Estudio comparativo de estrategia de control post-falta en accionamientos eléctricos multifásicos

Abstract

Las máquinas multifásicas son un tema ampliamente estudiado en los últimos años. La literatura referida a este tipo de máquinas señala las diferentes ventajas que éstas presentan sobre las máquinas trifásicas convencionales, tal vez la más importante sea su capacidad de proporcionar tolerancia al fallo sin la necesidad de hardware adicional. Esta característica es especialmente apreciada en las aplicaciones donde la seguridad resulta crítica, como la aeroespacial o la naval. En tales casos, la redundancia inherente que ofrecen estos sistemas multifásicos permite el funcionamiento post-falta del sistema sin necesidad de hardware adicional. Sin embargo, el funcionamiento post-falta no siempre resulta imprescindible, a pesar de ello puede ser muy apreciado en aquellas aplicaciones donde el funcionamiento continuo del sistema se traduce en beneficios económicos. Un ejemplo de esta situación se puede encontrar en la industria de la energía eólica en el mar, donde las tareas de mantenimiento no siempre son posibles. Independientemente de la aplicación, es necesario implementar topologías y sistemas de control post-falta adecuados a este modo de funcionamiento especial. Esta Tesis Doctoral presenta el estado del arte en el área de máquinas multifásicas, con especial atención en la situación post-falta. Se describen diferentes topologías y esquemas de control para este modo de funcionamiento especial. Con el fin de contribuir al desarrollo del conocimiento en el campo, se presentan las siguientes contribuciones: La primera contribución presenta un estudio sobre la tolerancia al fallo de las máquinas de inducción de seis fases alimentadas por conjuntos de convertidores en paralelo con dc-links independientes. La topología propuesta es descrita, ésta incluye dos conjuntos de convertidores conectados en paralelo que alimentan a cada conjunto de devanados trifásicos. Debido a la redundancia proporcionada por los convertidores en paralelo, una falta de fase abierta en cualquiera de los convertidores no implica una fase abierta en la máquina. Este hecho permite minimizar la reducción de potencia del sistema cuando se produce el fallo, si una estrategia de control post-falta adecuada es implementada. Con el fin de reducir al mínimo la reducción de potencia del sistema, se presenta un nuevo esquema de control que permite repartir la corriente de forma desigual entre ambos devanados. Para optimizar el funcionamiento el desequilibrio es mantenido al mínimo posible usando un controlador que regula la distribución de corriente entre el devanado sano y el dañado. Este modo de funcionamiento desequilibrado se consigue gracias a la inyección de corrientes. Las referencias de estas corrientes se obtienen de las restricciones debidas a la falta, y el control se lleva a cabo en un sistema de referencia anti-síncrono que permite el uso de controladores proporcionales-integrales (PI) con un buen rendimiento. La segunda contribución en la que apoya esta Tesis Doctoral considera la misma topología de convertidores paralelos y dc-link de la primera de las contribuciones. Sin embargo, el rendimiento del sistema se mejora incluyendo un control eficiente. Ya que el funcionamiento post-falta implica valores de par/potencia por debajo de los valores nominales, el mantenimiento del valor nominal del flujo de magnetización no es una solución óptima. Con el objetivo de mejorar el rendimiento del sistema, el flujo es optimizado para cada punto de funcionamiento utilizando una técnica Loss Control Model (LMC). Este método offline permite calcular el flujo óptimo a partir del modelo de la máquina y de las restricciones debidas a la falta. Como resultado de su implementación, las pérdidas de la máquina se reducen consiguiendo además un rendimiento dinámico satisfactorio Aunque, el objetivo principal de esta estrategia de control es reducir las pérdidas en la máquina, su implementación también permite lograr un mayor par/potencia post-falta y reducir el grado de desequilibrio en el reparto de las corrientes de los dos conjuntos de devanados trifásicos. La tercera aportación también analiza la tolerancia al fallo proporcionada por un sistema multifásico con convertidores en paralelo para aplicaciones renovables de alta potencia y baja tensión. En este caso los convertidores que alimentan a cada conjunto trifásicos están conectados en paralelo con un dc-link común. Las corrientes en el conjunto dañado no se limitan por igual, lo que permite aumentar la producción de par/potencia después del fallo. Este trabajo explora diferentes escenarios de falta, el método de control post-falta implementado utiliza diferentes corrientes de referencia en función del tipo de falta y de la configuración de la máquina empleada. El esquema de control también es modificado para encontrar un sistema de referencia donde las corrientes en el plano sean constantes. De lo contrario, se deberán usar controladores resonantes que proporcionen un rendimiento satisfactorio. En este estudio la máquina multifásica es configurada con uno o dos neutros aislados. Los resultados obtenidos muestran que si se utiliza un único neutro aislado es posible obtener un mayor par post-falta, si se asume un esquema de control más complejo.