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Información tecnológica

versión On-line ISSN 0718-0764

Inf. tecnol. v.16 n.5 La Serena  2005

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-07642005000500013 

 

Información Tecnológica-Vol. 16 N°5-2005, págs.: 79-87

ARTICULOS VARIOS

Accionamientos de Reluctancia Autoconmutados para Vehículos Eléctricos

Switched Reluctance Drives for Electric Vehicles

P. Andrada, M. Torrent, B. Blanqué y J.I. Perat
Depto. de Ingeniería Eléctrica, E.P.S.E.V.G., Universidad Politécnica de Cataluña (UPC),
Victor Balaguer s/n, 08800 Vilanova i la Geltrú, Barcelona-España (e-mail: andrada@ee.upc.es)


Resumen

En este artículo se presentan las especificaciones requeridas por el accionamiento de un vehículo eléctrico con unas prestaciones similares a las de un vehículo con motor de gasolina de 1600 y 1800 cm3. Se comparan las diferentes alternativas de accionamientos eléctricos, en base a criterios objetivos, quedando de manifiesto las ventajas de los accionamientos de reluctancia autoconmutados. Luego se plantea una guía básica de diseño para los accionamientos de reluctancia autoconmutados, proponiéndose, además, el dimensionamiento de un accionamiento de este tipo que verifique las especificaciones del caso en estudio. Por último se procede a la simulación del motor, utilizando elementos finitos, y del accionamiento completo, mediante Matlab-Simulink. Los resultados obtenidos por simulación confirman a los accionamientos de reluctancia autoconmutados como una de las mejores alternativas para el grupo tractor de los vehículos eléctricos.


Abstract

This paper presents the drive requirements for an electric vehicle with output performances similar to 1600-1800 cm3 gasoline engines. Different types of electric drives are compared considering objective criteria, showing the advantages of the switched reluctance motor drive. Switched reluctance motor drive design guidelines are then described, where according to these guidelines, a drive verifying the case study requirements is proposed. Finally a simulation of the motor is presented using the finite elements method, and of the whole drive, using Matlab-Simulink. The simulation results confirmed that switched reluctance motor drive was one of the best alternatives for the power train of an electric vehicle.

Keywords: electric vehicle, electric drives, power drive train, switched reluctance motor


INTRODUCCIÓN

Las emisiones de los motores de combustión interna de los automóviles son la principal fuente de contaminación atmosférica en las ciudades y contribuyen de forma importante al efecto invernadero. En la actualidad hay 750 millones de vehículos con combustión interna en todo el mundo y su número no cesará de crecer en las próximas décadas con lo cual empeorará, aún más, la contaminación urbana. Evaluando el rendimiento sobre la base de la conversión energética desde el petróleo crudo a la fuerza tractora en las ruedas, hoy por hoy, los números que presentan los vehículos eléctricos, no son significativamente mejores que los de los motores de combustión interna. Sin embargo, la posibilidad de generar energía eléctrica en centrales con mayor rendimiento, centrales de gas natural de ciclo combinado, junto con la utilización de motores y controles más eficientes así como los avances en las tecnologías de las baterías y pilas o células de combustible, ofrecen enormes opciones de mejorar la eficiencia global.

La única alternativa para disminuir las emisiones atmosféricas, mejorar la eficiencia energética, reducir la dependencia del petróleo  e ir hacia una sociedad sostenible es apostar decididamente por los vehículos eléctricos. Esta apuesta requiere enormes esfuerzos humanos y materiales para superar el que ha sido y aún es principal escollo para el progreso de los vehículos eléctricos, el sistema de almacenamiento de energía, pero también para  desarrollar un sistema de propulsión eficiente, ligero, fiable y fácil de manufacturar. Distintos tipos de accionamientos eléctricos se han propuesto como grupo tractor para vehículos eléctricos destacando cada uno de ellos por algunas cualidades específicas. Uno de los accionamientos que mejor se adapta a todas las especificaciones requeridas es el motor de reluctancia autoconmutado (switched reluctance motor).

El motor de reluctancia autoconmutado ha estado siempre relacionado con la tracción eléctrica. El primer motor de reluctancia autoconmutado, obra de Robert Davidson, está documentado en el periodo 1837-1840, y una de sus primeras aplicaciones fue propulsar una locomotora en la línea férrea Glasgow-Edinburgh. No obstante, el rápido desarrollo de los motores de corriente continua en la segunda parte del siglo XIX, pronto eclipsó a los motores de reluctancia autoconmutados. La aparición de los interruptores de estado sólido controlados renovó el interés por los motores de reluctancia autoconmutados, sin embargo la era moderna del motor de reluctancia no empieza hasta finales de los años 70 del siglo pasado como consecuencia a los proyectos de investigación con vehículos eléctricos alimentados desde baterías realizados en las Universidades de Leeds y Nottingham y esponsorizados por Chloride Technical Ltd. (Lawrenson et al., 1980; Fulton, 1993). En los últimos años algunos importantes fabricantes de automóviles han desarrollado motores de reluctancia autoconmutados para el grupo tractor de sus prototipos de vehículos eléctricos (Uematsu y Wallace, 1995; Husain y Islam, 1999; Baush et al., 2000; Cheng et al., 2000, Inderka et al., 2001, Rahman y Schulz, 2001).

Este artículo muestra las aptitudes del motor de reluctancia autoconmutado, como grupo tractor para vehículos eléctricos alimentados con batería o con pila de combustible. Tras un breve resumen de la dinámica del vehículo eléctrico se dan las especificaciones requeridas por el accionamiento de un vehículo eléctrico con unas prestaciones similares a las de un vehículo propulsado con motor de combustión interna. A continuación se comparan las diferentes alternativas de accionamientos eléctricos para vehículos eléctricos, en base a criterios objetivos, quedando en evidencia la adecuación del accionamiento de reluctancia autoconmutado. Seguidamente se presenta una guía básica de diseño para este tipo de accionamientos, proponiéndose, además, el diseño de un accionamiento de reluctancia que verifique las especificaciones del caso en estudio. Finalmente se procede a la simulación del motor, utilizando elementos finitos, y del accionamiento completo, mediante Matlab-Simulink. Los resultados obtenidos de las simulaciones confirman las expectativas creadas por los accionamientos de reluctancia autoconmutados como grupo tractor para vehículos eléctricos.

ESPECIFICACIÓN DEL ACCIONAMIENTO

En un vehículo eléctrico, la fuerza motriz en la rueda o fuerza tractora, F, ha de ser capaz de vencer la fuerza gravitacional, la resistencia a la  rodadura, la oposición aerodinámica al avance, y de proporcionar la necesaria fuerza de aceleración (Chan y Chau, 2001). Por tanto la ecuación dinámica del movimiento viene dada por la ecuación:

  (1)

Donde c0 es la resistencia de rodadura de las ruedas, b es el ángulo con respecto al plano horizontal, m es la masa del vehículo, g es la aceleración de la gravedad, r es la densidad del aire, CD es el coeficiente de penetración aerodinámico, S es la sección frontal del vehículo, n es la velocidad del vehículo, n0 es la velocidad frontal del viento y km es el coeficiente de inercia rotacional. En este artículo estos parámetros que afectan a las características del accionamiento, se han fijado a los siguientes valores: Masa del vehículo en carga 1500 kg, velocidad de crucero 120 km/h, velocidad máxima 180 km/h, pendiente máxima 40%. Parámetros que son típicos de vehículos con motor de combustión interna de gasolina con cilindradas comprendidas entre 1600 y 1800 cm3.

La elección de la potencia necesaria para verificar estas especificaciones se basa en la envolvente de la fuerza tractora con respecto a la velocidad como se muestra en la Figura 1, derivada de la ecuación (1). Estudios recientes demuestran que las restricciones de operación como  la aceleración inicial y la pendiente, pueden alcanzarse con menores rangos de potencia si el grupo tractor trabaja preferentemente en la región de potencia constante (Ehsani et al., 1997; Moore et al., 1999).

Los vehículos eléctricos han de diseñarse y controlarse para optimizar el rendimiento y el frenado regenerativo. Gracias a los avances de la electrónica de potencia, pueden obtenerse elevados rendimientos en diferentes condiciones de carga de forma más sencilla por medios electrónicos que por medios mecánicos, por tanto se recurre a una relación de transmisión fija entre el motor y la rueda (Lange et al., 2000). La elección de la adecuada relación de transmisión involucra aspectos tales como el tamaño del motor, la frecuencia máxima y las pérdidas de potencia, especialmente las pérdidas en el hierro y en el convertidor. Un valor apropiado, para un radio de las ruedas de 0.3 m, está comprendido entre 5 y 12.

Para la propulsión eléctrica se necesitan fuentes de energía de elevadas prestaciones, como baterías (NiMH o Liion) o preferentemente pilas de combustible (con membrana intercambiadora de protones, PEM) (Bitsche y Friedrich 2000; Rajashekara 2000). La tensión en el bus de continua debe ser superior a los 300 V D.C., para evitar valores demasiado elevados de corriente, en el caso que ésta tensión no esté regulada, la potencia y el par exigibles al motor tienen  que poder proporcionarse a la tensión mínima.

Una vez fijadas las especificaciones del vehículo, las características del accionamiento para el caso en consideración son: potencia 75 kW, par máximo 220 Nm, velocidad base 3200 rpm, velocidad máxima alrededor de 12500 rpm, margen de operación a potencia constante 4 veces la velocidad base, y relación de transmisión igual a 9.

En la Figura 2 se muestra el par en el eje del motor en función de la velocidad, indicando las diferentes zonas de operación. Prestaciones adicionales que se han de considerar son: funcionamiento en los 4 cuadrantes, capacidad de sobrecarga (alrededor del 50 % de par máximo durante 90s de duración), elevado rendimiento (>85% en todas las zonas de trabajo, y >90% en las condiciones nominales), y peso reducido.

ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS

La selección de un accionamiento para vehículo eléctrico, con un único grupo tractor, ha de considerar las siguientes propiedades: densidad de potencia, sobrecarga, rendimiento, rango de velocidades, control, ruido, rizado de par, dimensiones y peso, robustez, mantenimiento, fabricación y coste.

Actualmente, varios accionamientos eléctricos cumplen con estos requisitos: accionamientos Brushless D.C. (BDCMD), accionamientos síncronos con imanes permanentes (SPMMD), accionamientos de reluctancia autoconmutados (SRMD), y accionamientos con motor de inducción o asíncrono (IMD).

Fig. 1: Envolventes de fuerza tractora-velocidad. Las líneas de puntos son líneas de isopotencia (10 a 100 kW); las líneas discontinuas representan la fuerza tractora respecto a la velocidad para distintos porcentajes de pendiente (0 al 45%).


Fig. 2: Característica par motor-velocidad.

La elección del mejor candidato se ha hecho ponderando las distintas propiedades o requisitos con la finalidad de optimizar la construcción y las prestaciones del accionamiento (Chang, 1994). Para ello se ha asignado a cada una de las propiedades antes mencionadas una valoración máxima, y se ha otorgado a cada uno de los candidatos, una puntuación de acuerdo a su adecuación a las mismas.

En la Tabla 1 se observa que los accionamientos con mejor puntuación global son, con el mismo número de puntos,  los accionamientos con motor de inducción y los accionamientos de reluctancia autoconmutados. Después de reconocer que los dos accionamientos reúnen méritos similares, la selección se ha decantado por el motor de reluctancia autoconmutado por su robustez (fiabilidad y capacidad de tolerar faltas) y facilidad de fabricación (simplicidad construítiva, ausencia de imanes y bobinas concentradas), que son cualidades muy importantes en la producción en masa de accionamientos para vehículos eléctricos.

Tabla 1: Comparación entre accionamientos para vehículos eléctricos: BDCMD (Brushless D.C.), SPMMD
(Motor síncrono con imanes), SRMD (Motor de reluctancia autoconmutado) y IMD (Motor de Inducción).

Propiedades

Máximo

BDCMD

SPMMD

SRMD

IMD

Densidad de potencia

10

9

10

8

7

Sobrecarga

10

7

7

8

9

Rendimiento

10

9

10

8

7

Rango de velocidades

20

10

16

18

16

Control

20

15

15

16

16

Ruido

10

8

8

6

8

Rizado de par

10

6

8

5

7

Dimensiones y peso

10

8

9

7

7

Robustez

20

14

14

17

16

Mantenimiento

10

8

8

9

9

Fabricación

20

14

12

18

16

Coste

30

20

18

26

28

Total

180

128

135

146

146

GUÍA PARA EL DISEÑO DEL ACCIONAMIENTO

Un accionamiento de reluctancia autoconmutado esta constituido por una estructura electromagnética con polos salientes tanto en el estator como en el rotor, un convertidor estático de potencia en el que la secuencia de cierre y apertura, de los interruptores de estado sólido que lo componen, esta controlada por la posición rotórica detectada mediante captadores de posición.

El diseño de un accionamiento de reluctancia autoconmutado es, por tanto, un proceso complejo y multidisciplinario que requiere compatibilizar y adaptar el motor, con el convertidor estático de potencia y con el control.

Dimensionamiento del motor

El motor de reluctancia autoconmutado para vehículos eléctricos necesita explotar al máximo sus ventajas y a la vez minimizar sus inconvenientes, principalmente rizado de par y ruido audible.

El motor de reluctancia autoconmutado para vehículos eléctricos necesita una elevada densidad de potencia. Por tanto, el par por unidad de volumen del rotor debe estar comprendido entre 40 y 70 kNm/m3 en el dimensionamiento inicial. Esto supone elevados valores de la inducción en los polos, del estator y del rotor, así como de la capa de corriente o carga lineal específica. Aunque se seleccione un material con elevada inducción de saturación para el circuito magnético del motor, el valor de la inducción en los polos ha de estar por debajo de la inducción de saturación del material y por tanto es la carga lineal específica la que ha de alcanzar valores elevados. En consecuencia, debe utilizarse una elevada densidad de corriente (entre 16 y 20 A/mm2), el factor de utilización de ranura ha de estar por encima del 50 % y además es necesario que el enfriamiento se realice mediante la circulación de un líquido refrigerante. El entrehierro ha de ser todo lo pequeño que permitan las tolerancias mecánicas.

Las chapas magnéticas de reducido espesor con elevada inducción de saturación y muy bajas pérdidas son la mejor elección, pero el material que cumple con estos requisitos, la aleación de hierro-cobalto (Vanadium Permendur), es muy caro. Una alternativa es utilizar chapa m agnética con una moderada inducción de saturación y bajas pérdidas específicas en el hierro.

La adecuada selección del número de fases y de polos es muy importante para alcanzar las esperadas características funcionales del motor. Diferentes combinaciones de polos estator/rotor se han utilizado en los motores de reluctancia autoconmutados para vehículos eléctricos: 6/4, 12/8 y 24/16 para motores de tres fases, y 8/6 y 16/12 para motores de cuatro fases, según se indica en la Tabla 2. Muchos factores influyen en esta elección: el número de interruptores del convertidor, el número de pasos, el ratio de inductancias (relación entre la inductancia en la posición de alineamiento y la de la posición de no alineamiento), el área de conversión de energía, la frecuencia de conmutación, el calentamiento de las bobinas, y el ruido audible.

Tabla 2: Combinaciones más habituales del número de polos estator/rotor en motores de reluctancia autoconmutados.

Número de polos
estator/rotor

Número de fases

Multiplicidad

Número de polos por fase

Angulo de paso(º)

Número de pasos por revolución

Frecuencia conmutación por rpm (Hz/rpm)

6/4

3

1

2

30

12

1/15

12/8

3

2

4

15

24

1/7.5

24/16

3

4

8

7.5

48

1/3.75

8/6

4

1

2

15

24

1/10

16/12

4

2

4

7.5

48

1/5

En los vehículos eléctricos es conveniente trabajar a potencia constante en un amplio rango de velocidades. Un margen razonable es 3 o 4 veces la velocidad base, margen que está dentro de las posibilidades de los motores de reluctancia autoconmutados.

Convertidor de potencia

Distintas topologías se han propuesto para el convertidor de potencia del motor de reluctancia autoconmutado en aplicaciones de tracción para vehículos eléctricos (Cheng et al., 2000). Sin embargo, la topología preferida es la del convertidor en puente asimétrico o clásico con dos interruptores de estado sólido controlados y dos diodos por fase. Debido a los niveles de tensión y corriente que han de manejarse, los IGBT’s son la mejor elección para los interruptores de estado sólido. No existen actualmente en el mercado módulos de potencia específicos para este tipo de convertidor lo que encarece la construcción del convertidor.

Control

Los vehículos eléctricos requieren un control de par complejo (Inderka et al., 2000). Las variables de control son la corriente de referencia y los ángulos de inicio y final del periodo de conducción. El algoritmo de control, implementado con procesadores digitales de señal, DSP, debe ajustar de forma continua el nivel de corriente, el ángulo de inicio y de final de la conducción para mantener el par al valor medio requerido por el vehículo haciendo frente a variaciones de la tensión continua D.C. de alimentación y cambios en la velocidad. Por debajo de la velocidad base, funcionamiento a par constante, se utiliza el control PWM (control de tensión) o el control de histéresis (control de corriente). Por encima de la velocidad base, en la zona de funcionamiento a potencia constante, las variables de control son únicamente los ángulos de inicio y final del periodo de conducción.

PROPUESTA DE DISEÑO Y SIMULACIÓN

En función de las especificaciones y recomendaciones indicadas en los apartados anteriores, se ha diseñado un accionamiento con motor de reluctancia autoconmutado. El motor es trifásico de 75 kW, 300 V y con una combinación de número de polos de estator/rotor de 12/8, Figura 3. En la Tabla 3 se presentan los parámetros constructivos más importantes.

Las velocidades base y máxima son respectivamente de 3200 y 12500 rpm. El convertidor de potencia elegido ha sido un convertidor en puente asimétrico con IGBT’s. El control es por histéresis, trabajando a par constante, hasta la velocidad base y de pulso único en la zona de potencia constante.

Para evaluar el funcionamiento del grupo tractor y como paso previo a la posible construcción de un prototipo se ha efectuado la simulación del motor, mediante elementos finitos, concretamente el programa FEMM y la del accionamiento completo, utilizando Matlab-Simulink (Blanqué et al., 2002).

DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS

En la Figura 4 puede verse el análisis mediante elementos finitos (Meeker, 1998) con las líneas de distribución del flujo en el motor para las posiciones de alineamiento y de no alineamiento de los polos del estator con los del rotor. De este análisis se deduce que las inducciones magnéticas en las distintas partes del circuito magnético del motor están dentro de lo razonable. El valor máximo alcanzado, en los polos estatoricos es de 2.1 T, mientras que la inducción de saturación del material magnético empleado (Vanadium-Permendur) es de 2.4 T.

La simulación del accionamiento completo utilizando Matlab-Simulink se ha realizado en distintas condiciones de funcionamiento y con diferentes estrategias de control. En la Figura 5a se muestran las formas de onda de tensión y de corriente de fase así como el par motor total con control de histéresis y con un par medio de 200 Nm a 2000 rpm. En la Figura 5b se representan las mismas formas de onda pero con control de pulso único y con un par medio de 75 Nm a 6000 rpm. Estos resultados, que se encuentran dentro de la envolvente de par-velocidad de la Figura 2, muestran la adecuación del accionamiento propuesto para responder a las exigencias del caso en estudio. Sin embargo el rizado de par, sobre todo en funcionamiento a potencia constante con control de pulso único, es muy notorio por lo que se deberían utilizar técnicas de minimización del rizado de par para mantenerlo dentro de unos límites tolerables.

Fig. 3: Prototipo del motor de reluctancia autoconmutado con estructura 12/8.

Tabla 3: Dimensiones principales del prototipo.

Parámetro

Valor

Parámetro

Valor

Número de fases

3

Ancho polar del estator (mm)

18.3

Número de polos del estator

12

Ancho polar del rotor (mm)

19.4

Número de polos del rotor

8

Longitud del polo del estator (mm)

35

Diámetro exterior del estator (mm)

243

Longitud del polo del rotor (mm)

20

Diámetro del rotor (mm)

139

Longitud del yugo del estator (mm)

16.5

Longitud paquete de chapas (mm)

243

Longitud del yugo del rotor (mm)

21.5

Entrehierro (mm)

0.5

Diámetro del eje (mm)

56

Arco polar del estator (º)

15

Número de espiras por polo

8

Arco polar del rotor (º)

16

 


a) posición de alineamiento

b) posición de no alineamiento

Fig. 4: Simulación mediante elementos finitos del prototipo de motor de reluctancia autoconmutado 12/8, con una corriente de 275 A en ambos casos.


a) Control de histéresis, 2000 rpm

b) Control de pulso único, 6000 rpm

Fig. 5: Simulaciones utilizando Matlab-Simulink del accionamiento de reluctancia autoconmutado.

CONCLUSIONES

Los vehículos eléctricos son la única alternativa para un transporte urbano más limpio, eficiente y menos contaminante. Los accionamientos de reluctancia autoconmutados emergen como uno de los mejores candidatos para grupo tractor de vehículos eléctricos, debido a su elevado rendimiento, amplia zona de trabajo a potencia constante, robustez y bajos costes de fabricación. Se han presentado unas pautas básicas para el diseño de los accionamientos de reluctancia autoconmutado, incluyendo  propuestas para el dimensionamiento del motor, el convertidor de potencia y el control a utilizar. En base a estas pautas se ha diseñado el accionamiento de reluctancia autoconmutado con un motor de 75 kW, 300 V, con una combinación de polos 12/8, un convertidor en puente asimétrico con IGBT’s, control por histéresis hasta la velocidad base y control de pulso único en la zona de potencia constante. Las simulaciones efectuadas tanto del motor como del accionamiento global, confirman al accionamiento de reluctancia autoconmutado como una sólida alternativa para la propulsión de vehículos eléctricos.

AGRADECIMIENTOS

Se agradece el apoyo del “Ministerio de Ciencia y Tecnología” (España) y fondos FEDER (DPI2001-2203) en la realización de este trabajo.

REFERENCIAS

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