Manejo de VDF para máquina de inducción 7,5 kVA

8/18/2019 Manejo de VDF para máquina de inducción 7,5 kVA

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Experiencia correspondiente a uso deVariador de Frecuencia en Máquina de

Inducción

“Laboratorio de Accionamientos Eléctricos I”

Pablo Briceño - Daniel Sánchez - Luis Villegas

Profesor Alejandro Porzio

4 de abril de 2016


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Máquina de Inducción Trifásica

1. Introducción

La naturaleza de las máquinas eléctricas asincrónicas con respecto a su curva de torque-velocidad depende directa-mente de los niveles de tensión de alimentación como de la frecuencia. Cualquier cambio en dichas variables alterala curva conocida por medio del fabricante quitando la posibilidad de poder conocer o pronosticar algún estado

de operación producto de algún cambio en la carga.

Ante lo anterior, el variador de frecuencia ofrece un desplazamiento de la característica de torque-velocidad conrespecto a la velocidad sin afectar los niveles de torque nominales o máximos, en definitiva sin afectar la curvanatural. Esto permite un mayor rango de operación en velocidad para la misma máquina de inducción, pero siem-pre resguardando térmicamente a la máquina, es decir trabajando prioritariamente de manera estacionaria en supunto de torque nominal.

En el presente trabajo se muestran los resultados obtenidos en la operación de una máquina de inducción detipo jaula de ardilla de 7, 5 kV A acoplada a una máquina sincrónica a través del variador de frecuencia. Se realiza-ron operaciones de frenados en tiempos definidos, operación con carga y operación con distintos tipos de control.

2. Arranque y Freno

Por medio del controlador de frecuencia variable de estado sólido PARKER 690+ se controla la velocidad utilizandola opción de control remoto. El tipo de control utilizado es el de campo orientado con encoder, cuando la consignade velocidad varía, el controlador no provoca un salto brusco en la velocidad de la máquina, la aceleración ydesaceleración se limitan a un nivel seguro para la máquina por lo que la variación en la frecuencia sincrónica esregulada y no instantánea.

2.1. Aceleración

El controlador ofrece un modo de aceleración de tipo rampa el cual permite escoger el tiempo que demorarála máquina en acelerar a la nueva referencia de velocidad. Para comprobar la efectividad de la operación seprograma un tiempo de aceleración de dos segundos desde el estado de reposo hasta la velocidad sincrónica

nominal (3000 rpm), la figura 1 muestra la variación de la velocidad durante la aceleración. Se observa que elcontrolador cumple correctamente con la programación señalada, la velocidad se alcanza efectivamente a los dossegundos. Durante la experiencia se pudo comprobar también que una vez que la maquina se encuentra girando, latensión DC-link disminuye inicialmente. Antes de iniciar la operación la tensión DC-link corresponde a su tensiónnominal de 560 − 570V . Al alcanzar la velocidad sincrónica esta tensión DC-link disminuye alrededor de 20V ,fenómeno que se observó en el ramo de accionamientos eléctricos, es de esperarse que esta tensión disminuya aúnmás al aumentar la carga, sin embargo esta no disminuirá de los 500 [V] mientras se mantenga conectada a lared. La energía de la maniobra realizada por la MAS es suministrada por la red a través de la etapa rectificadoray también por el condensador del DC-Link, razón por la cual disminuye su energía almacenada influyendo en suvariable de estado la tensión.

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0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 41

0

1

2

3

4

5

T o r q u e [ N m ]

Tiempo [s]

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4500

0

500

1000

1500

V e l o c i d a d

[ r p m ]

Tiempo [s]

X: 0.9984Y: 5.487

X: 3.546

Y: 0.3578

X: 0.9193Y: 0

X: 2.875Y: 1248

Figura 1: Aceleración controlada de dos segundos.

El ajuste fue de dos segundos, sin embargo el osciloscopio muestra que la velocidad de referencia se alcanza dentrode 1, 955 s, se observa entonces un error de 2, 25% bastante aceptable para el controlador, tomando en cuenta quedicho error está también influenciado por la precisión de los equipos de medición, en este caso el osciloscopio.

2.2. Desaceleración

El controlador utilizado ofrece cuatro tipos diferentes de desaceleración controlada, como se mencionó en el pre-informe sólo se observaron dos ramp to stop"(rampa controlada) y çoast to stop"(rampa por inercia). La figura 2muestra la desaceleración por inercia, al no poseer torque de carga alguno -ya que inicialmente las maniobras de

realizaron en vacío- la desaceleración depende únicamente de la inercia equivalente entre la MAS y el generadorsincrónico acoplado a ella.La MAS en vacío tarda aproximadamente en desacelerar 10 s utilizando el coast to stop, sin embargo este valorpuede variar al agregar una carga. De la figura se aprecia también que la tensión DC-link aumenta, inicialmente seencontraba dentro de los 540V y una vez que se inicia la desaceleración aumenta hasta 560 V tensión que posee elDC-link cuando el inversor trifásico de dos niveles no conduce, por lo que el freno corresponde a la desenergizaciónde la MAS.

La figura 3 muestra una desaceleración controlada ramp to stop sin la resistencia de choque para la proteccióndel DC-link. Se programa el VDF para que desacelere a velocidad cero en 3 segundos. Se observa como la tensiónDC-link aumenta ya que al desacelerar la máquina provoca un torque frenante lo que se traduce en un traspasode energía desde la máquina hacia el VDF. El esquema de control el convertidor AC/AC utilizado corresponde a

un rectificador de diodos trifásico en cascada con un inversor de dos niveles, los diodos de la etapa rectificadorano permiten el traspaso de energía hacia la red por lo que la energía suministrada por la máquina es absorbidapor el condensador del DC-link aumentando así su tensión.

Existen dos maneras de proteger el capacitor encargado de la tensión DC-link de manera que no falle por sobre-tensiones: una corresponde a un circuito disipativo CHOPPER el cual actúa cuando el DC-link supera una tensiónpreestablecida por el fabricante (600V ). Al superar dicha tensión un semiconductor entra en estado de conducciónconectando una resistencia de choque (shopper ) en paralelo con el capacitor de manera que disipe parte de la ener-gía regenerada por el motor al desacelerar, esta resistencia se puede cambiar según los requerimientos del sistema,el manual de usuario informa que la mínima resistencia de choque corresponde a 50 Ω. El otro tipo de protección

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0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10−0.5

0

0.5

1

T o r q u e [ N m ]

Tiempo [s]

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

1000

2000

3000

4000

V e l o c i d a d

[ r p m ]

Tiempo [s]

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10530

540

550

560

570

T e n s i ó n D C − L i n

k [ V ]

Tiempo [s]

X: 1.589Y: 3060

X: 10.49Y: 288

Figura 2: Coast to stop.

0 1 2 3 4 5 6✁

2

✁ 1

0

1

T o r q u e [ N m ]

Tiempo [s]

0 1 2 3 4 5 6✁ 2000

0

2000

4000

e o c

a

r p m

Tiempo [s]

0 1 2 3 4 5 6500

600

700

800

T e n s i ó n D C

L i n k [ V ]

Tiempo [s]

X: 0.8012Y: ✂ 1.67

X: 0.7924Y: 3060

X: 3.847Y: ✄ 48

X: 6.016Y: 568

X: 2.697Y: 744

X: 0.8539Y: 600

Figura 3: Ramp to stop de 3 segundos.

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corresponde a un interruptor que corta el flujo de energía hacia el DC-link una vez superada su tensión máxima ad-misible (750V ) de manera que la MAS queda desenergizada, pasando así a una desaceleración inercial coast to stop.

En la figura 3 se aprecia que al desacelerar la maquina en 3 segundos la tensión DC-link alcanza un peak de744V sin la resistencia de choque, por lo que la segunda protección no se activa. La máquina se detiene exacta-

mente en 3, 05 s que corresponde a un error del 1,82% según lo programado. Una vez que se alcanza la velocidadcero la tensión DC-link tarda en volver a su tensión nominal de vacío.

Finalmente la figura 4 muestra la misma maniobra, ahora utilizando la resistencia de choque. Notar que la máximatensión DC-link es de 680V menor que para el caso anterior como es de esperarse, además la tensión DC-link devacío se obtiene mucho más rápido, se observa como actúa la protección del CHOPPER al comparar la tensiónDC-link con resistencia y sin resistencia de frenado cuando este aclanza 600V , por último el peak de tensión conresistencia de frenado se alcanza casi al final de la rampa de desaceleración a diferencia del freno sin resistenciaque ocurre casi a la mitad de la rampa.

0 1 2 3 4 5 6−3

−2

−1

0

1

T o r q u

e [ N m ]

Tiempo [s]

0 1 2 3 4 5 6−2000

0

2000

4000

V e l o c i d a d

[ r p m ]

Tiempo [s]

0 1 2 3 4 5 6500

550

600

650

700

T e n s i ó n D C − L i n k [ V ]

Tiempo [s]

X: 1.557Y: 3060

X: 4.542Y: 0

X: 5.004Y: 568

X: 3.864

Y: 680

X: 1.56

Y: −1.908

X: 1.61

Y: 600

Figura 4: Ramp to stop de 3 segundos con resistencia de choque.

2.3. Falla en el freno ramp to stop

Durante el transcurso de la experiencia se probaron diferentes tiempos de desaceleración con y sin resistencia de

choque, al momento de probar un tiempo de desaceleración de un segundo sin la resistencia de choque el resultadofue el que se muestra en la figura 5, al no existir la protección del CHOPPER que disipe la energía y regule elnivel de tensión, se superan sus límites por lo que se activa la segunda protección cortando la energía en la MASde esta manera actúa como un freno inercial.Por último al probar la misma deceleración con resistencia de choque se observa que la tensión máxima DC-linkno se alcanza por lo que la máquina desacelera de manera normal.

El proceso de regeneración se explicará a través del siguiente esquema. Se tiene la característica torque-velocidadtípica de una MAS, cuyo punto de operación inicial indicado como 1 se encuentra en la zona lineal apta para sutrabajo. En el proceso de desaceleración, según el tiempo que se le solicité al VDF, controladamente aplicará unmomento frenante que respete una desaceleración constante y así cumplir con el tiempo solicitado. Debido a que

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−5 0 5 10 15 20 25−500

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

V e l o c i d a d

[ r p m ]

Tiempo [s]

X: 14.14Y: 0

X: 1.618Y: 3060

Figura 5: Desaceleración de un segundo sin resistencia de choque.

la velocidad de giro de la máquina no varía instantáneamente, es el torque electromagnético el que puede variarde manera practicamente instantánea. Así se llega al punto 2 en lo que seria una nueva curva que no es más que laorginal desplazada, ya que cambió la frecuencia sincrónica aplicada por el control del VDF. Así, el segundo puntode operación del VDF está ubicado en la zona de T 0 la potencia es negativa en referenciamotor, lo cual da cuenta de un estado regenerativo.

2.4. Arranque y freno con control sin encoder y V/f En la Figura 7, se aprecia el comportamiento de la máquina de inducción durante el arranque y frenado utilizandocontrol de flujo orientado pero sin encoder. A diferencia del control que si utiliza el encoder, el variador defrecuencia debe ser capaz de estimar la velocidad de la máquina a partir de las mediciones de corriente y tensión,por lo que se pierde precisión en la medición de la variable velocidad mecánica en el lazo de control. Esto repercute

T [Nm]

n [rpm]0

1

2

Figura 6: Esquema que da cuenta del fenómeno de regeneración ante una maniobra de frenado para la MAS.

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en el torque electromagnético que desarrolla la máquina y, a su vez, en la corriente de la máquina y vibracionesmecánicas. Dado que la tensión del DC-Link se ve afectada por la corriente y tensión de estator de la máquina,las oscilaciones se logran apreciar en la tensión del condensador.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20−20

−10

0

10

20

30

Tiempo [s]

T o r q u e [ N m ]

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

1000

2000

3000

4000

X: 2.463Y: 48

X: 4.455Y: 3060

V e l o c i d a d [ r p m ]

Tiempo [s]

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20500

560620

680

740

800

Tiempo [s] T e n s i ó n D

C −

L i n k [ V ]

Figura 7: Gráficos de torque desarrollado por la máquina, velocidad angular y tensión de DC-Link para arranque y frenado en vacío controlado de 2 y 3 segundos respectivamente utilizando control sensorless. Estas maniobras consideran un resistor en el DC-Link para el proceso de regeneración.

Por su parte en la Figura 8 se trabajó con otro modo de control en el que se aprecia un elevado torque de arranqueque luego oscila y se estabiliza una vez que la máquina alcanza cierta velocidad. La velocidad no posee oscilacionescomo en el caso anterior debido a la ausencia de estimaciones de velocidad (ya que este control opera en lazo

abierto), por lo que la tensión en el DC-Link no se ve afectada de forma severa a diferencia del caso anterior.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20−10

−505

101520

X: 12.24Y: −1.594

Tiempo [s]

T o r q u e [ N m ]

X: 6.521Y: 5.58

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

1000

2000

3000

4000

X: 6.572Y: 3060

Tiempo [s]

V e l o c i d a d r p m

X: 15.26Y: 0

X: 12.23Y: 3060

X: 4.521Y: 0

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20500

550

600

650

X: 12.26Y: 576

Tiempo [s] T e n s i ó n D C −

L i n k [ V

]

X: 15.27Y: 576

X: 6.572Y: 528

X: 4.36Y: 560

Figura 8: Misma operación que en la gráfica anterior pero esta vez utilizando modo de control V /f .

Las diferencias entre los métodos de control radican principalmente en el comportamiento dinámico del torque y la

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medición de velocidad. Dado que el control por campo orientado es del tipo lazo cerrado necesita medir o estimarla velocidad y es precisamente la estimación de esta variable la que genera problemas con el control por campoorientado sin encoder, pero a pesar de esto tiene mejor desempeño dinámico que el control V/f a bajas velocidades.

A pesar de las diferencias de los métodos de control, las maniobras poseen la característica de que al momen-

to de acelerar la máquina desde el reposo, la tensión DC-Link disminuye ya que se debe suplir de potencia activaa la máquina y aumenta cuando la máquina entra en la zona de regeneración, ya que la energía cinética de lamáquina pasa a ser acumulada en forma de campo eléctrico en el condensador.

2.5. Freno mediante inyección de corriente continua

Una forma de frenar la máquina es cortocircuitar dos fases de estator y alimentar la máquina con tensión DC ,generando un torque constante y que depende de la tensión continua aplicada, la cual es menor a la tensión delDC-Link, ya que se desea instaurar niveles de corriente menores o iguales al valor nominal (en valor RM S ) de lamáquina. En el caso visualizado en la Figura 9, el torque es pequeño (casi el 10 % del valor nominal de 24, 91N m),motivo por el cual el proceso de frenado le toma mucho más tiempo en comparación con los otros tipos mostradosanteriormente. La tensión del DC-Link cambia de 540V a 560V debido a que inicialmente, se está suministrandopotencia para alimentar las pérdidas, mientras que en el proceso de frenado la potencia a suministrar es menor,

por lo que el condensador se carga a un nivel mayor. Adviértase que en este caso no hay regeneración, como en loscasos anteriores, y la energía cinética del rotor se disipa en calor en los rodamientos de la máquina y resistenciade rotor, esto se puede interpretar como si se tratase de un freno por contracorriente, dado que el deslizamientoequivalente (considerando frecuencia sincrónica igual a cero) al que opera la máquina es superior a la unidad. Estehecho se puede corroborar en la misma tensión de DC-Link, ya que se mantiene constante durante el proceso dedesaceleración de la máquina y no tiende a crecer.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11−0.5

0

0.5

1

1.5

Tiempo [s]

T o r q u e [ N m ]

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 110

1000

2000

3000

4000

Tiempo [s]

V e l o c i d a d [ r p m ]

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11520

540

560

580


L i n k [ V ]

Figura 9: Comportamiento de la velocidad mecánica, torque y tensión del DC-Link durante frenado mediante inyección de corriente continua.

3. Inversión de marcha

Se realiza la inversión de marcha para la máquina en vacío una vez ajustado un tiempo de desaceleración de 3segundos y uno de aceleración de 2 segundos. La figura 10 muestra lo observado, notar que la máquina desacelerahasta cero en 3 segundos y luego acelera a la velocidad de referencia negativa en 2 segundos. En esta maniobra lamáquina demora exactamente 5 segundos en llegar a la nueva referencia de velocidad.

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12 14 16 18 20 22 24−6

−4

−2

0

2

T o r q u e [ N m ]

Tiempo [s]

12 14 16 18 20 22 24−4000

−2000

0

2000

4000

e o c

a

r p m

Tiempo [s]

12 14 16 18 20 22 24500

600

700

800

T e n s

i ó n D C − L i n k [ V ]

Tiempo [s]

X: 15.01

Y: 3060

X: 18Y: −48

X: 20Y: −3060

Figura 10: Inversión de marcha.

4. Comportamiento del tipo control bajo carga.

Ya se ha mencionado el comportamiento de la máquina frente a una partida y desaceleración para los 3 métodosde control y se pudo apreciar que el control de flujo orientado con encoder posee el mejor desempeño dinámico.Los otros dos métodos frente a carga poseen un comportamiento distintos entre ellos.

Inicialmente, se tiene operando a la MAS a una velocidad de referencia fija. Se encuentra operando bajo car-ga producto de que la MS (que se encuentra en régimen generador) que posee cargas resistivas en sus terminalescuidando de no sobrepasar su valor de corriente nominal. Generando un cambio en la resistencia de estator dis-minuyéndola, la MS cambia la carga generando un aumento en el torque de carga pero sin variar la referencia develocidad de la MAS. Para el caso del control de flujo orientado sin encoder que se muestra en la Figura 11 seaprecia que el torque inicialmente oscila bastante alrededor de 8N m (aproximadamente)y al ocurrir el cambio enla carga, la máquina sufre un cambio en la velocidad (instante entre 0, 24 s y 0, 42 s) y luego regresa al valor de3360 rpm fijados como referencia. El nuevo torque de 18N m es mucho más plano, sin grandes oscilaciones. Por suparte, la tensión del DC-Link se mantiene alrededor de los 500V , pero con muchas menos oscilaciones que antesde aumentar la carga.

Con el control V /f no disminuyen las oscilaciones del torque al trabajar más cerca del valor nominal, es más,estas oscilaciones crecen en amplitud, afectando directamente la corriente y tensión de la máquina y con ello el

DC-Link. La velocidad no presenta cambios significativos, a diferencia del control anterior.

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0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

0

6

12

18

24

30

Tiempo [s]

T o r q u e [ N m ]

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 23100

3350

3600

Tiempo [s]

V e l o c i d a d r p m

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2400

450

500

550

600


L i n k [ V ]

Figura 11: Comportamiento de la velocidad mecánica, torque y tensión del DC-Link, con la MAS actuando comomotor acoplada a un generador sincrónico que alimenta a una carga resistiva pura. El control aplicado corresponde

a campo orientado sin encoder o sensorless.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 20

7

14

21

28

Tiempo [s]

T o r q u e [ N m ]

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 23200

3300

3400

3500

Tiempo [s]

V e l o c i d a d [ r p m

]

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2400

450

500

550

600


L i n k [ V ]

Figura 12: Comportamiento de la velocidad mecánica, torque y tensión del DC − LINK , con la MAS actuandocomo motor, acoplada a un generador sincrónico, que alimenta a una carga resistiva pura. El control aplicado

corresponde a V/f .

De manera de esquematizar la maniobra realizada es útil observar en el plano torque-velocidad los puntos deoperación trabajados. Con la velocidad de referencia asignada se tiene un punto de operación que intersecta lascurvas de la MAS y la MS. La curva de la máquina sincrónica que está operando como generador en red propiadependerá directamente de la velocidad de giro del eje, desaplazándose dicha curva ante cualquier variación de lavelocidad de giro del eje. Dado este fenómeno, es difícil poder determinar específicamente que camino seguirá enel plano torque-velocidad la maniobra realizada, de lo que sí hay seguridad es que el primer punto de trabajo seráa la velocidad de referencia n∗ con un torque menor al segundo caso, pero fijo en la misma velocidad de referencia,

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dado que el control del VDF logrará la consigna de velocidad; y también que la etapa intermedia o transiente esde tiempo reducido dado que el control actúa de manera muy rápida logrando que la velocidad se recupere y logrenuevamente la referencia asignada. Dada las oscilaciones de las mediciones de velocidad y momento producto delcontrol utilizado y de imprecisiones propias del instrumento utilizado, no es posible apreciar de la mejor formalo explicado, sin embargo se aprecia que la velocidad, en valor medio, se mantiene practicamente invariante y el

torque generado aumenta como se espera. También se tiene que señalar que el análisis en el plano ω/T es cuasies-tacionario y no considera fenómenos dinámicos pero si es práctico para determinar puntos de operación ya que lospasos entre ellos son de tiempo reducido.

La idea inicial fue realizar este estudio con la máquina de corriente continua como generador, dado que su carac-terística ω/T en conexión independiente es simple, sin embargo no fue posible por problemas técnicos.

T [Nm]

n [rpm]0

2

n*

1

Figura 13: Estudio teórico de la maniobra de cambio de carga. Se conocen los puntos iniciales y finales de trabajo,sin embargo el paso intermedio es difícil de determinar dado que la curva ω/T de la MS se desplaza en el eje de las abscisas ante cualquier oscilación de velocidad.

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5. Conclusiones

La experiencia tuvo como finalidad conocer y operar el variador de frecuencia P ARKER 690+ sobre la máquinade inducción utilizando las herramientas y modos de operación que posee. Se estudio y trabajó con los tres modosde control que posee: control lineal V /f y control de campo orientado con y sin sensor de velocidad.

Se comprobó el seguimiento de referencias mediante control por torque y por velocidad; y el cumplimiento detiempos definidos en operaciones de detención con los distintos medios que ofrece el equipo.

Mediante el análisis de la característica ω /T tanto de la MAS como de la MS acoplada se explicaron los puntosde operación logrados ante un cambio en la carga, cambio que se realizó al disminuir la carga resistiva conectadaa los terminales de estator de la MS.

En lo que respecta al los tiempos de aceleración y desaceleración, el controlador cumple satisfactoriamente con lostiempos programados con un margen de error del ±2%.

Por otro lado se debe tener mucha atención al programar una desaceleración de un segundo ya que esta pue-de activar la protección del DC-link cortado la energía en la MAS y comportándose como una parada inercial, se

recomienda realizar la maniobra mencionada con una resistencia de choque adecuada para evitar lo anterior.

Además se observó que el control de V /f posee mejor comportamiento a bajas velocidades que el control deflujo orientado sin encoder, pero este presenta mejor comportamiento bajo carga. Aún así, el control de flujoorientado usando encoder presenta mejor desempeño tanto en condiciones de rechazo de perturbación, como enseguimiento de referencia, incluso en el arranque.

Finalmente las protecciones del controlador y el circuito CHOPPER actúan correctamente.

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