Desarrollo, optimización y caracterización de una planta de pruebas para máquinas de inducción trifásica: implementación de la estimación de torque, medición de parámetros en tiempo real y control lineal

Abstract

En el mundo actual, la investigación y desarrollo de métodos de generación de energía renovable es de vital importancia, especialmente en el contexto de la creciente demanda energética y la preocupación por el impacto ambiental de las fuentes de energía convencionales. Dentro de este escenario, las máquinas de inducción trifásica se presentan como una tecnología prometedora para la generación de energía eléctrica a partir de fuentes renovables. Sin embargo, su aplicación eficiente requiere sistemas de prueba bien diseñados y eficaces que permitan validar y evaluar diferentes modelos matemáticos de control. En este documento se detalla el trabajo final de graduación para el grado de Licenciatura en Ingeniería en Electrónica en el Tecnológico de Costa Rica. Este trabajo se centra en optimizar y caracterizar una planta de pruebas para controladores de maquinas de inducción trifásica, ubicado en el Centro Académico de Alajuela del Tecnológico de Costa Rica, superando las limitaciones existentes en términos de medición de parámetros clave, estimación indirecta del torque, modularización y monitoreo en tiempo real. Se propone el diseño de un módulo de placa de circuito impreso (PCB) para la adquisición y procesamiento en tiempo real de variables clave, implementando una estimación indirecta del torque para el sistema generador. Se desarrolla un modelo de control automático lineal para regular la velocidad de operación del sistema y se implementa una interfaz gráfica de usuario para monitorizar el comportamiento del sistema. La precisión en la representación del comportamiento de los motores de inducción, a través del modelo equivalente, presenta un error inferior al 4% en comparación con las especificaciones proporcionadas por el fabricante. Además, la implementación de la estimación indirecta del torque ha resultado en una mejor comprensión del comportamiento de estos motores.

In today’s world, the research and development of renewable energy generation methods are of vital importance, especially in the context of increasing energy demand and concern about the environmental impact of conventional energy sources. Within this scenario, three-phase induction machines present themselves as a promising technology for the generation of electrical energy from renewable sources. However, their efficient application requires well-designed and effective test systems that allow for the validation and evaluation of different mathematical control models. This document details the final graduation work for the Bachelor’s degree in Electronic Engineering at the Technological Institute of Costa Rica. This work focuses on optimizing and characterizing a test plant for controllers of three-phase induction machines, located at the Alajuela campus of the Technological Institute of Costa Rica, overcoming existing limitations in terms of key parameter measurement, indirect torque estimation, modularization, and real-time monitoring. The design of a printed circuit board (PCB) module is proposed for the acquisition and real-time processing of key variables, implementing an indirect torque estimation for the generator system. A linear automatic control model is developed to regulate the system’s operating speed, and a graphical user interface is implemented to monitor the system’s behavior. The accuracy in the representation of the behavior of induction motors, through the equivalent model, presents an error less than 4% compared to the specifications provided by motor manufacturers. In addition, the implementation of the indirect torque estimation has resulted in a better understanding of the behavior of these motors.