargo, tambien

se pueden modificar esos valores de modo manual, accediendo mediante: Simulation ÑConfiguration Parameters.

En modo manual, se configura lo siguiente:


Siguiendo la ruta SimulationÑ Configuration ParametersÑ SolverÑ Solver

Options se debe especificar el metodo de integracion que en este caso se selecciona

el Fixed-step y discrete (no continuous states).

Ahora bajo la ruta Simulation Ñ Configuration Parameters Ñ Real-Time

Workshop Ñ System target file se especifica el tipo de sistema que se requiere

trabajar y en este caso se selecciona el archivo ti c2000 ert.tlc, enseguida se justifica

el motivo de esta configuracion..

Un sistema generico en tiempo real (GRT por sus siglas en ingles), es la configuracion

destinada a generar codigo para un sistema en tiempo real si el codigo resultante sera eje-

cutado en una estacion de trabajo o PC, si se requiere un sistema con estas caracterısticas

se debe elegir el archivo ti c2000 grt.tlc bajo la ruta Simulation Ñ Configuration Pa-

rameters Ñ Real-Time Workshop Ñ System target file.

Un sistema embebido en tiempo real (ERT por sus siglas en ingles), es la configu-

racion destinada a generar codigo para un sistema en tiempo real si el codigo resultante sera

ejecutado de modo independiente en una tarjeta de desarrollo, si se requiere un sistema

con estas caracterısticas se debe elegir el archivo ti c2000 ert.tlc bajo la ruta Simulation

Ñ Configuration Parameters Ñ Real-Time Workshop Ñ System target file.

Esta opcion requiere del complemento Real-Time Workshop Embedded Coder.

Con la configuracion anterior se genera codigo en tiempo real y se descarga en la

tarjeta eZdspF2812 dando clic en Build bajo la ruta Simulation Ñ Configuration

Parameters Ñ Real-Time Workshop.

196MC_rod

Documents