Control digital de generadores de alta potencia orientado hacia carga de baterías usando CompactRIO

Introducción

El control digital ofrece mucha más versatilidad que el analógico, ya que no implica cambios en el hardware al momento de entonar los controles. De igual manera, permite implementar cualquier algoritmo de procesamiento digital, tales como filtros, predictores, calibraciones en línea, etc.

Ahora bien, los sistemas autónomos transportables de alta potencia basados en baterías necesariamente requieren un sistema generador manejado por una máquina diésel. El control del generador propiamente dicho suele hacerse de manera analógica, energizando la excitatriz del mismo mediante una señal PWM (Pulse Widht Modulation) que proviene del control. El reto de este proyecto se basa en cambiar el sistema analógico por uno digital basado en el compact RIO, lo que permite no solo realizar el control de carga, sino poder medir todas las variables involucradas, generar y almacenar las alarmas y trasmitir las mismas por varios medios.

Descripción de la Aplicación

El sistema consta de cuatro (4) generadores, que son controlados localmente y que se comunican por CAN con un sistema central para mostrar al operador los parámetros de la carga de las baterías. En la siguiente figura se puede observar la arquitectura del mismo:

Simulación

Descripción: Dadas las magnitudes de tensión, corriente y potencia involucradas en este proyecto, se hace necesaria una simulación preliminar del sistema antes de la implementación real, dado que cualquier error puede traer consecuencias peligrosas. Para esta simulación se usó el modelo de batería existente en MATLAB® que fue compilado utilizando NI VeriStand 2016 e insertado en el VI de control triple (corriente-tensión-potencia), el cual se puede apreciar en la figura 3.

Para el generador se construyó el modelo matemático del mismo, dado que en realidad son dos generadores en cascada. El primero, la excitatriz, genera una tensión trifásica que es rectificada internamente en un puente de diodos residente en el eje de la máquina. Esta tensión alimenta el campo del generador principal que es el encargado de suministrar la corriente de carga final. Este modelo queda dentro de un lazo de control y simulación, tal como se muestra en la figura 4.

Ambos lazos se encuentran trabajando conjuntamente, ya que el primero se encarga de calcular el PID y generar una señal (PO) que alimenta el excitador, que a su vez alimenta el generador, produciendo la señal Gen que es leída y procesada nuevamente por el control PID en la siguiente iteración del lazo y así sucesivamente.

Resultados de la simulación: Un banco de baterías capaz de suministrar 1 MW debe ser cargado de manera cuidadosa para optimizar la vida de las mismas y cuidar de la máquina diésel, esto implica tres etapas, a saber:

• Corriente constante: el inicio de carga siempre debe hacerse con una fuente de corriente constante, cuyo valor lo determina el tipo de batería utilizado y es un dato que suministra el fabricante. Esta etapa se mantiene hasta tanto no se alcanza el voltaje final de trabajo.
• Voltaje constante: una vez alcanzado el valor de tensión máximo de carga dictado por el fabricante, el sistema debe cambiar a régimen de tensión constante y mantenerse así hasta que la corriente haya disminuido a la corriente de mantenimiento.
• Potencia constante: esta fase tiene la finalidad de proteger la máquina diésel, ya que esta tiene una capacidad máxima de suministro de potencia y durante la fase de corriente constante, donde la tensión de la batería aumenta de manera continua, es factible que la potencia, tensión por corriente, sobrepase el régimen de trabajo de la máquina. La figura 5 muestra una corrida simulada del sistema de carga.

• Control de Corriente: para 0<t<20 se maneja una consigna de corriente tipo rampa que va desde 0 A hasta los 1400 A establecidos. En ese momento se puede ver que la gráfica de corriente se mantiene constante desde t = 20 hasta t = 60, donde se alcanza el valor de potencia máximo especificado.
• Control de Potencia: El control de proceso va cambiando paulatinamente entre corriente y potencia hasta que toma el control el lazo de potencia, manteniendo la misma constante a 380 kW. En el momento que la tensión de la batería llega a su valor de 290V (t=175), se puede ver que se van intercambiando los procesos de potencia y voltaje.
• Control de Tensión: Cuando toma el control el lazo de tensión se puede observar un descenso repentino de la corriente y posteriormente un descenso aproximadamente lineal de la misma. La finalización de la carga será cuando la corriente descienda hasta su valor de mantenimiento.

Implementación del Hardware

Descripción: El diagrama de bloques del sistema se muestra en la Figura 6. En él se muestran las diferentes partes componentes:

1. Motogenerador: es el conjunto compuesto por la máquina diésel y el generador eléctrico
2. Sensor I: es el conjunto de transformadores de corriente encargados de transformar la corriente de salida del generador en un conjunto de señales de voltaje susceptibles de ser acondicionadas y medidas por el cRio.
3. Sensor V: es el conjunto de transformadores de tensión encargados de transformar el voltaje de salida del generador en un conjunto de señales de susceptibles de ser acondicionadas y medidas por el cRio. Tiene también la función de generar la potencia para activar el cRio y los sistemas de acondicionamiento y control de potencia.
4. Bloque de acondicionamiento de tensión y corriente: es el encargado de tomar las salidas de los sensores I y V y convertirlos en señales adecuadas a la entrada analógica del cRio.
5. Fuente de Poder: Utiliza la salida del transformador de tensión y genera 24V para alimentar el cRio y las tarjetas de acondicionamiento y potencia.
6. PWM: es la parte encargada de convertir las salidas digitales del cRio en señales de corriente y tensión adecuadas para alimentar la excitatriz del generador.

Los productos NI usados para desarrollar este proyecto fueron:

Hardware:

• 1 NI-9031 (cRIO mainframe)
• 1 NI-9862 (comunicación CAN)
• 1 NI-9215 (4 entradas analógicas de 16 bits)
• 2 NI-9401 (8 entradas/salidas digitales de alta velocidad)
• Tarjetas de acondicionamiento y potencia específicamente diseñadas

Software:

• LabVIEW
• LabVIEW Real Time
• LabVIEW FPGA

Resultados: Para poder probar el sistema en una primera etapa, fue montado un banco de pruebas de 2 kW, el cual puede apreciarse en la figura 7:

El sistema mostrado es una versión escalada del equipo final que permite afinar la entonación de los tres sistemas PID programados. Los datos obtenidos fueron escalados a valores que estuviesen en consonancia con el control del sistema de alta potencia, esto es, dentro del sistema de programación del cRio se realizaron dos curvas de calibración, una para corriente y otra para tensión, que luego se escalaron a los valores esperados, 1500 A para corriente y 350V para tensión. Esto permite probar el sistema en un banco pequeño y luego ser llevado al equipo definitivo, cambiando solamente las curvas de calibración.

Dentro de la programación del sistema se incluyó una captura de datos que luego se convirtió en un archivo CSV, susceptible de analizarse utilizando EXCEL®. El resultado se muestra en la figura 8.

Análisis de resultados: Tal como se apreció en la simulación, luego de un arranque tipo rampa, el sistema mantuvo la corriente constante (+/-2,5%) (trazo azul) durante los primeros 2100 segundos. En ese momento la potencia V*I (trazo gris) alcanzó su consigna, manteniéndose controlada en 240kW hasta los 2800 segundos. Es en este momento que la tensión (trazo amarillo) alcanza su valor de control y se estabiliza en alrededor de 190V hasta el fin de la prueba. Nótese que cada vez que una variable llega a su consigna, las otras decrecen libremente.

Conclusiones

• Se demostró que es perfectamente factible cambiar el control analógico de un generador de alta potencia, por uno digital basado en Compact Rio.
• El sistema desarrollado permite control de corriente tanto como de tensión e incluye el de potencia para proteger la máquina diesel.
• De la misma forma que se exportaron los datos en formato CSV, el sistema permite almacenar y transmitir cualquier otro parámetro relevante, tal como la temperatura de los generadores y las alarmas, que pudiese aparecer.

Información del Autor:

Julio Walter
Altertech Solutions
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