NB: Ver edición final. La pregunta se basa en una premisa falsa.

Los amigos están haciendo un banco de pruebas para alternadores de tipo automotriz ("Lundell"). Se suministraron con un alternador de ejemplo más un módulo regulador de voltaje (el alternador requiere control de corriente de excitación externo). Pero no pudieron usar ese regulador, porque requiere absolutamente tener una batería en el sistema, cosa que no hacen, ya que es un banco de pruebas (el regulador también intenta ser "inteligente", detectar el tipo de batería, aplicar algoritmos de carga , etc).

Así que di la idea de diseñar un regulador muy simple para cumplir con sus especificaciones, ya que es casi un problema de teoría de control de libro de texto:

• tiene un punto de ajuste: el alternador debe producir 13,5 voltios
• la variable de proceso es la salida real en los terminales de potencia del alternador
• la variable de control es la corriente de excitación

El cableado es el siguiente:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

V1 y V2 son fuentes de alimentación de CA/CC (V1 es fuerte, capaz de muchos amperios) y reemplazan la batería en la aplicación automotriz típica. PL1 es una carga de CC programable e incluye una gran capacitancia delante de ella.

Operación

Cuando funciona, el alternador está siendo impulsado por un motor externo, que lo hace girar a una velocidad constante, digamos 1500 RPM. La MCU ajusta el ciclo de trabajo a Q1 (PWM es de 1 kHz), de modo que el voltaje de salida del alternador (medido por VM1 e independientemente por la MCU a través de Vsense) es de aproximadamente 13,5 VEg a 1500 RPM y 50 A de carga (medido por AM2 ), la corriente de excitación es ~2.7A (a través de AM1). Si aumentan la carga a 60 A, el voltaje (VM1) cae brevemente unos 100-200 mV antes de que la MCU contrarreste: aumenta la excitación a, por ejemplo, 2,8 A, y el voltaje vuelve a 13,5 V.

Problema de saturación

Nuestras pruebas iniciales fueron con un punto de ajuste de voltaje de 14,4 V, a 1500 RPM y hasta 80 A de carga. La regulación funcionó todo bien hasta 75A. A los 80 A sucedió lo siguiente: el voltaje (@VM1) comenzó a caer, la MCU intentó compensar aumentando la corriente de excitación, pero fue en vano: incluso al 100 % del ciclo de trabajo (~7,5 A a través de AM1), el voltaje estaba muy por debajo del punto de ajuste, ~6-7 voltios. Parece que el rotor está saturado. Estuvo bien hasta ~3.5A, pero saturado por encima de eso.

Repetimos la prueba con un punto de ajuste más bajo, 13.5V. Esta vez la saturación ocurre alrededor de 130A de carga. Esto todavía está por debajo de lo esperado por el alternador (es un modelo de trabajo pesado, diseñado para uso en camiones o autobuses, con una clasificación de 6000 RPM/450 A. Por interpolación lineal, esperaría 112,5 A a 1500 RPM, sin embargo, en realidad la relación es sublineal , ya que la eficiencia es mucho mejor a RPM más bajas, por lo que esperamos más de 130 A a 1500 RPM).

Puede ser posible producir más corriente si el controlador PI se ajusta más. Lo que me desconcierta es que cerca del punto máximo de corriente de excitación no saturada, el regulador parece estar en un área particularmente inestable: disminuya un poco la corriente de excitación y el voltaje de salida cae. Aumente un poco la corriente de excitación, se saturará y el voltaje caerá. Es decir, el regulador necesita "bailar en la punta de la aguja", lo que parece una posición incómoda para estar.

Pregunta

¿Cómo evitan los reguladores de voltaje automotrices reales este problema de "bailar en la punta de la aguja" y se aseguran de no saturar las bobinas de excitación? ¿Hacen una caracterización previa? ¿O algoritmos inteligentes? ¿O algo completamente diferente?

EDITAR 1:

Varios comentarios aquí señalan correctamente que la velocidad de rotación del alternador es demasiado baja para un alternador automotriz típico, lo que puede ser relevante o no (es un alternador de autobús/camión para velocidades más bajas). Seguiremos probando velocidades y corrientes más grandes, pero mi principal preocupación es cómo evitar el problema de "bailar en la punta de la aguja", que estaría presente en cualquier RPM.

EDITAR 2:

La potencia de entrada en el alternador en la configuración mencionada anteriormente es de 14 Nm a 1500 RPM, por lo que obtiene una potencia mecánica de entrada de ~2,2 kW. Sé que requeriría más RPM para obtener más potencia.

Sin embargo, supongamos que he colocado una resistencia de potencia de 0,1 ohmios en los terminales de salida del alternador. El eje se impulsa a 1500 RPM y lentamente aumento la corriente de excitación, de 0 a 7.5A (el máximo posible).

Supongo (¡corríjame si me equivoco!) que el voltaje de salida del alternador tendrá una respuesta aproximada de diente de sierra a la rampa de corriente de excitación. Comenzaría cerca de 0 V con excitación cero, luego aumentaría a medida que aumenta la excitación, alcanzando un máximo (por ejemplo, 13,3 voltios alrededor de una excitación de 3,5 A), luego caería bruscamente a medida que el rotor se satura.

Es este punto máximo lo que me interesa. Si mi regulador está allí, funcionando con una excitación de 3.5A, estaría midiendo que el voltaje de salida está por debajo del objetivo, luego intente aumentar la excitación. Esto hará que el voltaje caiga bruscamente, pero dado que es un controlador PI tonto, simplemente aplicaría más excitación, lo que llevaría al rotor a la saturación aún más fuerte. ¿Qué tipo de enfoque puede evitar ese comportamiento y, para el ejemplo dado, permanecer en el punto de 3,5 A donde obtiene la mayor potencia del alternador? Es algo similar al seguimiento del punto de máxima potencia. Según entiendo por los comentarios existentes, los reguladores reales de los alternadores no hacen esto, son del tipo tonto pero confiable, que simplemente no soportan la sobrecarga (y también la batería está ahí para hacer frente a una breve potencia sobretensiones).

EDITAR 3:

Tal como parece, toda la pregunta es algo discutible, ya que se basa en una premisa falsa: que el rotor se satura y las aplicaciones automotrices típicas deben lidiar con este escenario. Yo creo que no. Después de más experimentación, mis amigos encontraron varias cosas extrañas sobre la corriente de excitación máxima a diferentes temperaturas y concluyeron que el alternador está defectuoso. Lo cambiaron por uno diferente y el problema de saturación desapareció. Con una carga constante (por ejemplo, resistencia de carga), al aumentar la excitación aumenta el voltaje de salida, es una relación no lineal, pero es monótona, no como un diente de sierra como supuse en EDIT 2. En ningún momento el voltaje de salida cae cuando aumentar la corriente de excitación. De hecho, el voltaje de salida está al máximo cuando aplica un ciclo de trabajo del 100%.

Mods, siéntase libre de cerrar la pregunta si lo considera oportuno.