Análisis y modelado de parámetros acústicos y eléctricos en máquinas eléctricas rotativas orientado al diseño de estrategias de control y optimización acústica

Resumen

1. introducción o motivación de la tesis En la presente tesis se ha llevado a cabo el estudio de la calidad sonora del ruido emitido por un motor de inducción trifásico alimentado por distintas señales, generadas a partir de diferentes estrategias, basadas todas ellas en técnicas ya conocidas de modulación por ancho de pulso (PWM) e inyectadas al motor mediante un inversor trifásico. Dicho estudio se ha realizado en términos de nivel de presión sonora, así como en términos psicoacústicos mediante el análisis de determinados parámetros, tales como Loudness, Roughness y Sharpness, del ruido aéreo emitido por la máquina y su correlación con parámetros constructivos y eléctricos de ésta, con objeto de establecer un modelo de predicción del comportamiento acústico/psicoacústico en función de los parámetros eléctricos de la señal de alimentación y de ciertos parámetros constructivos del motor. Para ello, una parte de la investigación se ha centrado en el estudio de cómo afectan los parámetros de control de las técnicas de modulación utilizadas (HIPWM-FMTC, SLPWM y HIPWM-FMTC2) a los valores de los parámetros psicoacústicos de Loudness, Roughness y Sharpness. Con objeto de facilitar los ensayos y toma de datos de la investigación se diseñó una herramienta que permitiese diseñar e implementar cualquier señal de alimentación basada en técnicas de modulación de ancho de pulso, conocidas también como Pulse Wide Modulation (PWM), añadiéndole diversas funcionalidades como controles gráficos, la generación de funciones a trozos, así como una gran variedad de opciones de configuración. También se destaca la capacidad de actualizar cualquier valor de los parámetros de control de la técnica ensayada en tiempo real, así como la posibilidad de simular el comportamiento eléctrico del motor con la técnica seleccionada, en términos de distorsión armónica, tanto en tensión como en corriente. Una vez obtenidos y analizados los datos acústicos, psicoacústicos y eléctricos del motor ensayado se realizó un estudio de correlación entre estos parámetros y otros referidos a aspectos constructivos del motor, procediendo a la obtención de un modelo de predicción en términos eléctricos, acústicos y psicoacústicos en función de la técnica PWM utilizada. Dicho modelo de predicción se ha obtenido mediante la identificación del sistema por medio del uso de redes neuronales artificiales, en concreto se trata de una red con una capa oculta entrenada mediante el algoritmo de Levenberg–Marquardt. 2.contenido de la investigación Se realizará una revisión de los estudios anteriores en los campos donde se desarrolla la investigación, con especial atención a los que están directamente relacionados con las temáticas tratadas. Estos campos son la acústica y el ruido en máquinas eléctricas rotativas. Se mostrará el resultado del estudio de calidad acústica del ruido emitido por un motor de inducción trifásico alimentado por distintas técnicas de modulación por ancho de pulso, como complemento al clásico estudio del ruido emitido por máquinas eléctricas rotativas, basado en niveles de emisión acústica. Para ello se han utilizado los parámetros psicoacústicos Specific and Total Loudness, así como el Total Roughness aplicados al ruido emitido por un motor tipo Dahlander de 4 velocidades, identificando la contribución a la calidad acústica de las distintas configuraciones del número de polos, así como diferentes valores de los parámetros de control de cada una de las técnicas estudiadas. Se hará referencia a una nueva herramienta para la generación de señales eléctricas, para el control basado en Técnicas de Modulación por Ancho de Pulso (PWM), de Máquinas Eléctricas Rotativas alimentadas mediante inversores de potencia. Esta herramienta permite diseñar cualquier tipo de señal ideada por el usuario, generarla en el inversor y/o simular el comportamiento del motor eléctrico con dicha señal de alimentación. Las distintas señales diseñadas por el usuario pueden ser guardadas en la herramienta para su posterior ensayo, y además permitiendo el paso de una técnica a otra sin necesidad de reiniciar la herramienta o de un setup previo. Por último se presenta el modelo obtenido mediante redes neuronales para la estimación del ruido (nivel de presión sonora) y de los parámetros psicoacústicos (Loudness, Roughness y Sharpness) de un motor de inducción trifásico, utilizando como entradas para el modelo los parámetros eléctricos de distorsión armónica en tensión e intensidad, el índice de modulación producido por la técnica que genera la señal de alimentación junto con el inversor de potencia y el número de polos del motor eléctrico de inducción trifásico. Para finalizar se hace una breve evaluación y resumen de los resultados obtenidos de forma particular y un análisis global en función de los objetivos de partida, y se proponen, en los casos que se estimen oportunos, nuevas y futuras líneas de trabajo para completar y mejorar los resultados obtenidos en el presente estudio. 3.conclusión Habiendo utilizado criterios psicoacústicos (specific loudness, total Loudness y total Roughness) para el estudio de la calidad sonora del ruido emitido por un motor eléctrico de inducción trifásico Dahlander de cuatro velocidades, alimentado por las señales generadas por técnicas de modulación de ancho de pulso, las cuales se estudiaron previamente en términos de nivel de emisión acústica. Se ha demostrado que el nivel de presión sonora y la calidad acústica en un motor de inducción trifásico no tienen por qué ser coincidentes para una determinada combinación de parámetros. De las técnicas ensayadas, la que dio mejor resultado en términos psicoacústicos es la HIPWM-FMTC la cual se ideo para una mejor distorsión armónica, la segunda con mejor resultados es la técnicas SLPWM, la cual perseguía reducir el calentamiento de la electrónica de potencia asociada, y por último la técnica HIPWM-FMTC2, la cual tenía por objetivo reducir la emisión de ruido acústico en términos de nivel de presión sonora. Se ha creado una herramienta propia adaptada a las necesidades de la presente investigación, la cual ha facilitado los ensayos reduciendo el tiempo utilizado de manera muy significativa, también permitiendo el diseño e implementación de técnicas de modulación de ancho de pulso y la simulación del comportamiento eléctrico del motor a ensayar. Gracias a la cantidad de ensayos facilitados por la herramienta, se ha conseguido mediante la identificación por redes neuronales artificiales un modelo general de predicción de ruido y parámetros psicoacústicos en función de los parámetros eléctricos del conjunto inversor-motor-técnica PWM de forma satisfactoria. Este hecho es de gran importancia ya que abre una gran cantidad de posibilidades para continuar la investigación. 4. bibliografía [1] R. D. 1316/1989, "Sobre protección de los trabajadores/as frente a los riesgos derivados de la exposición al ruido durante el trabajo," ed, 2006. [2] N. V. Astakhov, Magnetic Vibration of Asynchronous Motors. Stinca: Kisiniev, 1985. [3] B.O.E., "Convenio nº148 de O.I.T. sobre el medio ambiente de trabajo (contaminación del aire, ruido y vibraciones)," ed, 1980. [4] R. Belmans, et al., "ANALYSIS OF THE AUDIBLE NOISE OF THREE PHASE SQUIRREL CAGE INDUCTION MOTORS SUPPLIED BY INVERTERS," pp. 870-875, 1986. [5] J. L. 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