1. Diseño y construcción de cargador
de baterías usando un Generador
Síncrono de Imanes Permanentes
acoplado a una bicicleta
TRABAJO PRESENTADO POR:
JAIME PANDO ACEDO
TRABAJO TUTORIZADO POR:
MARÍA ISABEL MILANÉS MONTERO
Trabajo para optar al título de Grado en Ingeniería Eléctrica (Rama Industrial)

2. Índice
1. Descripción del proyecto
2. Modelo elaborado para simulación
3. Aplicación de la MSIP al sistema
4. Control del sistema
5. Simulación con rectificador síncrono
6. Diseño del prototipo
7. Conclusiones

3. Descripción del proyecto
AC
DC

4. Modelo elaborado para simulación
Ecuaciones modeladas:
• Par electromagnético
• Ecuación dinámica del
generador
• Balance de potencias y
pérdidas
• Tensiones en sistema de
referencia 0-d-q
Variables de entrada:
• Par mecánico
• Corrientes trifásicas
Variables de salida:
• Tensiones trifásicas
• Ángulo eléctrico
• Vector de visualización
𝑇𝑒 =
3
2
𝑝(𝜓𝑖 𝑞 + 𝐿 𝑞 − 𝐿 𝑑 𝑖 𝑑 𝑖 𝑞)
𝑇𝑒 =
3
2
𝑝𝜓𝑖 𝑞
𝑇𝑖 − 𝑇𝑒 = 𝐽
𝑑𝛺
𝑑𝑡
+ 𝐹𝑟 𝛺
𝑃𝑖𝑛 = 𝑃𝑢 + 𝑃𝐽 + 𝑃𝑚𝑒𝑐
𝑣 𝑑 = −𝑅 𝑠 𝑖 𝑑 − 𝐿 𝑑
𝑑𝑖 𝑑
𝑑𝑡
+ 𝜔𝐿 𝑞 𝑖 𝑞
𝑣 𝑞 = −𝑅 𝑠 𝑖 𝑞 − 𝐿 𝑞
𝑑𝑖 𝑞
𝑑𝑡
− 𝜔𝐿 𝑑 𝑖 𝑑 + 𝜔𝜓

5. Modelo elaborado para simulación

6. Modelo elaborado para simulación

7. Modelo elaborado para simulación

8. Aplicación de la MSIP al sistema
T
(N·m)
Ω
(rad/s)
Ω
(rad/s)
P
(W)
𝑃 = 𝑇𝛺
𝛺1
𝛺1
𝑇1
𝑃1
𝑇2
𝛺2
𝛺2
𝑃2
𝛺 𝑚
𝛺 𝑚
𝑇 𝑚
𝑃𝑚

9. Aplicación de la MSIP al sistema
Perturbación y observación MPPT
(Maximum Power Point Tracker)
Ω
(rad/s)
P
(W)
𝛺1
𝑃1
𝑃1 + ∆𝑃
𝛺1 + ∆𝛺
𝑃2
𝑃2 − ∆𝑃
𝛺2 𝛺2 + ∆𝛺𝛺3𝛺3 − ∆𝛺
𝑃3 − ∆𝑃
𝑃3

10. Aplicación de la MSIP al sistema
Variables de salida:
• Velocidad de referencia
Variables de entrada:
• Velocidad medida
• 𝑃𝑖𝑛 = 𝑃𝑢 + 𝑃𝐽 + 𝑃𝑚𝑒𝑐

11. Aplicación de la MSIP al sistema
Potencia generada (W) Velocidad (km/h) Velocidad (rad/s) Par
158 44.3 39.56770275 3.993155756
200 43.9 39.2104323 5.100683371
267 41.4 36.97749196 7.220608696
295 37.7 33.67274026 8.760795756
296 31.1 27.77777778 10.656
0
2
4
6
8
10
12
0 10 20 30 40
Par(N·m)
Velocidad (rad/s)
Relación Par-Velocidad
Par

12. Aplicación de la MSIP al sistema
0
5
10
15
20
25
0 10 20 30 40
Par(N·m)
Velocidad (rad/s)
Relación Par-Velocidad
Par Par estimada
0
5
10
15
20
25
0
100
200
300
400
0 10 20 30 40 50
Par(N·m)
Potencia(W)
Velocidad (rad/s)
Curva potencia-par/velocidad estimada
Potencia Par
𝑇𝑖 = 3.5 (40 − 𝛺 𝑚𝑒𝑑)

13. Control del sistema (FOC + MPPT)
Variables de entrada:
• Ángulo eléctrico
• Velocidad del rotor
• Corrientes trifásicas
• Potencia de entrada
Variables de salida:
• Tensiones de
referencia

14. Control del sistema (FOC + MPPT)

15. Control del sistema (FOC + MPPT)
Variable Valor del parámetro
Ti 12.62 N·m
Ω 27 rad/s
Pin 340.74 W
Te 12.6118055 N·m
Vq 76.636463 V
Vd 0.26529802 V
iq 2.94187206 A
id 0 A
Pmec 0.2212515 W
Peléc 340.518749 W
Pj 2.33674502 W
Pu 338.182003 W
Símbolo Descripción Unidad Valor
Rs
Resistencia interna del estator por
fase
Ω 0.18
Ls
Coeficiente de autoinducción del
eje directo
H 0.000835
Lq
Coeficiente de autoinducción del
eje en cuadratura
H 0.000835
Fr Constante de rozamiento
𝑁 · 𝑚 · 𝑠
𝑟𝑎𝑑
0.000303
5
P Numero de pares de polos - 4
J Momento de inercia del rotor 𝐾𝑔 · 𝑚2 0.00062
ψ
Enlaces de flujo creados por los
imanes
𝑉 · 𝑠
𝑟𝑎𝑑
0.7145

16. Control del sistema (FOC + MPPT)

17. Control del sistema (FOC + MPPT)

18. Control del sistema (FOC + MPPT)

19. Control del sistema (FOC + MPPT)
Pu 337
PJ 2.363
Pmec 0.218
Pin 340.8

20. Simulación con rectificador síncrono
Variables de entrada:
• Tensiones trifásicas de
referencia
• Corrientes trifásicas
medidas
Variables de salida:
• Tensiones trifásicas
• Corriente del bus de
continua
Datos rectificador
• 𝑓𝑐 = 10 kHz
• 𝑓𝑡 = 5 kHz
• 𝑉𝑑𝑐 = 125 V

21. Simulación con rectificador síncrono

22. Simulación con rectificador síncrono

23. Diseño del prototipo

24. Diseño del prototipo
𝑣1 = 𝑣2
𝑛1 𝑟1 = 𝑛2 𝑟2
𝑛1 =
𝑟2
𝑟1
𝑛2
Velocidad
(rad/s)
Velocidad Eje
(rad/s)
Velocidad Eje
rpm
39.56770275 546.9135802 5222.639984
39.2104323 541.9753086 5175.482964
36.97749196 511.1111111 4880.751588
33.67274026 465.4320988 4444.549152
27.77777778 383.9506173 3666.458319
27 373.2 3563.797486
26 359.3777778 3431.804986
25 345.5555556 3299.812487
24 331.7333333 3167.819987

25. Diseño del prototipo
• BMD65 (500 W, 3000 rpm) o
BMD82 (940 W, 3000 rpm) de la
marca Bonfiglioli.
• PGS 060F (350W, 4500 rpm)
o PGS 080F (330W, 4500
rpm) de la casa Heinzmann.

26. Diseño del prototipo

27. Conclusiones
1. Se ha elaborado un modelo funcional de una MSIP, que presenta algunas ventajas con
respecto al proporcionado en las librerías de Matlab/Simulink.
2. Se ha desarrollado un algoritmo MPPT que cumple satisfactoriamente con su objetivo,
corroborado con diferentes curvas modelando diferentes ciclistas. Una posible mejora
sería la obtención de la potencia generada por medio de la corriente 𝑖 𝑞 para evitar tener
que medir tensiones.
3. La introducción de la curva par-velocidad ha permitido simular el comportamiento de
una persona pedaleando. Se propone como mejora contar con ensayos de distintas
personas y con más datos, para evitar extrapolación.

28. Conclusiones
4. Se ha probado con éxito el control FOC implementado. Como mejora del mismo se
plantea la modelización de la planta para un mejor ajuste de los controladores, así
como la inclusión de controles antiwindup en una posible fase experimental.
5. Se ha implementado con éxito el modelo del inversor, obteniéndose los resultados
esperados. Sin embargo, una nueva variable de control (tensión del bus de continua)
sería necesaria en un prototipo experimental.
6. En la fase experimental se hace necesario el diseño del convertidor dc/dc para ajustar la
tensión de salida del rectificador síncrono a la tensión de conexión USB.

29. Gracias por su atención

30. Park
𝐼0𝑑𝑞 = P 𝐼 𝑎𝑏𝑐
P =
2
3
1
2
1
2
1
2
cos(𝜃) cos(𝜃 −
2𝜋
3
) cos(𝜃 −
2𝜋
3
)
−sin(𝜃) −𝑠𝑖𝑛(𝜃 −
2𝜋
3
) −𝑠𝑖𝑛(𝜃 −
2𝜋
3
)
α
β
𝑈𝑠
𝑈 𝛼
𝑈𝛽
𝑈𝑠
𝑈𝛽
𝑈 𝛼
𝑈 𝛼
𝑈𝛽𝑈𝑠

31. Desarrollo de obtención de Pin por Iq
𝐼 𝑞
𝑇𝑖 − 𝑇𝑒 = 𝐽
𝑑𝛺
𝑑𝑡
+ 𝐹𝑟 𝛺
𝑇𝑖 ≈ 𝑇𝑒 =
3
2
𝑝𝜓𝑖 𝑞
𝑃𝑖𝑛 ≈ 𝑘𝑖 𝑞 𝛺
(𝑖 𝑞 𝛺) 𝑛

32. Sistema Completo

33. Precio de las MSIP