Resumen de Novel control techniques in multiphase drives: direct control methods (DTC and MPC) under limit situations
El uso de accionamientos eléctricos en sistemas integrados en lugar de motores convencionales ha crecido en los últimos años. Es el caso, por ejemplo, de la propulsión de vehículos eléctricos y la tracción ferroviaria, los buques totalmente eléctricos, los aviones “más eléctricos” y las energías renovables. Las restricciones específicas impuestas al volumen de tales sistemas y la constante necesidad de aumentar su potencia nominal conducen a optimizar la utilización de todos los componentes del tren de potencia eléctrico. Por lo tanto, las zonas de funcionamiento se acercan a sus límites, apareciendo situaciones de fallo en el sistema o comportamientos no lineales, como limitaciones de tensión y corriente o fenómenos de saturación magnética. Como ejemplo, el uso de accionamientos eléctricos para la propulsión de vehículos eléctricos requiere controlar el motor en todo su rango de velocidad, incluida la región de debilitamiento de flujo (flux-weakening en inglés) donde se alcanzan los límites de tensión.
Comparados con los accionamientos trifásicos, los multifásicos reducen las tensiones eléctricas en la máquina y en los componentes electrónicos de potencia, ya que pueden administrar más potencia con menor pulsación de par y menor contenido de armónicos de corriente, además de tener capacidades inherentes de tolerancia a fallo. Tales ventajas los hacen un candidato ideal en aplicaciones donde se pueden alcanzar límites y donde la fiabilidad es de especial interés por razones económicas y/o de seguridad. Recientes estudios sobre estos accionamientos apuntan a explotar sus características especiales y presentarlos a la industria como una alternativa a los trifásicos, donde el mayor número de fases da como resultado un mayor número de grados de libertad de control y diseño, que pueden mejorar la fiabilidad general y el rendimiento del sistema.
Consecuentemente, se han propuesto técnicas de control en tiempos recientes para los accionamientos multifásicos que generalmente son una extensión de las estructuras de control trifásicas convencionales, teniendo como objetivo el alto rendimiento de velocidad/par del accionamiento. A pesar de todo, existe una cierta carencia de investigación referente a las situaciones límite que se pueden dar en la máquina. Si el sistema funciona por debajo de sus límites, es posible descomponerlo en varios subespacios controlados de manera independiente (“control promedio”). Sin embargo, en el caso de un sistema que funciona cerca de sus límites, ya no es posible lo anterior y es necesario un “control directo” de todo el sistema. La principal dificultad radica en la manera de formalizar el problema para poder tener en cuenta las restricciones impuestas junto con los objetivos de control que se han de respetar.
El objetivo general de este trabajo de Tesis Doctoral es el desarrollo de técnicas de control directo para controlar de forma óptima máquinas multifásicas, estudiando la tolerancia del accionamiento a diferentes condiciones operativas, tales como límites eléctricos (límites de tensión, de corriente y de nivel máximo de magnetización) o la tolerancia al fallo (situación de falta de fase abierta). El significado de técnicas de “control directo” se relaciona con aquéllas cuya estrategia de control se realiza sin la intervención de una etapa de modulación de ancho de pulso (PWM, por sus siglas en inglés) u otra forma de modulación, proporcionando señales de control que se aplican directamente al convertidor de potencia. Las estrategias de control directo que se analizan en esta Tesis son las más utilizadas en la literatura, es decir, el DTC y el MPC. Para este propósito, el estudio se centra en accionamientos multifásicos controlados usando diferentes subespacios de control en el dominio de frecuencia. Por un lado, máquinas de inducción de 5 fases con devanados distribuidos, controlados usando un único subespacio en el dominio de frecuencia (flujo y par en el plano α–β). Por otro lado, máquinas síncronas de imanes permanentes de 5 fases y máquinas de inducción de 5 fases con devanados concentrados, las cuales poseen dos subespacios controlados (flujo y par en los planos α1–β1 y α3–β3).
En primer lugar, se propone la técnica DTC para gestionar la operación de fallo de fase abierta de la máquina multifásica. Téngase en cuenta que el uso del DTC en variados multifásicos puede estar limitado en el funcionamiento normal debido a la imposibilidad de regular más de dos grados de libertad (par eléctrico y flujo del estator). Sin embargo, cuando aparecen situaciones de fallo, el número de grados de libertad en el sistema se reduce y el inconveniente de usar el método DTC también puede mitigarse, siendo los beneficios similares a los obtenidos en los accionamientos trifásicos donde el DTC se convirtió, hace mucho tiempo, en una alternativa muy conocida e interesante en aplicaciones industriales a los métodos FOC. La técnica DTC se extiende con eficacia en este trabajo para hacer frente al funcionamiento de la máquina multifásica con una falta de fase abierta. Las referencias de velocidad, par y flujo se regulan con éxito después de la aparición de la falta si el par de carga aplicado está por debajo del par máximo que puede gestionar el esquema de control post-falta. Además, se lleva a cabo una evaluación experimental entre el DTC y otros métodos, que revela que no existe una técnica de control ideal para gestionar la aparición de fallos. Si la robustez, simplicidad o el coste computacional son las características deseables, el método DTC ofrece el mejor rendimiento. De lo contrario, si la calidad de la corriente del estator en términos de distorsión armónica o el par eléctrico máximo post-falta se exige en el funcionamiento posterior a la falta, la solución más adecuada consiste en el uso de técnicas FOC.
Cuando aumenta el número de grados de libertad, el DTC parece ser un método de control inadecuado con la capacidad de regular únicamente el par y el flujo. Una alternativa interesante desde la perspectiva del control directo puede ser el uso del control predictivo, que se ha aplicado con éxito en los últimos tiempos en el campo de estudio. El MPC se ha mostrado como una excelente solución para optimizar la capacidad de par del variador bajo las restricciones de tensión, corriente y magnéticas impuestas por el convertidor de potencia y la máquina eléctrica. En este sentido, se introduce una técnica novedosa constituida por dos etapas MPC en cascada, que permite el cálculo online de las referencias de corriente óptimas. Los resultados experimentales obtenidos demuestran que el método puede generar una combinación óptima de las referencias de corriente d–q para obtener el par máximo mientras se minimizan las pérdidas en el cobre y se respetan los límites impuestos.
Finalmente, es de destacar la internacionalización de este trabajo que ha sido desarrollado dentro de un acuerdo de cotutela internacional de tesis entre Arts et Métiers y la Universidad de Sevilla, con financiación del doctorando por parte de Arts et Métiers. Asimismo, los resultados obtenidos han dado lugar a un importante número de artículos publicados en revistas indexadas, contribuciones en congresos de reconocido prestigio, así como capítulos de libros y patentes registradas.
