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

UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA TESIS DOCTORAL ESTUDIO COMPARATIVO DE ESTRATEGIAS DE CONTROL POST-FALTA EN ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS MULTIFÁSICOS Autor: IGNACIO GONZÁLEZ PRIETO Directores: FEDERICO JOSE BARRERO GARCÍA MARIO JAVIER DURÁN MARTÍNEZ Trabajo presentado como requisito para la obtención del grado de Doctor en Ingeniería Automática, Electrónica y de Telecomunicación Mención “Doctor Internacional” Sevilla, 2015 SUMMARY Multiphase machines are an important topic of research in the last years. The literature on multiphase machines and drives points out different advantages over standard three-phase machines, but maybe the most convincing one for the industry is the capability to provide fault tolerance with no extra hardware. This feature is especially valuable in safety-critical applications such as aerospace or military naval drives. In such cases, the inherent redundancy provided by multiphase systems allows the fault-tolerant operation of the drive with no additional hardware. Nevertheless, the post-fault operation is not mandatory but it is also highly appreciated in other applications because of the economic benefits that are derived from the continuous operation of the drive. An example of this situation can be found in offshore wind energy industry, where the tasks of maintenance are not always possible. Regardless of the application, it is necessary to implement adequate topologies and control schemes. The improvement of the fault-tolerant capability of the multiphase drive is then analyzed in this work following these two perspectives. This Doctoral Thesis presents the state of art in the multiphase machines area, focusing especially on the post-fault situation where different topologies and post-fault control schemes are described. In order to contribute the development of knowledge in the field, the following contributions are presented: The first contribution presents a study about the fault-tolerant capability of sixphase induction machines supplied by two sets of parallel converters with independent dc-links. This contribution describes a proposed topology, which includes two parallel connected converters that jointly supply each set of threephase windings. Due to the ESTUDIO COMPARATIVO DE ESTRATEGIAS DE CONTROL POST-FALTA EN ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS MULTIFÁSICOS 2015 redundancy provided by the parallel converters, a single open-phase fault in any of the converters does not imply an open-phase in the machine. This fact allows minimizing the system derating when the fault occurs but a suitable post-fault control strategy must be employed. In order to minimize the derating of the system, the work presents a new control scheme that allows unequal current sharing between windings, although the imbalance is kept to a minimum using a controller that regulates the current sharing between healthy and faulty sets of three-phase windings. This current sharing can be regulated controlling x-y currents. The references for these currents are derived to properly comply with the fault restrictions, and the control is performed in an antisynchronous reference frame that allows maintaining standard proportional-integral (PI) controllers with good performance. The second contribution that supports this Doctoral Thesis considers the same topology with parallel converters and independent dc-links. However, the performance of the six-phase drive is improved including an efficient control. Since the fault-tolerant operation implies torque/power values below rated values, maintaining the pre-fault rated flux is not an optimal choice. With the aim of improving the drive performance, the flux is optimized for each operating point using a Loss Model Control (LMC) approach. This offline method considers the additional degrees of freedom of the sixphase machine and the restrictions associated with the fault. As a result of operating with optimum flux, the machine losses are reduced but a good dynamic performance is still maintained. Although, the main goal of this control strategy is to reduce losses in the machine, it is demonstrated that it is also possible to achieve higher torque/power and reduce the degree of imbalance in the current sharing of the two sets of three-phase windings. The third contribution also analyzes the fault-tolerant capability (open-phase type) provided by multiphase drives with parallel converters in low-voltage high-power renewable generating applications. In this case the converters that supply each set of three-phase windings are connected in parallel with a common dc-link. The currents in the faulty set are not equally limited, which opens a new range of increasing the torque/power after the fault. The work explores different faulty scenarios and the postfault control method is modified using new reference currents, obtained using a ESTUDIO COMPARATIVO DE ESTRATEGIAS DE CONTROL POST-FALTA EN ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS MULTIFÁSICOS 2015 generalized reduced gradient technique. The control scheme is also modified to find a reference frame where currents in the 𝑥-𝑦 plane become constant. Otherwise, resonant controllers are selected to provide a satisfactory current tracking performance. In this research the multiphase machine is configured with either a single neutral or with several isolated ones. The obtained results show that the single neutral connection achieves a higher post-fault torque and power at the expense of more complex control schemes compared with the case with two isolated neutrals. Moreover, theoretical torque production of this topology and post-fault control scheme is compared with the torque production of other topologies and control schemes. AGRADECIMIENTOS Me gustaría agradecer la confianza depositada en mí a mis dos directores el Dr. Federico J. Barrero García y el Dr. Mario J. Durán Martínez (quizás esto son demasiados formalismos para nosotros). No sólo de máquinas multifásicas o convertidores he aprendido junto a vosotros. Gracias a vosotros y a los que os rodean. También quiero dar las gracias a todos mis amigos del laboratorio 3.507-II. Alberto, Hugo, Manu, Mario y Rocío (sí, va por orden alfabético). A mi familia de ACETI Sevilla gracias también: Cristina, Dani (ACETI-PT), Jesús, José (ACETI-PT) y Mario (a ti por partida doble). Sin vosotros no hubiese sido lo mismo. Gracias Ana, sinceramente no sé cómo darte las gracias, quizás estas son pocas líneas para lo que te mereces. Gracias Andrés, sólo te pido que si vienes no llegues tarde. Gracias Inma, no sé si me has ayudado a escribir la Tesis o no, pero gracias por estar ahí. Ahora es cuando me pongo aún más sensible. Mamá gracias por ayudarme a ser un hombrecito, por enseñarme el camino y por tus postres también. Papá gracias, son muchas las cosas que he aprendido a tu lado (aunque de fútbol no tengas ni idea). Hermanito muchas gracias por ser el hermano pequeño que todo el mundo quisiera tener. Abuela gracias, te quiero. Ignacio ÍNDICE - Capítulo 1. Introducción Página 1.1 Consideraciones Preliminares 3 1.2 Motivación 5 1.3 Objetivos 5 1.4 Organización del Documento 7 - Capítulo 2. Estado del Arte de los Accionamientos Eléctricos Multifásicos en Situación Post-Falta 2.1 Accionamientos Multifásicos: Descripción y Estado Actual 12 2.2 Modelado de los Accionamientos Eléctricos Multifásicos en Situación de Pre y Post-Falta 14 2.2.1 Máquinas eléctricas multifásicas de inducción 14 2.2.2 Modelado de las máquinas multifásicas de inducción de devanados distribuidos 16 2.2.2.1 Transformación del sistema de referencia 𝑎𝑏𝑐/𝑑𝑞 16 2.2.2.2 Transformación del sistema de referencia 𝑎𝑏𝑐/𝛼𝛽 20 2.2.2.3 Transformación del sistema de referencia 𝑎𝑏𝑐𝑑𝑒𝑓/𝑑𝑞 21 2.2.2.4 Modelo de la máquina 22 2.2.3 Convertidores de tensión 25 2.2.3.1 Convertidor de tensión de dos niveles 26 2.2.3.2 Modulación sinusoidal por ancho de pulso SPWM 27 2.3 Métodos de Control para Accionamientos Eléctricos Multifásicos 29 2.3.1 Control vectorial orientado de campo 30 2.3.2 Control predictivo 33 2.3.3 Control directo de par 36 2.4 Tolerancia al Fallo en Accionamientos Eléctricos Multifásicos 38 2.4.1 Clasificación de las faltas en sistemas multifásicos 40 2.4.1.1 Faltas en la máquina eléctrica 40 2.4.1.1.1 Faltas en el estátor 41 2.4.1.1.2 Faltas en el rotor 42 2.4.1.1.3 Excentricidades o irregularidades en el entrehierro 42 2.4.1.1.4 Faltas en los cojinetes 43 2.4.1.1.5 Desviaciones en el eje 43 2.4.1.2 Faltas en los sensores 43 2.4.1.3 Faltas en los convertidores 44 2.4.2 Estrategias de Actuación en Control Post-falta 46 2.4.2.1 Límites de corriente en OCF 46 2.4.2.2 Referencias de corriente óptimas en OCF 47 2.4.2.3 Limitación de operación de una máquina multifásica en OCF 51 2.4.2.4 Modelado y control post-falta en OCF 54 2.5 Análisis de Diferentes Topologías de Accionamientos Eléctricos 54 ESTUDIO COMPARATIVO DE ESTRATEGIAS DE CONTROL POST-FALTA EN ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS MULTIFÁSICOS 2015 6 Fig. 1.1. Esquema de un sistema de conversión de energía eólica multifásico. El área sombreada corresponde a la parte del sistema estudiada en esta Tesis. Fuente: Elaboración propia. - Análisis comparativo de las prestaciones de diferentes topologías de convertidores para el funcionamiento post-falta de un sistema de propulsión eléctrico. El fin último de este estudio, es determinar que topología se adapta mejor a la situación de post-falta que en él se presenta. - Implementación de un control eficiente post-falta para una máquina de inducción asimétrica de seis fases, mediante un control indirecto de campo orientado adaptado a las características del sistema. El objetivo fundamental de este estudio es demostrar las mejoras que se producen en las prestaciones del sistema gracias a la implementación de la topología desarrollada y de la estrategia de control adoptada. - Implementación de un control con una distribución de corrientes optimizada para el control de velocidad de un sistema de propulsión eléctrico multifásico en situación post-falta. El objetivo de la implementación de esta estrategia de control es maximizar el par proporcionado por el sistema en situación de post-falta salvaguardando al mismo tiempo la salud de la parte del sistema que no se encuentra dañada. Convertidores de tensión Unidad de control Convertidores de tensión Red Generador multifásico ESTUDIO COMPARATIVO DE ESTRATEGIAS DE CONTROL POST-FALTA EN ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS MULTIFÁSICOS 2015 7 1.4 ORGANIZACIÓN DEL DOCUMENTO El documento se ha organizado en tres partes, que se ajustan a la estructura definida por la Normativa Reguladora del Régimen de Tesis Doctoral vigente de la Universidad de Sevilla, en cumplimiento con el Real Decreto 99/2011 (BOE 10 de febrero de 2011) que establece: “Podrán presentarse para su evaluación como tesis doctoral un conjunto de trabajos publicados por el doctorando (...) Además de las publicaciones, la tesis doctoral deberá incluir necesariamente: introducción en la que se justifique la unidad temática de la tesis, objetivos a alcanzar, un resumen global de los resultados, la discusión de estos resultados y las conclusiones finales...”. En la Parte I se detallan las generalidades del trabajo. Se realiza una introducción del mismo, de sus fundamentos y de sus objetivos (Capítulo 1). Posteriormente, se describe el estado del arte de los accionamientos multifásicos en situación de post-falta. Dicha descripción recoge el modelado, los métodos de control de velocidad, los tipos de faltas y las estrategias de control de los accionamientos eléctricos multifásicos (Capítulo 2). En la Parte II se discuten los resultados obtenidos en los trabajos de investigación realizados (Capítulo 3). La Parte III se compone de los tres artículos basados en nuevos conceptos, desarrollados y publicados durante la realización de la investigación en los accionamientos multifásicos de seis fases. El primero de los estudios presentados se concentra en el análisis de varias topologías de convertidores para el funcionamiento post-falta de un sistema de propulsión multifásico, presentando además una estrategia de control novedosa que se adecúa a las prestaciones de la topología seleccionada (Artículo 1). En el segundo de los artículos, se incorpora una estrategia de control eficiente a la topología y al esquema de control desarrollados en la primera de las contribuciones. La tercera aportación presenta una estrategia de control post-falta con referencias óptimas para la regulación de un accionamiento multifásico sometido a diferentes situaciones de falta (Artículo 2). Finalmente se exponen las conclusiones alcanzadas y se presentan futuros trabajos en la línea de investigación planteada en esta Tesis (Capítulo 4). 8 REFERENCIAS [1] T. McCoy and M. Bentamane, “The all-electric warship: An overview of the U.S. Navy’s integrated power system development programme,” in Proc. Int. Conf. ELECSHIP, Istanbul, Turkey, 1998, pp. 1–4. [2] M. Benatmane and T. McCoy, “Development of a 19 MW PWM converter for U.S. Navy surface ships,” in Proc. Int. Conf. ELECSHIP, Istanbul, Turkey, 1998, pp. 109–113. [3] C. Hodge, S. Williamson, and A. C. Smith, “Direct drive marine propulsion motors,” in Proc. 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[9] D. Gritter, S. S. Kalsi, and N. Henderson, “Variable speed electric drive options for electric ships,” in Proc. IEEE ESTS, Philadelphia, PA, 2005, pp. 347–354. [10] S. Lu and K. Corzine, “Multilevel multi-phase propulsion drives,” in Proc. IEEE ESTS, Philadelphia, PA, 2005, pp. 363–370. [11] K. A. Corzine, S. D. Sudhoff, E. A. Lewis, D. H. Schmucker, R. A. Youngs, and H. J. Hegner, “Use of multi-level converters in ship propulsion drives,” in Proc. All Electr. Ship Conf., London, U.K., 1998, pp. 155–163. [12] M. Steiner, R. Deplazes, and H. Stemmler, “A new transformerless topology for AC-fed traction vehicles using multi-star induction motors,” EPE J., vol. 10, no. 3/4, pp. 45–53, 2000. [13] A. Monti, A. P. Morando, L. Resta, and M. Riva, “Comparing two-level GTO-inverter feeding a double star asynchronous motor with a three level GTO-inverter feeding a single star asynchronous motor,” in Proc. EPE, Seville, Spain, 1995, pp. 2.419–2.425. 9 [14] A. C. Smith, S. Williamson, and C. G. Hodge, “High torque dense naval propulsion motors,” in Proc. IEEE IEMDC, Madison, WI, 2003, pp. 1421–1427. [15] S. Mantero, E. De Paola, and G. Marina, “An optimised control strategy for double star motors configuration in redundancy operation mode,” in Proc. Eur. Power Electronics Applications Conf. (EPE), Lausanne (Switzerland), 1999, CD-ROM, Paper 013. [16] S. Mantero, A. Monti, and S. Spreafico, “DC-bus voltage control for double star asynchronous fed drive under fault conditions,” in Proc.IEEE PESC, Galway, Ireland, 2000, pp. 533–538. [17] S. Williamson and S. Smith, “Fault tolerance in multiphase propulsion motors,” J. Marine Eng. Technol., no. A4, pp. 3–7, 2004. [18] M. G. Simoes and P. Vieira, “A high-torque low-speed multiphase brushless machine—A perspective application for electric vehicles,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 49, no. 5, pp. 1154– 1164, 2002. [19] M. G. Simoes and P. Vieira, Jr., “Model development and design of a wheel-motor drive system,” in Proc. EPE-PEMC, Kosice, Slovakia, 2000, pp. 5.74–5.79. [20] M. T. Abolhassani, “A novel multiphase fault tolerant high torque density permanent magnet motor drive for traction applications,” in Proc. IEMDC, San Antonio, TX, 2005, pp. 728– 734. [21] R. Bojoi, A. Tenconi, F. Profumo, and F. Farina, “Dual-source fed multiphase induction motor drive for fuel cell vehicles: Topology and control,” in Proc. IEEE PESC, Recife, Brazil, 2005, pp. 2676–2683. [22] S. Z. Jiang, K. T. Chau, and C. C. Chan, “Spectral analysis of a new six phase pole-changing induction motor drive for electric vehicles,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 50, no. 1, pp. 123– 131, 2003. [23] C. C. Chan, J. Z. Jiang, G. H. Chen, X. Y. Wang, and K. T. Chau, “A novel polyphase multipole square-wave permanent magnet motor drive for electric vehicles,” IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 30, no. 5, pp. 1258–1266, 1994. [25] S. Brisset, D. Vizireanu and P. Brochet, “Design and optimization of a nine-phase axial-flux PM synchronous generator with concentrated winding for direct-drive wind turbine,” IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 44, no. 3, pp. 707-715, 2008. [26] Gamesa Technological Corporation S.A. (2014, Dec 3). Gamesa 5.0 MW [Online]. Available:http://www.gamesacorp.com/recursos/doc/productos-servicios/aerogeneradores /catalogo-g10x-45mw.pdf [27] C. Ditmanson, P. Hein, S. Kolb, J. Mölck and S. Bernet, “A new nodular flux-switching permanent-magnet drive for large wind turbines,” IEEE Ind. Appl. Mag., vol. 50, no. 6, pp. 37873794, 2014. 10 [28] J. Wang, R. Qu and Y. Liu, “Comparison study of superconducting generators with multiphase armature windings for large-scale direct-drive wind turbine,” IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 23, no. 3, 2013. [29] X. Yuan, J. Chai and Y. Li, “A transformer-less high-power converter for large permanent magnet wind generator systems,” IEEE Trans. Sustain. Energy, vol. 3, no. 3, pp. 318-329, 2012. [30] Z. Xiang-Jun, Y. Yongbing, Z. Hongtao, L. Ying, F. Luguang and Y. Xu, “Modelling and control of a multi-phase permanent magnet synchronous generator and efficient hybrid 3L-converters for large direct-drive wind turbines,” IET Electric Power Applications, vol. 6, no. 6, pp. 322-331, 2011. 11 Capítulo 2 ESTADO DEL ARTE DE LOS ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS MULTIFÁSICOS EN SITUACIÓN POST-FALTA En este capítulo se describe el estado actual del control de los accionamientos eléctricos multifásicos cuando aparece una falta o fallo en el mismo. Para ello se detallan sus fundamentos y orígenes, así como los estudios más recientes con el fin de generar un marco teórico actual que facilite la comprensión del trabajo realizado en la presente Tesis, centrado en el planteamiento de estrategias de control que permitan validar el funcionamiento post-falta de estos sistemas. Además, se muestra la evolución histórica de estas técnicas, indicando las diferentes alternativas que han ido apareciendo, su adaptación a los sistemas multifásicos y sus prestaciones post-falta. Se plantea también una breve descripción del funcionamiento y el estado de la técnica en situación de prefalta para poder entender, comparativamente, el funcionamiento de la máquina controlada en fallo. Todo ello en pos de entender las aportaciones incluidas en la Tesis, basadas en el desarrollo de nuevas topologías de conexión a red de generadores eléctricos multifásicos, así como en la implementación de diferentes técnicas de control que permitan el control post-falta de las mismas. ESTUDIO COMPARATIVO DE ESTRATEGIAS DE CONTROL POST-FALTA EN ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS MULTIFÁSICOS 2015 12 2.1 ACCIONAMIENTOS MULTIFÁSICOS: DESCRIPCIÓN Y ESTADO ACTUAL Las máquinas eléctricas trifásicas de corriente alterna alimentadas por convertidores de potencia son hoy en día la opción más empleada en aplicaciones de velocidad variable, tales como la tracción o la generación eólica, entre otras. El estado de madurez de estos accionamientos eléctricos, así como de las técnicas de control de los mismos, hace que las perspectivas de futuro de estos accionamientos convencionales sigan siendo prometedoras. No obstante, no existe limitación técnica que impida utilizar máquinas eléctricas o convertidores de mayor número de fases, siempre y cuando haya un enlace de continua que desacople la máquina y la red. Esta situación proporciona un mayor número de grados de libertad, mejorando así las prestaciones de estos sistemas. Fue a comienzos de la década de los sesenta cuando se empezó a estudiar la utilización de accionamientos eléctricos multifásicos [1]. Este tipo de aplicaciones nace como una solución al problema del rizado de baja frecuencia presente en el par de los accionamientos eléctricos convencionales. No obstante, su desarrollo se vio frenado con la llegada de la modulación por ancho de pulso o modulación PWM (por sus siglas en inglés) que permitía solucionar el problema del rizado del par de los accionamientos eléctricos convencionales. Sin embargo, los accionamientos multifásicos presentan una serie de ventajas frente a los sistemas convencionales que impulsaron de nuevo su desarrollo en la década de los noventa, todo ello en paralelo con la evolución experimentada por la electrónica de potencia y los sistemas electrónicos con capacidad de procesamiento (microprocesadores, DPS, FPGAs, PSOCs, etc.). Las ventajas históricas que han presentado este tipo de accionamientos son, entre otros, una mejor tolerancia al fallo, una mejor distribución de la potencia del sistema al existir un mayor número de fases [2-3] (permitiendo reducir así la potencia por fase de los convertidores) o una mejor producción de par a través de la inyección de armónicos de las corrientes del estátor en el caso de máquinas con devanados concentrados [4]. Si se analizan los sistemas multifásicos desde el punto de vista del control, estos presentan un mayor número de grados de libertad en comparación con los sistemas convencionales, lo que ofrece una mayor flexibilidad a la hora de adaptar el comportamiento del sistema a las prestaciones requeridas o al punto de operación en ESTUDIO COMPARATIVO DE ESTRATEGIAS DE CONTROL POST-FALTA EN ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS MULTIFÁSICOS 2015 13 cada instante. La existencia de este mayor número de grados de libertad ha permitido que se pueda implementar el control de sistemas multi-máquinas alimentados con único inversor, de micro-redes [5] y de sistemas de mejora de gestión de la energía en la frenada [6]. Para poder explotar estas ventajas de los sistemas multifásicos antes ha sido necesaria una evolución en las técnicas de control (Sección 2.3.1), así como el desarrollo de nuevas topologías de accionamientos eléctricos multifásicos (Sección 2.5). Por lo general, los métodos de control implementados en los sistemas convencionales trifásicos se han adaptado a los sistemas multifásicos en situación normal. En la actualidad, son tres los métodos de control más empleados para la regulación de este tipo de sistemas: control de orientado de campo [7-23], control predictivo [24-31] y control directo de par [32-39]. Sin embargo, si se atiende al funcionamiento post-falta de los accionamientos multifásicos, que es precisamente una de sus principales ventajas, se puede observar que poco se ha evolucionado en el estado del arte en este campo comparativamente con los logros obtenidos en otras áreas de los sistemas multifásicos. Esto justifica la realización de la presente Tesis, dedicada al funcionamiento post-falta de este tipo de accionamientos. Se debe destacar que cuando se habla de la tolerancia al fallo de un accionamiento multifásico, se hace referencia a la capacidad de que el sistema continúe operando sin necesidad de utilizar un hardware extra cuando se produce una falta [40]. Esta tolerancia al fallo de las máquinas multifásicas es especialmente interesante en aquellos sistemas donde la seguridad resulta una condición crítica, tales como las aplicaciones aeroespaciales o navales [2-3]. La alta fiabilidad requerida en los actuadores eléctricos de los aviones (que vienen remplazando a sus homólogos hidráulicos), está promoviendo también el uso de motores multifásicos con tolerancia al fallo, especialmente con conjuntos de varios devanados de tres fases [41-46]. Sin embargo, esta tolerancia al fallo es una característica deseable pero no crítica en otras aplicaciones. Es el caso por ejemplo de la generación eólica offshore [45,47], donde la opción de mantener la generación en situación post-fallo resulta beneficiosa desde el punto de vista económico. Esta característica es especialmente interesante si se tiene en cuenta que el mantenimiento de estos sistemas no siempre se puede realizar debido, ESTUDIO COMPARATIVO DE ESTRATEGIAS DE CONTROL POST-FALTA EN ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS MULTIFÁSICOS 2015 14 por ejemplo, a condiciones meteorológicas no favorables. Independientemente de la aplicación y de la fiabilidad requerida, la tolerancia al fallo es obtenida a través de una reconfiguración del software en función del tipo de fallo detectado y de la topología del accionamiento multifásico en cuestión, como se muestra más adelante en la Sección 2.4. Sin embargo, el funcionamiento post-falta sólo se puede aplicar bajo ciertas condiciones, pues generalmente tras la falta es necesario reducir la potencia de operación para salvaguardar la seguridad del resto del sistema. Acorde con esta situación de operación limitada parecen estar las técnicas de control eficiente, históricamente empleadas en los accionamientos eléctricos convencionales para cargas bajas. No obstante la literatura referida a estas técnicas de control aplicadas a accionamientos eléctricos multifásicos es bien escasa [37-38], hecho que se acentúa más aún para el caso de funcionamiento postfalta. Atendiendo a la situación del estado del arte de los accionamientos eléctricos multifásicos expuesta en esta sección, la presente Tesis se basa en el análisis y desarrollo de nuevas topologías de accionamientos eléctricos multifásicos, así como en la implementación de diferentes técnicas de control que permitan optimizar el funcionamiento post-falta de estos sistemas multifásicos. 2.2 MODELADO DE LOS ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS MULTIFÁSICOS EN SITUACIÓN DE PRE Y POST-FALTA 2.2.1 Máquinas Eléctricas Multifásicas de Inducción Las máquinas eléctricas para aplicaciones de velocidad variable, ya sean convencionales o multifásicas, permiten la conversión de energía eléctrica en mecánica o viceversa. Basan su funcionamiento en los principios del electromagnetismo, concretamente en la Ley de Faraday, “Si el flujo que atraviesa un área rodeada por un circuito varía, se induce una fuerza electromotriz que es igual a la variación por unidad de tiempo del flujo que atraviesa el circuito”. Generalmente, estas máquinas cumplen el principio de reciprocidad electromagnética, lo cual quiere decir que son reversibles, y que pueden funcionar como motor o como generador. Independientemente de que se traten de máquinas eléctricas convencionales o multifásicas, las más utilizadas industrialmente en aplicaciones eólicas y de tracción son las máquinas síncronas y ESTUDIO COMPARATIVO DE ESTRATEGIAS DE CONTROL POST-FALTA EN ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS MULTIFÁSICOS 2015 15 máquinas asíncronas o de inducción. Es el segundo tipo de máquina eléctrica, caracterizada por su economía y robustez, la elegida para el desarrollo de la presente Tesis. La máquina eléctrica asíncrona o de inducción nace en 1988 existiendo dos publicaciones separadas en muy poco espacio de tiempo que se atribuyen su descubrimiento, una del profesor Galileo Ferraris en Italia y otra de Nikola Tesla en los Estados Unidos. A pesar de corresponder a Galileo Ferraris la publicación original, su desarrollo sólo era capaz de generar un bajo rango de potencia mientras que el modelo presentado por Nikola Tesla proporcionaba mejores prestaciones, por lo que se consideró a este último como el inventor de la máquina de inducción. La característica que diferencia a las máquinas eléctricas de inducción del resto de máquinas eléctricas es que generalmente la corriente del rotor es no conducida siendo producto de la fuerza electromotriz inducida por la acción del flujo del estátor. Se denominan también máquinas asíncronas, ya que la velocidad de rotación del rotor no coincide con la del campo generador por las corrientes del estator. Las principales ventajas que han impulsado la utilización de estas máquinas eléctricas son su robustez y su simple construcción, así como el bajo mantenimiento requerido. Históricamente, su principal inconveniente era su limitación a la hora de regular su velocidad, siendo los motores de corriente continua la opción más adecuada para aplicaciones con velocidad variable. Sin embargo, la utilización de las máquinas de inducción ya sean trifásicas o multifásicas se ha visto impulsada gracias al desarrollo de la electrónica de potencia y de los microprocesadores. Una de las opciones más estudiadas dentro de las máquinas multifásicas son las máquinas con múltiples conjuntos de devanados trifásicos. Gracias a la existencia de múltiples conjuntos de devanados, la máquina puede ser configurada con uno o varios neutros, influyendo el número de neutros del sistema en sus características. En el caso de la máquina de seis fases, si se emplean dos neutros se evita la circulación de corrientes de secuencia cero al mismo tiempo que se reduce el número de controladores de cinco a cuatro. Por el contrario, si se opta por una configuración con un único neutro se obtiene un grado de libertad más que en el caso de dos neutros, lo cual proporciona una mejor tolerancia al fallo. Sin embargo, resulta necesario un ESTUDIO COMPARATIVO DE ESTRATEGIAS DE CONTROL POST-FALTA EN ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS MULTIFÁSICOS 2015 22 Una vez expresadas las variables en el sistema de referencia estacionario 𝛼𝛽 es necesario aplicar la transformada de Park para expresarlas en el sistema de referencia 𝑑𝑞. La transformada de Park puede ser aplicada por separado a las componentes 𝛼𝛽 y 𝑥𝑦 ya que éstas se encuentran desacopladas. Además, en el caso de las componentes 𝑥𝑦, tal y como se indica en [11], resulta beneficioso expresar las componentes en un sistema de referencia anti-síncrono a través de la matriz de transformación [𝐷]−1: [𝑥𝑑 𝑥𝑞]=[cos𝜃 𝑠𝑒𝑛 𝜃 −𝑠𝑒𝑛 𝜃 cos 𝜃] ⏞ [𝐷][𝑥𝛼 𝑥𝛽] [𝑥′ 𝑦′]=[cos𝜃 −𝑠𝑒𝑛 𝜃 𝑠𝑒𝑛 𝜃 cos 𝜃] ⏞ [𝐷]−1 [𝑥𝑦] (6) 2.2.2.4 Modelo de la máquina En la actualidad son dos los modelos dinámicos para máquinas de inducción más empleados. Uno de ellos basado en vectores espaciales y el otro en el sistema de referencia síncrono 𝑑𝑞. Ambos modelos están relacionados entre sí y son igualmente válidos a la hora de representar el comportamiento de la máquina. 𝐸𝑠𝑐𝑟𝑖𝑏𝑎 𝑎𝑞𝑢í 𝑙𝑎 𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖 30𝑜 𝑎 𝑏 𝑐 𝑑 𝑒 𝑓 Fig. 2.4 Distribución espacial de las fases de una máquina con dos devanados trifásicos desfasados 𝟑𝟎𝒐. Fuente: Elaboración propia. ESTUDIO COMPARATIVO DE ESTRATEGIAS DE CONTROL POST-FALTA EN ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS MULTIFÁSICOS 2015 23 Modelo basado en vectores espaciales En el modelado de una máquina de inducción mediante vectores espaciales se asume que la estructura física de la máquina es simétrica, que los conjuntos de devanados trifásicos están equilibrados y que el núcleo magnético del estátor y del rotor tiene un comportamiento lineal siendo sus pérdidas despreciables. El modelo basado en vectores espaciales está generalmente compuesto por un conjunto de tres ecuaciones: ecuaciones de tensión, ecuaciones de flujo de enlace y ecuaciones de movimiento. Las ecuaciones de tensión del estátor y del rotor de la máquina en un sistema de referencia arbitrario son las siguientes: 𝑣𝑠=𝑅𝑠𝑖𝑠+𝑝𝜆𝑠+𝑗𝜔𝜆𝑠 𝑣𝑟=𝑅𝑟𝑖𝑟+𝑝𝜆𝑟+𝑗(𝜔−𝜔𝑟)𝜆𝑟 (7) donde 𝑣𝑠 y 𝑣𝑟 son las tensiones del estátor y del rotor, 𝑖𝑠 e 𝑖𝑟 las corrientes del estátor y del rotor, 𝜆𝑠 y𝜆𝑟 los flujos magnéticos de enlace del estátor y del rotor, 𝑅𝑠y 𝑅𝑟 las resistencias del estátor y del rotor, 𝜔 la velocidad de rotación del sistema de referencia arbitrario, 𝜔𝑟 la velocidad angular eléctrica del rotor y 𝑝 el operador derivada. Los términos 𝑗𝜔𝜆𝑠 y 𝑗(𝜔−𝜔𝑟)𝜆𝑟 son inducidos por la velocidad de rotación del sistema de referencia arbitrario. La segunda ecuación del modelo basado en vectores espaciales hace referencia al flujo de enlace del estátor y del rotor: 𝜆𝑠=(𝐿𝑙𝑠+𝐿𝑚)𝑖𝑠+𝐿𝑚𝑖𝑟=𝐿𝑠𝑖𝑠+𝐿𝑚𝑖𝑟 𝜆𝑟=(𝐿𝑙𝑟+𝐿𝑚)𝑖𝑟+𝐿𝑚𝑖𝑠=𝐿𝑟𝑖𝑟+𝐿𝑚𝑖𝑠 (8) donde 𝐿𝑠 y 𝐿𝑟 son las auto-inductancias del estátor y el rotor, respectivamente; 𝐿𝑙𝑠 y 𝐿𝑙𝑟 son las inductancias de fuga del estátor y del rotor, y 𝐿𝑚 la inductancia de magnetización. Todas las variables y parámetros del rotor están referidas al estátor. ESTUDIO COMPARATIVO DE ESTRATEGIAS DE CONTROL POST-FALTA EN ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS MULTIFÁSICOS 2015 24 La tercera y última ecuación de este modelo es la ecuación de movimiento, que describe el comportamiento de la velocidad mecánica de rotación del rotor en función del par mecánico, del par electromagnético y del rozamiento viscoso: 𝐽𝑑𝜔𝑚 𝑑𝑡 =𝑇𝑒−𝑇𝑚−𝐵𝑚·𝜔𝑚 𝑇𝑒=3𝑃 2𝑅𝑒(𝑗𝜆𝑠𝑖𝑠∗)=−3𝑃 2𝑅𝑒(𝑗𝜆𝑟𝑖𝑟∗) (9) donde 𝐽 es el momento de inercia del rotor, P el número de pares de polos, 𝑇𝑚 el par mecánico en el eje de la máquina, 𝑇𝑒 el par electromagnético, 𝜔𝑚 la velocidad mecánica del rotor y 𝐵𝑚 el coeficiente de fricción en los apoyos. Este conjunto de ecuaciones constituyen el modelo basado en vectores espaciales de una máquina de inducción, el circuito equivalente de dicho modelo se muestra en la Fig. 2.5. Este modelo puede ser expresado en cualquier otro sistema de referencia. Modelo de referencia 𝑑𝑞 A partir del modelo de vectores espaciales se puede obtener el modelo en el sistema de referencia 𝑑𝑞, realizando la descomposición de estos vectores en sus correspondientes componentes en ejes 𝑑𝑞. En este sistema de referencia, tal y como se expuso anteriormente, las variables del sistema presentan un valor constante (tensión, corriente y flujo). 𝐿𝑙𝑟 𝐿𝑙𝑠 𝐿𝑚 𝑅𝑠 𝑅𝑟 𝑗(𝜔−𝜔𝑟)𝜆 𝑟 𝑗𝜔𝜆 𝑠 𝑝𝜆 𝑠 𝑝𝜆 𝑟 𝑖𝑠 𝑖𝑟 𝑖𝑚 𝑣𝑠 𝑣𝑟 + − + − Fig. 2.5. Circuito equivalente de un motor de inducción utilizando un modelado de vectores espaciales. Fuente: Elaboración propia. ESTUDIO COMPARATIVO DE ESTRATEGIAS DE CONTROL POST-FALTA EN ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS MULTIFÁSICOS 2015 25 Así, las ecuaciones de tensión y flujo quedan de la siguiente forma: 𝑣𝑑𝑠=(𝑅𝑠+𝐿𝑠·𝑑 𝑑𝑡)·𝑖𝑑𝑠+𝑀· 𝑑𝑖𝑑𝑟 𝑑𝑡 −𝜔(𝐿𝑠 𝑖𝑞𝑠+𝑀 𝑖𝑞𝑟) 𝑣𝑞𝑠=(𝑅𝑠+𝐿𝑠·𝑑 𝑑𝑡)·𝑖𝑞𝑠+𝑀· 𝑑𝑖𝑞𝑟 𝑑𝑡 − 𝜔(𝐿𝑠 𝑖𝑑𝑠+𝑀 𝑖𝑑𝑟) 𝑣𝑥𝑠=(𝑅𝑠+𝐿𝑠·𝑑 𝑑𝑡)·𝑖𝑥𝑠 𝑣𝑦𝑠=(𝑅𝑠+𝐿𝑠·𝑑 𝑑𝑡)·𝑖𝑦𝑠 𝑣0+𝑠=(𝑅𝑠+𝐿𝑠·𝑑 𝑑𝑡)·𝑖0+𝑠 𝑣0−𝑠=(𝑅𝑠+𝐿𝑠·𝑑 𝑑𝑡)·𝑖0−𝑠 0=(𝑅𝑟+𝐿𝑟·𝑑 𝑑𝑡)·𝑖𝑑𝑟+𝑀· 𝑑𝑖𝑑𝑠 𝑑𝑡 −(𝜔−𝜔𝑟)·(𝐿𝑟·𝑖𝑞𝑟 +·𝑀·𝑖𝑞𝑠) 0=(𝑅𝑟+𝐿𝑟·𝑑 𝑑𝑡)·𝑖𝑞𝑟+𝑀· 𝑑𝑖𝑞𝑠 𝑑𝑡 −(𝜔−𝜔𝑟)·(𝐿𝑟·𝑖𝑑𝑟 −·𝑀·𝑖𝑑𝑠) (10) donde 𝑀 es igual a 3𝐿𝑚. Por otro lado, la ecuación del par electromagnético puede ser expresada de la siguiente forma: 𝑇𝑒=𝑃·𝑀·(𝑖𝑞𝑟·𝑖𝑑𝑠−𝑖𝑑𝑟·𝑖𝑞𝑠) (11) 2.2.3 Convertidores de Tensión El control de la velocidad de las máquinas eléctricas va hoy en día unido a la electrónica de potencia. La justificación de esta necesidad reside en el hecho de que, en la mayoría de los casos, la fuente primaria de energía eléctrica presenta un formato en cuanto a sus valores de amplitud, frecuencia y número de fases que no es compatible con el requerido por la máquina, por lo que debe introducirse un elemento convertidor que realice las labores de transformación. Estos convertidores pueden ser de tensión o de corriente. Con la llegada de la topología de convertidores back-to-back se ha obtenido un mayor control de la potencia del sistema al desacoplar la parte de la máquina de la red a la que se conecta a través del bus de continua del dc-link. En la actualidad este tipo de estructura de convertidores es la más extendida tanto para sistemas trifásicos como ESTUDIO COMPARATIVO DE ESTRATEGIAS DE CONTROL POST-FALTA EN ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS MULTIFÁSICOS 2015 26 multifásicos. Dicha topología está formada por dos etapas, por lo general un rectificador no controlado y un inversor, acoplados eléctricamente a través de un bus de corriente continua. Normalmente estos convertidores suelen ser de dos niveles de tensión pero no existe limitación técnica para desarrollar convertidores con más niveles de tensión. Existen diferentes formas de realizar el control de la conmutación de los convertidores. Se pueden destacar, por su popularidad, el método de onda triangular a través de una modulación por ancho de pulso sinusoidal basada en una onda portadora (SPWM son sus siglas en inglés) y la modulación por ancho de pulso basada en vectores espaciales (SV-PWM son sus siglas en inglés). En esta sección se va a describir el principio de funcionamiento de los convertidores de dos niveles trifásicos basados en interruptores IGBT. Este tipo de convertidores pueden ser utilizados para sistemas multifásicos compuestos por 𝑘 conjuntos de devanados trifásicos. En concreto, en la presente Tesis se van a utilizar para una máquina de inducción de seis fases asimétrica, compuesta por dos conjuntos trifásicos desfasados entre si 30𝑜. 2.2.3.1 Convertidor de tensión de dos niveles En la Fig. 2.6 se muestra un esquema del circuito de un convertidor de tensión trifásico de dos niveles de tensión. El convertidor está compuesto por seis interruptores, de 𝑆1 a 𝑆6, con un diodo de libre circulación en anti-paralelo para cada interruptor. Los interruptores pueden ser IGBT o IGTC, dependiendo de la potencia y la tensión nominal del convertidor. 𝐷1 𝑔1 𝑆1 𝐷2 𝑔2 𝑆2 𝐷3 𝑔3 𝑆3 𝐷4 𝑔4 𝑆4 𝐷5 𝑔5 𝑆5 𝐷6 𝑔6 𝑆6 𝐶𝑐𝑐 𝑣𝑐𝑐 + − 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑛 𝑎 𝑏 𝑐 𝑁 𝑃 𝑖𝑎 𝑖𝑏 𝑖𝑐 Fig. 2.6. Convertidor de dos niveles y tres fases. Fuente: Elaboración propia. ESTUDIO COMPARATIVO DE ESTRATEGIAS DE CONTROL POST-FALTA EN ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS MULTIFÁSICOS 2015 27 Este tipo de convertidor ha sido bastante usado en la industria para distintas aplicaciones. Cuando el convertidor funciona transformando una tensión de continua fija a una tensión alterna trifásica, con una frecuencia y magnitud variable para una carga de corriente alterna, es denominado inversor. Si por el contrario el convertidor transforma una tensión alterna de amplitud y frecuencia constante en una tensión de continua variable para una carga de corriente continua, el convertidor es conocido comúnmente como rectificador. Cuando el convertidor opera como inversor o como rectificador, el flujo de potencia en el circuito puede ser bidireccional y la potencia puede fluir desde el lado de la corriente continua al de la alterna y viceversa. A continuación se va a pasar a detallar la modulación por ancho de pulso (PWM por sus siglas en inglés) para un convertidor de dos niveles. Las técnicas de modulación son aplicables para los dos modos de funcionamiento del convertidor. En esta ocasión se va a utilizar el funcionamiento como inversor para describir esta técnica de modulación. 2.2.3.2 Modulación sinusoidal por ancho de pulso SPWM El principio de funcionamiento de este método de modulación aparece resumido en la Fig. 2.7 y se fundamenta en la comparación de una onda portadora triangular 𝑣𝑐𝑟 con una onda de modulación trifásica sinusoidal 𝑣𝑚𝑎, 𝑣𝑚𝑏 y 𝑣𝑚𝑐. La frecuencia de la componente fundamental de la tensión de salida del convertidor puede ser controlado por la amplitud del índice de modulación: 𝑚𝑎=𝑉𝑚/𝑉𝑐𝑟 (12) donde 𝑉𝑚 y 𝑉𝑐𝑟 son los valores de pico de las ondas de modulación y de la portadora triangular, respectivamente. La amplitud del índice de modulación es usualmente ajustada mediante la variación de 𝑉𝑚, mientras que el valor de pico de la onda portadora permanece constante 𝑉𝑐𝑟. El índice de frecuencia de modulación es definido por: 𝑚𝑓=𝑓𝑐𝑟/𝑓𝑚 (13) donde 𝑓𝑚 y 𝑓𝑐𝑟 son las frecuencias de la onda de modulación y de la onda portadora, respectivamente. ESTUDIO COMPARATIVO DE ESTRATEGIAS DE CONTROL POST-FALTA EN ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS MULTIFÁSICOS 2015 28 El funcionamiento de los interruptores del convertidor es determinado por la comparación de la onda trifásica de modulación con la señal triangular portadora. Cuando 𝑣𝑚𝑎>𝑣𝑐𝑟 el interruptor 𝑆1 de la fase 𝑎 del inversor se cierra, mientras que el interruptor 𝑆4 se abre, es decir los interruptores de una misma fase de un convertidor actúan de forma complementaria. La tensión resultante de salida del inversor 𝑣𝑎𝑁, que es la tensión del terminal de la fase 𝑎 con respecto al terminal negativo 𝑁 de bus de corriente continua, es igual a la tensión del bus de corriente continua 𝑉𝑑𝑐. Cuando 𝑣𝑚𝑎<𝑣𝑐𝑟, el interruptor 𝑆4 se cierra mientras que el interruptor 𝑆1 se abre, asignando un valor nulo a la tensión 𝑣𝑎𝑁. Así, la tensión 𝑣𝑎𝑁 tiene sólo dos niveles de tensión 𝑉𝑑𝑐 y 0. Para evitar que se produzca un cortocircuito durante la transición de la conmutación de los interruptores de una fase del inversor, es necesario implementar un tiempo muerto en la conmutación durante el que ambos interruptores estarán abiertos. Fig. 2.7. Esquema de funcionamiento del método SPWM. Fuente: Elaboración propia. ESTUDIO COMPARATIVO DE ESTRATEGIAS DE CONTROL POST-FALTA EN ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS MULTIFÁSICOS 2015 29 La tensión de línea del inversor 𝑣𝑎𝑏 se puede obtener como 𝑣𝑎𝑏=𝑣𝑎𝑁−𝑣𝑏𝑁. La magnitud y la frecuencia de la componente fundamental de 𝑣𝑎𝑏 pueden ser independientemente controladas con 𝑚𝑎 y con 𝑓𝑚. La frecuencia de conmutación de los interruptores de un inversor de dos niveles queda definida por la relación 𝑓𝑠𝑤=𝑓𝑐𝑟= 𝑓𝑚·𝑚𝑓 [48]. Cuando la forma de onda portadora está sincronizada con la onda de modulación, es decir 𝑚𝑓 es un entero, el esquema de modulación es conocido como PWM síncrono, mientras que cuando la frecuencia de la onda portadora es fijada de forma independiente a la frecuencia de la onda de modulación la técnica de modulación es conocida como PWM asíncrono. Esta última técnica de modulación presenta como características a destacar una frecuencia de conmutación fija y una fácil implementación con circuitos analógicos. Sin embargo, ésta podría generar armónicos no caracterizados, cuya frecuencia no es múltiplo de la frecuencia de la componente fundamental y por tanto son más difíciles de eliminar empleando filtros sintonizados. Por lo que un esquema de modulación síncrona podría resultar adecuado para la implementación con un procesador digital, facilitando la eliminación de los armónicos generados. 2.3 MÉTODOS DE CONTROL PARA ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS MULTIFÁSICOS En los últimos años, son varios los grupos de investigación que han centrado sus estudios en el desarrollo de nuevos métodos de control para accionamientos eléctricos multifásicos. La tendencia que se ha seguido en la mayoría de los casos es la adaptación de los métodos de control de sistemas convencionales a las características propias de los sistemas multifásicos, siendo el control orientado de campo y el control directo de par los métodos de regulación más empleados. Desde el punto de vista de los sistemas multifásicos se debe destacar la popularidad de los sistemas formados por máquinas de inducción de seis fases asimétricas o máquinas de inducción de cinco fases simétricas, ambas con devanados sinusoidalmente distribuidos en el estátor. Por lo que la mayoría de esfuerzos en la adaptación de los métodos de control convencionales han sido referidos a este tipo de sistemas. Sin embargo, también existen estudios para sistemas con máquinas de un número mayor de fases o con devanados concentrados que ESTUDIO COMPARATIVO DE ESTRATEGIAS DE CONTROL POST-FALTA EN ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS MULTIFÁSICOS 2015 30 permiten incrementar la producción de par [4,49-52]. En los siguientes apartados se describen los fundamentos de los métodos de control más extendidos para sistemas multifásicos. 2.3.1 Control Vectorial Orientado de Campo El control vectorial orientado de campo (FOC son sus siglas en inglés) permite la regulación de la velocidad y del par en las máquinas de inducción. Tiene su origen en la década de los sesenta y es uno de los causantes de la eliminación de las máquinas de continua en las aplicaciones de velocidad variable. La esencia de esta técnica es desacoplar el control del flujo, ya sea del rotor, del estátor o del entrehierro, y controlar el par electromagnético de forma similar a lo que ocurre en las máquinas de continua. Si se utiliza como referencia de orientación el flujo rotórico, las corrientes del estátor pueden ser descompuestas en una componente productora de flujo, la cual genera flujo en el rotor 𝜆𝑟, y una componente productora de par electromagnético 𝑇𝑒. Estas dos componentes pueden ser entonces controladas de forma independiente. La orientación necesaria para este control, se consigue alineando el eje-d del sistema de referencia síncrono con el vector del flujo rotórico 𝜆𝑟. La corriente 𝑖𝑑𝑠 del ejed es la corriente productora de flujo, mientras que la corriente del eje-q es la encargada de la generación de par electromagnético. Habitualmente el valor de referencia de 𝑖𝑑𝑠 es establecido a su valor nominal (referencia de flujo constante e igual al máximo posible por debajo de la velocidad de sincronismo del accionamiento electromecánico), mientras que 𝑖𝑞𝑠 es controlada independientemente. Además, como las corrientes del estátor rotan en el espacio a la velocidad de sincronismo, estas corrientes 𝑖𝑑𝑠 e 𝑖𝑞𝑠 son corrientes DC en estado estacionario, lo que facilita su regulación. Existen dos versiones principales del FOC, el Control Vectorial Directo Orientado con el Flujo del Rotor (DRFOC son sus siglas en inglés) [X] y el Control Vectorial Indirecto Orientado con el Flujo del Rotor (IRFOC son sus siglas en inglés) [X]. La diferencia entre ambas versiones se encuentra en la forma de determinar el ángulo del flujo del rotor 𝜃𝑓 para la orientación del campo. En el caso del DRFOC, dicho ángulo es medido mediante sensores de flujo insertados en el accionamiento electromecánico o estimado a partir de la medida directa de las tensiones y las corrientes, mientras que en ESTUDIO COMPARATIVO DE ESTRATEGIAS DE CONTROL POST-FALTA EN ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS MULTIFÁSICOS 2015 31 el IRFOC el ángulo del flujo del rotor se calcula a partir de la posición angular del rotor 𝜃𝑟 integrada de 𝜔𝑟 y del ángulo de deslizamiento 𝜃𝑠𝑙 impuesto para garantizar el desacople entre la componente de corriente de estator que regula el flujo y el par. Aunque ambos métodos comparten el mismo principio de funcionamiento, el IRFOC presenta una mayor robustez además de requerir un menor número de sensores, lo que ha hecho que sea la opción más popular de control vectorial. Las ventajas que presenta el IRFOC frente al DRFOC hacen que sea el esquema de control vectorial seleccionado para el desarrollo de la presente Tesis. Su esquema de control se basa en dos bucles de control externos encargados de la regulación de la velocidad mecánica 𝜔𝑚 y del flujo del rotor 𝜆𝑟, así como de una serie de bucles internos de control de corriente, cuyo número es función del número de fases de la máquina a controlar (𝑛−1). Para la regulación de las variables anteriores se emplean controladores proporcionales-integrales, conocidos comúnmente como controladores PI. Su empleo proporciona al sistema una cierta robustez ante la principal desventaja de este método de control: la necesidad de conocer los parámetros de la máquina para conseguir una correcta orientación. La salida de los bucles de corriente proporciona los valores de referencia de las tensiones en el sistema de referencia d-q. Para el control del convertidor, por lo general, estas tensiones se suelen trasformar al sistema de referencia de fase, aplicándose posteriormente algún algoritmo de modulación por variación del ancho de pulso [52-91]. El RFOC es la estrategia de control más extendida en el control de máquinas multifásicas. La versión multifásica presenta el mismo esquema de control que la versión convencional trifásica, sólo que el número de controladores de corriente necesarios aumenta con el número de fases. Las referencias de estos nuevos controladores pueden ser establecidas a partir de ciertos criterios de control, satisfaciéndose así las necesidades requeridas en cada caso. En la Fig. 2.8 se muestra un esquema de control vectorial IRFOC en el sistema de referencia dq para una máquina de seis fases asimétrica de devanado distribuido. En dicho esquema aparecen dos controladores PI encargados de la regulación de las corrientes del plano complementario xy. Los valores de referencias de estas dos componentes se establecen con valor nulo en este tipo de máquinas, ya que dichas componentes se cancelan no ESTUDIO COMPARATIVO DE ESTRATEGIAS DE CONTROL POST-FALTA EN ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS MULTIFÁSICOS 2015 38 2.4 TOLERANCIA AL FALLO EN ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS MULTIFÁSICOS Para que los accionamientos eléctricos resulten una solución competitiva las prestaciones que se les exigen son cada vez mayores. En los últimos años, la mejora de la fiabilidad de estos sistemas ha sido uno de los principales temas de investigación dentro del campo de los accionamientos eléctricos [112]. Relacionada con la fiabilidad se encuentra la tolerancia al fallo, que hace referencia a la capacidad de seguir operando adecuadamente cuando se dan unas condiciones de funcionamiento anormales. En el caso de los accionamientos eléctricos convencionales el funcionamiento post-falta sólo es posible si se dispone de un equipamiento extra o una cierta redundancia del mismo. Sin embargo, en los accionamientos eléctricos multifásicos la tolerancia al fallo puede ser proporcionada sin la utilización de un hardware extra. Es decir, la tolerancia al fallo es obtenida mediante una reconfiguración del software y una adecuada estrategia de control post-falta, que son posibles gracias a los grados de libertad extra que poseen los sistemas multifásicos. Desde el punto de vista de la seguridad, esta capacidad inherente 𝑉𝑆𝐶 𝑉 𝑐𝑐 𝜔𝑚 𝑎𝑏𝑐𝑑𝑒𝑓/𝛼𝛽𝑥𝑦 + 𝑃𝐼 − 𝑖𝑎, 𝑖𝑏,𝑖𝑐 𝑖𝑑, 𝑖𝑒, 𝑖𝑓 𝜔𝑚 𝜔𝑚 ∗ 𝜆𝑠 ∗ 𝑇𝑒 ∗ 𝑇𝑒 𝑇𝑒 𝐸𝑠𝑡𝑖𝑚𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑝𝑜𝑠𝑖𝑐𝑖ó𝑛 𝑆𝑖 ∗ 𝑉𝑐𝑐 𝑖𝛼(𝑘), 𝑖𝛽(𝑘),𝑖𝑥(𝑘),𝑖𝑦(𝑘) 𝑖𝛼(𝑘), 𝑖𝛽(𝑘),𝑖𝑥(𝑘),𝑖𝑦(𝑘) 𝐸𝑠𝑡𝑖𝑚𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝐸𝑠𝑡𝑖𝑚𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑟 𝑆𝑖 ∗ 𝜃 𝜆𝑠 − + 𝑇𝑎𝑏𝑙𝑎 𝑑𝑒 𝐵ú𝑠𝑞𝑢𝑒𝑑𝑎 𝑉𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠 𝑉𝑖𝑟𝑡𝑢𝑎𝑙𝑒𝑠 𝐶𝑜𝑚𝑝𝑎𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 (3 𝑁𝑖𝑣𝑒𝑙𝑒𝑠) 𝐶𝑜𝑚𝑝𝑎𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 (2 𝑁𝑖𝑣𝑒𝑙𝑒𝑠) + − 𝜆𝑠 𝑑𝑒 Fig. 2.10. Esquema del control directo de par de una máquina de seis fases con devanado distribuido. Fuente: Elaboración propia. ESTUDIO COMPARATIVO DE ESTRATEGIAS DE CONTROL POST-FALTA EN ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS MULTIFÁSICOS 2015 39 de funcionamiento post-falta de los accionamientos multifásicos es apreciada especialmente en aplicaciones aeroespaciales y de tracción, donde la fiabilidad es un aspecto fundamental. Por otro lado, también existen aplicaciones donde el funcionamiento post-falta proporciona resulta una ventaja económica, como en el caso de los parques eólicos offshore donde el mantenimiento correctivo puede demorarse en función de las condiciones meteorológicas [47]. La gestión de una falta en un accionamiento eléctrico está compuesta principalmente por tres etapas: detección de la falta (FD por sus siglas en inglés), aislamiento de la falta (FI por sus siglas en inglés) e implementación de un control postfalta (FTC por sus siglas en inglés). Tanto las técnicas de detección como las de aislamiento de faltas han sido desarrolladas basadas en las características específicas del sistema en cuestión. Por tanto, no resulta difícil encontrar en la literatura métodos que contengan tanto la detección como el aislamiento de la falta. Una vez que la falta ha sido detectada y aislada es necesario implementar una adecuada estrategia de control post-falta que permita garantizar el correcto seguimiento de los valores de referencia, así como salvaguardar la salud del resto del sistema. Generalmente se habla de la tolerancia al fallo de las máquinas multifásicas. Sin embargo, el término es amplio ya que la falta puede producirse en cualquiera de los elementos que conforman el sistema. Las faltas pueden darse en la máquina, en el convertidor o en las líneas que lo unen y puede tratarse de un fallo de cortocircuito o un fallo de circuito abierto. La Fig. 2.11 muestra un esquema de un sistema multifásico compuesto por una máquina de cinco fases y un convertidor de cinco fases dos niveles donde se indican los diferentes tipos de faltas. No obstante, la mayor parte de los fallos se producen en la parte asociada a la electrónica de potencia, es decir, en el convertidor, siendo la mayoría de las veces impredecibles [113]. Por lo tanto, en aquellos sistemas donde un control post-falta sea necesario se deberá implementar también un método de detección de fallos para asegurar su correcto funcionamiento. En principio, las técnicas de detección ya conocidas de los sistemas trifásicos convencionales son aplicables para los sistemas multifásicos. Es posible, sin embargo, utilizar los grados de libertad extra para diseñar nuevos métodos de detección de fallos. Así, por ejemplo, las componentes del plano secundario que se obtienen tras la descomposición del espacio vectorial ESTUDIO COMPARATIVO DE ESTRATEGIAS DE CONTROL POST-FALTA EN ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS MULTIFÁSICOS 2015 40 permiten detectar el fallo y localizar la fase afectada [113-115]. Se puede concluir de lo expuesto anteriormente que la disponibilidad de estos grados de libertad extra resulta fundamental a la hora de disponer de un sistema con capacidad de operar tras el fallo. Para completar esta sección dedicada a la tolerancia al fallo de los accionamientos eléctricos se van a describir de una forma más específica los tipos de faltas, así como las estrategias de actuación post-falta existentes en la literatura actual. 2.4.1 Clasificación de las Faltas en Sistemas Multifásicos En este apartado se realiza una clasificación y una descripción de los principales tipos de faltas que se pueden producir en un accionamiento eléctrico. Atendiendo a su localización, éstas pueden clasificarse en: - Faltas en la máquina eléctrica. - Faltas en los sensores. - Faltas en los convertidores de potencia. 2.4.1.1 Faltas en la máquina eléctrica Las faltas en las máquinas eléctricas pueden producirse por problemas eléctricos o mecánicos y pueden clasificarse según su localización en la máquina y según el tipo de falta: Fig. 2.11. Esquema de un sistema multifásico donde se representan diferentes tipos de faltas. Fuente: Elaboración propia. ESTUDIO COMPARATIVO DE ESTRATEGIAS DE CONTROL POST-FALTA EN ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS MULTIFÁSICOS 2015 41 1. Faltas en el estátor por: a. Circuito abierto en una o más de las fases del devanado. b. Cortocircuito en una o más de las fases del devanado. 2. Faltas en el rotor por: a. Cortocircuito en el bobinado del rotor. b. Rotura de las barras del rotor. c. Grietas en el rotor. 3. Excentricidades o irregularidades en el entrehierro: a. Estáticas. b. Dinámicas. 4. Faltas en los cojinetes. 5. Desviaciones en el eje. Tal y como se muestra en [116-118], las faltas más comunes en las máquinas eléctricas son las debidas a fallos en los cojinetes, fallos en los devanados del estátor, rotura de las barras del rotor, fallos en el eje y excentricidades en el entrehierro. Este tipo de faltas pueden producir un cierto desbalanceo en las corrientes y en las tensiones del estátor, la inyección de armónicos de corrientes, la presencia de rizado en el par y la reducción del valor fundamental de éste, la presencia de vibraciones, sobrecalentamiento, ruido en la máquina y, por lo general, la reducción de la eficiencia de la misma [119-120]. Estas condiciones anormales de funcionamiento han sido consideradas e investigadas para poder detectar y determinar cuándo se ha producido una falta en la máquina. En la actualidad existen diferentes métodos de diagnóstico basados en la monitorización de algunas de las variables relacionadas con el campo electromagnético de la máquina en cuestión, como son la temperatura, la frecuencia de emisión, la vibración, el ruido y la corriente [119, 121]. 2.4.1.1.1 Faltas en el estátor Las faltas en el estátor son debidas generalmente a daños mecánicos en las conexiones causadas por problemas de aislamiento. Estos problemas de aislamiento pueden tener su origen en: unas características constructivas de las máquinas no adecuadas (laminación defectuosa del núcleo o fugas en el sistema de refrigeración), unas condiciones de operación eléctricas anómalas (altas temperaturas en el estátor, ESTUDIO COMPARATIVO DE ESTRATEGIAS DE CONTROL POST-FALTA EN ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS MULTIFÁSICOS 2015 42 descargas eléctricas, sobre-tensión o desequilibrio en las tensiones del estátor) y unas condiciones ambientales agresivas (suciedad o humedad excesiva) [119-120,122]. Se originan fallos en el estátor que se pueden traducir en cortocircuitos en las bobinas [122] o en las fases de los devanados del estátor [41,110-111], o incluso en fallos de fase abierta en una o más fases [92-123]. En el caso de las máquinas multifásicas los métodos para detectar las faltas por fase abierta se basan normalmente en el análisis de las componentes de corriente 𝑥-𝑦. Dicho análisis consiste en la generación de unos índices basados en las trayectorias que siguen estas corrientes antes y después de la falta, tratando de determinar, además de la existencia de la falta, la localización de la misma [114-115,122]. Por otro lado, la detección de una falta por cortocircuito en una de las fases del estátor se puede hacer mediante el seguimiento de la componente axial del flujo [124] o a través de técnicas de análisis que permitan detectar el desbalanceo que se produce en las corrientes tras la falta [125]. 2.4.1.1.2 Faltas en el rotor Las faltas en el rotor tienen dos naturalezas bien diferenciadas: faltas eléctricas por la existencia de un cortocircuito en el rotor o faltas mecánicas por la rotura de las barras o anillos del rotor. Este tipo de faltas son causadas generalmente por fatiga térmica, electromagnética o mecánica debidas al funcionamiento del sistema bajo ciertas condiciones anormales [119-120]. 2.4.1.1.3 Excentricidades o irregularidades en el entrehierro Las excentricidades o irregularidades en el entrehierro son causadas por errores de fabricación o construcción y pueden causar desequilibrio en las componentes radiales o generar regiones de contacto entre el estátor y el rotor [119]. La excentricidad puede clasificarse según el carácter de la misma. Existen excentricidades estáticas, donde la posición de la irregularidad en el entrehierro es fija, o excentricidades dinámicas, en las que la posición del centro del rotor no está alineada con la posición del centro de rotación y la localización de la irregularidad varía. Los métodos de detección de excentricidades están basados la mayoría de ellos en el análisis de las corrientes de fase y de las vibraciones de la máquina [119, 126-127]. ESTUDIO COMPARATIVO DE ESTRATEGIAS DE CONTROL POST-FALTA EN ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS MULTIFÁSICOS 2015 43 2.4.1.1.4 Faltas en los cojinetes Los cojinetes pueden resultar dañados debido a errores de montaje, quedando estos desalineados o forzados. Esto puede traducirse en vibraciones en la máquina que pueden ser detectadas mediante el análisis de las corrientes de fase [126 ]. 2.4.1.1.5 Desviaciones en el eje Las faltas debidas a desviaciones en el eje son similares a las originadas por las excentricidades dinámicas [119] y son causadas principalmente por desequilibrio en la fuerza o en la carga, originando vibraciones en las máquinas y otro tipo de faltas [120]. 2.4.1.2 Faltas en los sensores Hoy en día se utilizan sensores de medida de velocidad, de tensión del dc-link y de corriente para el control y protección de los accionamientos eléctricos. El número de sensores necesarios es función del número de fases del sistema de control y del método de control implementado. El fallo de uno de los sensores puede derivar en la disminución del rendimiento del sistema o en el fallo completo del mismo [128-131]. El fallo en los sensores se ha analizado principalmente para sistemas trifásicos, aunque recientemente se han realizado estudios para sistemas multifásicos [132-134]. Estos estudios tratan por lo general la existencia de un único fallo en los sensores ya que la probabilidad de que se produzcan dos fallos al mismo tiempo es pequeña [135]. Existen dos tendencias a la hora de proceder tras el fallo de uno de los sensores. La primera de las soluciones es variar el esquema de control, pasándose de una estrategia de control en bucle cerrado a una estrategia de control en bucle abierto [136-141] y reduciéndose las prestaciones dinámicas del sistema. La segunda opción pasa por implementar una serie de observadores independientes que permitan mantener un esquema de control en bucle cerrado [128 ,138]. Por ejemplo, cuando un sensor de tensión falla, se produce un error en la medida de tensión obtenida. La precisión en la medida de la tensión es especialmente importante en los vehículos eléctricos donde la tensión del dc-link varía constantemente y necesita ser medida con exactitud [142]. En [128] se presenta un método que permite estimar la tensión del dc-link a partir del índice de modulación y de la estimación de las ESTUDIO COMPARATIVO DE ESTRATEGIAS DE CONTROL POST-FALTA EN ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS MULTIFÁSICOS 2015 44 tensiones de fase, no existiendo además limitación técnica que permita extender el método a sistemas multifásicos. Los fallos en los sensores de corriente se encuentran entre las faltas más críticas de los accionamientos eléctricos, debido a que la mayoría de esquemas de control en bucle cerrado están basados en la medida de corriente. Por tanto, un error en la medida de las corrientes puede originar una demanda instantánea de potencia, generando estrés eléctrico en el sistema. Los métodos de detección de faltas en los sensores de corriente están basados comúnmente en la estimación de los valores de corriente esperados, en la implementación de observadores o en la utilización de filtros de Kalman [128, 131, 143-147]. Los fallos en los sensores de velocidad pueden resultar igual de perjudiciales que los ocurridos en los de corriente, pues normalmente afectan al esquema de control en bucle cerrado, pudiendo generar una demanda de potencia que dañe al sistema [128]. En el caso de los sistemas multifásicos, el funcionamiento del sistema sin sensor de velocidad ha sido validado para una máquina de cinco fases en [132] en funcionamiento sano y en situación de post-falta por fase abierta en [134], donde la estimación de la velocidad se ha realizado a partir de un modelo adaptativo. 2.4.1.3 Faltas en los convertidores Las faltas en los convertidores se encuentran entre las faltas más comunes e impredecibles de los accionamientos eléctricos [113]. Este tipo de faltas son debidas principalmente a fallos en los semiconductores del convertidor. Las faltas en los convertidores pueden clasificarse de la siguiente forma: 1. Falta por cortocircuito en uno de los interruptores. 2. Falta por fase abierta en uno de los interruptores. 3. Falta por cortocircuito en una de las fases. 4. Falta por fase abierta en una de las fases. 5. Falta por fase abierta en una de las líneas. Este tipo de faltas puede conducir a la perdida de una de las fases del convertidor o a la pérdida del control específico de la misma. Así que como resultado de la falta, es posible que la configuración del accionamiento eléctrico varíe y que el sistema post-falta ESTUDIO COMPARATIVO DE ESTRATEGIAS DE CONTROL POST-FALTA EN ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS MULTIFÁSICOS 2015 45 pueda ser considerado como un sistema diferente al sistema original [148]. En trabajos previos se ha mostrado que la redundancia de fases de los accionamientos multifásicos permite mantener el funcionamiento post-falta, dependiendo de la configuración eléctrica del sistema sin la necesidad de un equipamiento extra. Estos grados de libertad extra permiten que se pueda proporcionar una mayor tolerancia al fallo si se compara con el caso de los accionamientos eléctricos convencionales. Dependiendo del tipo de falta y de la topología del accionamiento eléctrico, distintas estrategias de control post-falta y configuraciones de la máquina pueden ser adoptadas para asegurar el funcionamiento post-falta del sistema. Para proporcionar una mayor tolerancia al fallo en [93] se añaden unos semiconductores en cada una de las fases del devanado, para aislar físicamente la fase dañada (por ejemplo cambiando una falta de cortocircuito en una falta de fase abierta) y reducir así el rizado del par de salida proporcionado por las fases sanas. Como resultado, la máquina eléctrica es capaz de manejar diferentes tipos de faltas pero a expensas de un equipamiento electrónico adicional. Se debe tener en cuenta que en el caso de falta por cortocircuito, además de implementar una estrategia de control post-falta como en el caso de los fallos por circuito abierto, es fundamental que la máquina se haya diseñado con unas inductancias suficientemente altas como para que las corrientes del cortocircuito seas limitadas. En caso contrario no existe tolerancia al fallo ni estrategia post-falta posible. En [149] las faltas de cortocircuito son manejadas en un accionamiento de cinco fases controlando las cuatro fases sanas, a expensas de un mayor rizado del par de salida y unas mayores pérdidas en el estátor. En el caso de las máquinas de doble devanado trifásico diferentes configuraciones del conexionado del devanado han sido analizados para una falta de cortocircuito de fase [42], evaluando el efecto de los armónicos obtenidos en las pérdidas y en el par obtenido y analizando las prestaciones del sistema ante diferentes condiciones de funcionamiento. Una aproximación similar se ha seguido en el caso de las faltas de fase abierta o línea abierta, donde diferentes topologías o configuraciones del devanado han sido consideradas. Por ejemplo, en [150] se diseña una máquina de seis fases para controlar independientemente las fases de cada uno de los devanados trifásicas que la constituyen. Esta máquina es además sometida a diferentes condiciones de falta para ESTUDIO COMPARATIVO DE ESTRATEGIAS DE CONTROL POST-FALTA EN ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS MULTIFÁSICOS 2015 46 analizar su fiabilidad. En [97] se comparan las prestaciones de una máquina de cinco fases empleando dos configuraciones del devanado distinta (conexiones en estrella y pentagonal) y utilizando el tercer armónico, para aumentar el par y reducir las pérdidas cuando se produce la falta. Se demuestra que la conexión pentagonal presenta mejores prestaciones al proporcionar mayor par con menor rizado y menores perdidas comparadas con la conexión convencional en estrella. 2.4.2 Estrategias de Actuación en Control Post-falta Para poder garantizar el correcto funcionamiento del sistema tras la falta es necesario tomar una serie de medidas de actuación que permitan salvaguardar la integridad del sistema y garantizar el correcto seguimiento de las variables de referencias. Es necesario para cumplir con tales objetivos establecer unos nuevos límites y valores de referencia de corriente, limitar el rango de funcionamiento del sistema, así como reconfigurar su modelo y su esquema de control pre-falta. Estas medidas de actuación varían en función del sistema y del tipo de falta. Aunque los dos tipos de fallos eléctricos más comunes en los accionamientos eléctricos son la falta por cortocircuito y la falta por circuito abierto, la situación de funcionamiento post-falta más estudiada en los últimos años es la debida a un fallo por circuito abierto (OCF por sus siglas en inglés), por lo que en la presente sección se van a detallar las acciones de actuación post-falta expuestos anteriormente para este tipo de falta. 2.4.2.1 Límites de corriente en OCF El funcionamiento post-falta en los accionamientos eléctricos multifásicos es posible sólo bajo ciertos límites de operación, ya que se debe salvaguardar la integridad de la parte sana del mismo. Cuando el sistema opera en situación pre-falta las corrientes del estátor en régimen estacionario tienen el mismo valor eficaz (rms por sus siglas en inglés) y su límite está definido por el valor nominal de la máquina. Sin embargo, cuando se produce una falta que conlleva la pérdida de una o varias fases puede aparecer heterogeneidad en la forma de las corrientes y en el valor eficaz de las mismas, quedando además sin definir el valor límite que éstas pueden alcanzar. Resulta necesario, por lo tanto, establecer el valor máximo permitido de las corrientes en situación de post-falta. Si no se establece límite alguno, el par nominal pre-falta podría ESTUDIO COMPARATIVO DE ESTRATEGIAS DE CONTROL POST-FALTA EN ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS MULTIFÁSICOS 2015 47 alcanzarse tras el fallo. No obstante, al ser el número de fases menor y encontrarse distribuidas de forma asimétrica, se podría superar el valor nominal de las corrientes con el consiguiente riesgo para la integridad del sistema. Por lo tanto, si no se limita el valor máximo de las corrientes se podría dañar el variador al someter a la máquina a un excesivo estrés térmico o al superar los valores nominales de corriente de los semiconductores del convertidor. En la literatura actual existen diferentes criterios a la hora de establecer los límites de las corrientes en post-falta. El primero de ellos consiste en establecer el valor máximo eficaz admisible de las corrientes de fase en el mismo que en el funcionamiento normal del sistema (límite 1 de aquí en adelante) [43,94]. La aplicación de este criterio permite salvaguardar la salud del sistema, pero conlleva una reducción del par o la potencia con la que el accionamiento es capaz de operar. El segundo criterio permite que el valor eficaz nominal de las corrientes post-falta supere el valor nominal pre-falta imponiendo, sin embargo, que las pérdidas en el cobre sean las mismas en ambas situaciones (límite 2 de aquí en adelante) [123,151]. Por lo tanto, no se puede garantizar que el límite térmico de la máquina no sea superado, resultando un criterio menos conservador que el primero. La superación o no de dicho límite se ve altamente influenciada por el diseño de la máquina. La adopción de un criterio u otro se hará en función de las necesidades de la aplicación en cuestión y de las características del sistema. 2.4.2.2 Referencias de corriente óptimas en OCF Además de la adopción de un criterio que establezca el valor máximo de las corrientes, se deben recalcular sus valores de referencia para evitar comportamientos indeseados en el sistema. Los nuevos valores de referencia vendrán establecidos por el tipo de falta, así como por las características del accionamiento eléctrico empleado. Si se analiza el fallo por fase abierta, la situación de heterogeneidad ocasionada por la falta podría generar un mayor rizado del par electromagnético si se mantienen las mismas referencias pre-falta [95,152-153]. En el caso de las máquinas con múltiples conjuntos de devanados trifásicos la estrategia de control post-falta más simple para eliminar dicho rizado consiste en deshabilitar el conjunto o conjuntos que contiene o contienen la fase o las fases dañadas [43]. Esta propuesta es conocida como funcionamiento ‘single VSC’, y las prestaciones que presenta no son las mejores posibles pues conlleva una ESTUDIO COMPARATIVO DE ESTRATEGIAS DE CONTROL POST-FALTA EN ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS MULTIFÁSICOS 2015 54 basada en el modelo, la oscilación del neutro necesita ser directamente conocida para hacer una estimación adecuada de la fuerza contraelectromotriz inducida en la fase en falta. Esta estrategia de control es extendida en [162], donde se permite el funcionamiento del diodo de libre circulación del inversor, mostrando que este control post-falta es también aplicable en este caso. Independientemente de la estrategia de control implementada, el objetivo del control post-falta es garantizar el correcto seguimiento de las referencias a la vez que se salvaguarda la integridad del sistema. 2.5 ANÁLISIS DE DIFERENTES TOPOLOGÍAS DE ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS MULTIFÁSICOS EN GENERACIÓN EÓLICA Las aplicaciones que utilizan accionamientos eléctricos están obteniendo cada vez un papel más importante en la industria, ya sea desde el punto de vista de la generación como de la tracción o propulsión. Esto hace que la normativa que rige a este tipo de sistemas sea cada vez más restrictiva, por lo que resulta necesario el desarrollo de nuevas configuraciones de accionamientos eléctricos que permitan cumplir con estas nuevas exigencias. En la línea del desarrollo de accionamientos eléctricos más competitivos se encuentra la incorporación de los sistemas multifásicos, ya que como se expuso anteriormente estos presentan una serie de ventajas frente a los sistemas convencionales. El uso de sistemas de generación multifásicos es relativamente reciente, especialmente en el caso de los sistemas de conversión de energía eólica, ya sea conectados a la red o aislados. En esta sección se van a analizar las configuraciones de accionamientos eléctricos multifásicos en lo que se refiere a la generación eólica. 2.5.1 Sistemas de Generación Conectados a la Red Durante unos años la industria de la generación eólica de alta potencia ha sido dominada por los generadores doblemente alimentados (con el devanado del estátor directamente conectado a la red). Sin embargo, el incremento del nivel de potencia de estos sistemas (hasta 10MW) así como la capacidad para operar ante huecos de tensión ESTUDIO COMPARATIVO DE ESTRATEGIAS DE CONTROL POST-FALTA EN ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS MULTIFÁSICOS 2015 55 exigida por la normativa, han hecho que se algunos fabricantes opten por sustituir estos sistemas por los que ofrecen un control total de la potencia. El desacoplamiento que produce el dc-link permite que se incorporen las topologías con generadores multifásicos a la generación eólica. Además, las turbinas eólicas de gran potencia típicamente utilizan generadores de baja tensión, lo que supone en consecuencia altas corrientes (>2000A) y 𝑘 conjuntos de convertidores trifásicos conectados en paralelo para así alcanzar los megavatios requeridos. Si estos VSCs en paralelo están conectados a un generador convencional trifásico, es necesario usar inductancias de acoplamiento, no existiendo tolerancia al fallo de la máquina. Además, se debe prestar especial cuidado para evitar que no circulen corrientes de secuencia negativa entre los 𝑘 conjuntos de VSCs. Alternativamente, si los sistemas de alta potencia y baja tensión requieren inevitablemente 𝑘 conjuntos trifásicos de VSCs, la utilización de una máquina de 𝑛-fases con 𝑘 conjuntos de devanados trifásicos (𝑛=3𝑘) aparece como una solución natural. Si los múltiples devanados trifásicos están espacialmente distribuidos, los armónicos del par y de la fuerza magnetomotriz se verán reducidos con respecto al caso de un generador trifásico, evitándose además la circulación de corriente de secuencia negativa si los neutros de cada conjunto trifásico están aislados. Las inductancias de acoplamiento ya no son necesarias, aunque se pueden encontrar en el lado del generador para que actúen como filtros y eliminen los picos de tensión de la máquina [164]. La extensión más natural de la bien desarrollada tecnología trifásica es el uso de 𝑘 conjuntos independientes de convertidores back-to-back trifásicos que alimenten un generador de 3𝑘-fases. El generador puede ser de inducción o síncrono, aunque la utilización de generadores síncronos de imanes permanentes (PMSG por sus siglas en inglés) con un diseño específico [165] se ha hecho muy popular recientemente. Está opción se ha implementado industrialmente en una PMSG de media velocidad y doce fases, utilizando cuatro conjuntos de convertidores BTB de 1.25MW para alcanzar los 5MW [166]. Esta topología también ha sido validada en un demostrador para una PMSG de 500kW con 𝑘=12 en [167]. La misma topología dirigida a un PMSG y un generador superconductor de 5 y 12MW, respectivamente, con 𝑘=3 conjuntos de convertidores BTB es sugerida en [165, 168] para prototipos de laboratorio. Una máquina de imanes permanentes de 1.1MW y nueve fases es accionada en [164] por tres conjuntos de ESTUDIO COMPARATIVO DE ESTRATEGIAS DE CONTROL POST-FALTA EN ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS MULTIFÁSICOS 2015 56 convertidores BTB independientes de 450kW basados en IGBT, para el ascensor de pruebas más alto del mundo. Aunque en este caso se trata de una aplicación industrial de tracción (modo motor), la capacidad de bidireccionalidad de los convertidores BTB permite que se transmita la potencia cinética de la frenada a la red, funcionando como generador durante la frenada regenerativa. En [164-168] las máquinas de 3𝑘-fases están configuradas siempre con 𝑘 neutros aislados, eliminando así las corrientes de secuencia cero y maximizando la utilización de la tensión del dc-link. La configuración mostrada en la Fig. 2.12 con múltiples conjuntos de BTB trifásicos es capaz de tolerar faltas en el dc-link debido a su estructura modular, pero si se produce una falta en el inversor es necesario desactivar el conjunto trifásico completo. Por lo tanto, esto implica una reducción del (100/𝑘) % de la capacidad de corriente del sistema de generación de 3𝑘-fases. Otra posibilidad se presenta en [43] donde se utiliza un dc-link común para la conexión en paralelo de los VSCs. En este caso, el generador puede ser accionado como una máquina asimétrica de cinco fases bajo una OCF del inversor o de la máquina, mejorando por lo tanto la tolerancia al fallo del sistema. Una tercera solución es una configuración en cascada de los VSCs del lado de la máquina, formando una topología serie de los convertidores que permita elevar la tensión del dc-link [47, 100] (Fig. 2.13). La principal ventaja de esta conexión en serie es la posibilidad de realizar la conexión en el lado de la red a media tensión, eliminando así la primera etapa de transformación elevadora. Sin embargo, la conexión serie reduce considerablemente la tolerancia al fallo del sistema y requiere el control del punto medio de la conexión (𝑉𝑑𝑐1=𝑉𝑑𝑐2=𝑉𝑑𝑐). El control de la tensión de este punto medio es más sencilla si existe un punto medio de conexión, como se muestra en la Fig. 2.13, pero para ello se requiere el uso de una conexión adicional, lo que no resulta adecuado en el caso de los parque eólicos offshore. Con esta configuración es posible elevar la tensión del dc-link pero debe utilizarse una estrategia de modulación PWM específica y un diseño especial de la máquina para así reducir el estrés por tensión y facilitar el aislamiento del sistema [47, 100 M&F]. Un concepto similar con módulos en cascada y sin transformadores para un generador de seis fases se presenta en [169], pero en este caso los módulos están construidos para pares de devanados cuyas fases están separadas por 90𝑜 para proporcionar una tensión del dc-link más estable. En la Tabla 2.1 se muestra una comparativa de varias de las ESTUDIO COMPARATIVO DE ESTRATEGIAS DE CONTROL POST-FALTA EN ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS MULTIFÁSICOS 2015 57 topologías presentadas hasta aquí. Concretamente, se analizan las prestaciones de: i) dos módulos BTB trifásicos independientes para un generador trifásico (2BTB+3f), ii) dos módulos BTB independientes para un generador de seis fases (2BTB+6f), iii) dos módulos BTB en paralelo para una generador de seis fases (conexión paralelo) y iv) dos módulos en serie para un generador de seis fases (conexión serie). Fig. 2.12. Topología multifásica con múltiples BTB independientes para cada devanado. Fuente: Elaboración propia. Fig. 2.13. Topología multifásica con conexión posible conexión en serie del dc-link. Fuente: Elaboración propia. 2-BTB 3f 2-BTB 6f Serie 6f Paralelo 6f n1-n2 tensión 𝑉𝑑𝑐 𝑉𝑑𝑐 ≤2𝑉𝑑𝑐 𝑉𝑑𝑐 Tolerancia al fallo (Motor) - ↑  ↑↑ Tolerancia al fallo (Convertidor) ↑ ↑  ↑↑ dc-link tensión 𝑉𝑑𝑐 𝑉𝑑𝑐 2𝑉𝑑𝑐 𝑉𝑑𝑐 Control tensión del punto medio No No Sí No Corrientes de secuencia cero Sí No No No MMF armónicos ↑ = = = Inductores de acoplamiento Sí No No No Tabla 2.1 Comparación cualitativa de las prestaciones de diferentes topologías para de conexión a red. n-phase machine (n=3k) Three-phase back-to-back VSCs Filter Filter set #1 set #k Grid 3-ph 3-ph 3-ph 3-ph Six-phase machine Filter Filter Grid Series Connection Parallel Connection Midpoint connection Grid-side VSC Machine-side VSCs S1S2 S3 S3 3-ph 3-ph 3-ph Vdc1 Vdc2 n1 n2 ESTUDIO COMPARATIVO DE ESTRATEGIAS DE CONTROL POST-FALTA EN ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS MULTIFÁSICOS 2015 58 La variedad de topologías existentes se puede ampliar si se combinan las conexiones serie y paralelo. Esta topología híbrida se presenta en [170], con cuatro rectificadores conectados a una PMSG de doce fases, y en [45], para cuatro convertidores basados en IGBT alimentando un generador de inducción de seis fases con rotor de jaula de ardilla. El funcionamiento de esta topología híbrida se encuentra entre las prestaciones puras de las conexiones series y paralelo, ofreciendo una elevada tensión del dc-link y una cierta tolerancia al fallo. 2.6 TÉCNICAS DE CONTROL EFICIENTE Una de las características cada vez más exigidas tanto a los accionamientos eléctricos convencionales como a los multifásicos es que estos operen con una alta eficiencia. Existen dos posibles áreas de actuación para tratar de mejorar esta característica: el diseño óptimo de los elementos que lo forman, como por ejemplo de las máquinas [171-173], y mediante la implementación de técnicas de control eficiente [38, 110, 174-181]. En el caso de las máquinas de inducción, se trata de un tipo de máquinas con una alta eficiencia cuando trabajan cerca de su punto nominal de operación. Sin embargo, cuando el punto de funcionamiento se aleja del punto nominal su eficiencia se reduce. En la presente sección se realiza una descripción de las técnicas de control eficiente existentes en la literatura actual, aunque los estudios realizados sobre accionamientos convencionales en funcionamiento normal (sin fallos) son abundantes, la literatura dedicada a sistemas multifásicos es bien escasa y prácticamente inexistente si se analiza el funcionamiento post-falta de los mismos. 2.6.1 Control Eficiente En el campo de los accionamientos eléctricos destinados a las aplicaciones de velocidad variable se entiende por un método de control eficiente, aquel método de control cuyo objetivo sea mejorar la eficiencia del sistema a través de la adecuación del nivel de magnetización de la máquina con el nivel de carga, disminuyendo así las pérdidas y asumiendo una respuesta dinámica algo más lenta. Es decir, se reduce el flujo magnético para cargas bajas. Sin embargo, una excesiva disminución del flujo magnético puede causar un aumento en las pérdidas en el cobre. Por lo tanto, es necesario calcular ESTUDIO COMPARATIVO DE ESTRATEGIAS DE CONTROL POST-FALTA EN ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS MULTIFÁSICOS 2015 59 el nivel de flujo óptimo que minimiza las pérdidas totales, obteniéndose la máxima eficiencia a través de un balance entre las pérdidas en el cobre y en el hierro. Son varias las estrategias de control que permiten aumentar la eficiencia energética de dichos sistemas, como son el control de búsqueda, en inglés search control (SC) [38, 175-178], y el control por modelo de pérdidas, loss model control (LMC) [110, 179-181]. Es en situación post-falta donde, sin embargo, estas estrategias de control eficiente pueden resultar especialmente interesantes pues, en general y debido al fallo, es necesario reducir la potencia de operación del sistema para asegurar su integridad. 2.6.1.1 Control de búsqueda (SC) Las técnicas basadas en el SC miden online la potencia de entrada e iterativamente cambian el grado de magnetización de la máquina hasta que se detecta la mínima potencia de entrada. Los métodos de control que se basan en esta estrategia de peeturbar y observar no son sensibles a los parámetros de la máquina, lo que resulta ser su principal ventaja. Sin embargo, estos métodos suelen presentar una lenta convergencia y un par pulsante hasta que se obtiene el valor óptimo de magnetización. Algunos autores han desarrollado algoritmos basados en lógica borrosa, fuzzy logic en inglés, para tratar de mejorar el problema de convergencia, estimando los valores óptimos de los cambios en la potencia de entrada y del flujo magnético [176-178]. Por otro lado y para mejorar la eficiencia del sistema, existen varias estrategias que tratan de eliminar el rizado en el par cuando se implementa un método de control de búsqueda. En [182] se emplea un método de compensación feedforward para reducir el rizado, mientras que en [183] se ajusta el valor del flujo rotórico de acuerdo a un algoritmo de minimización de la potencia basado en un método de búsqueda de Fibonacci. El único intento de validar un método de control eficiente para un sistema multifásico se presenta en [38], donde se optimiza la eficiencia de una máquina de inducción de seis fases regulada con un control directo de par adaptativo en funcionamiento normal y sin tener en cuenta la posible aparición de algún tipo de fallo. 2.6.1.2 Control por modelo de pérdidas (LMC) Por su parte, el LMC calcula offline el nivel óptimo de flujo a partir de un modelo teórico del sistema. Este método de control presenta una mayor velocidad de convergencia y un menor rizado en el par si se compara con el SC. No obstante, para su ESTUDIO COMPARATIVO DE ESTRATEGIAS DE CONTROL POST-FALTA EN ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS MULTIFÁSICOS 2015 60 implementación es necesario conocer los parámetros de la máquina, pues son partes del modelo. Es decir, se trata de un método sensible a los parámetros de la máquina. La bondad de los métodos basados en el control por modelo de pérdidas depende de la precisión del modelado del motor y de las pérdidas, existiendo una situación de compromiso entre la precisión del modelo y su complejidad. El flujo óptimo puede ser obtenido analíticamente a partir del modelo si éste es sencillo [110]. Sin embargo esto no es posible cuando la complejidad aumenta y es necesario utilizar algún método que facilite su resolución [179-181]. En [184] se utiliza el modelo del motor de inducción en el sistema de referencia 𝑑𝑞 para determinar el flujo óptimo. El sistema de referencia se refiere a la corriente de magnetización del rotor, por lo que no existe inductancia de fuga del rotor en el modelo. Se trata de un modelo generalizado aplicable a motores síncronos de imanes permanentes, máquinas de reluctancia síncronas, máquinas de inducción y máquinas de continua es presentado para la minimización de las pérdidas mismas. Por otro lado, en [181], se utiliza un modelo dinámico obtenido mediante descomposición en espacios vectoriales (VSD) para aplicar un control de minimización de pérdidas a un motor de inducción trifásico. En este caso el modelo tiene en cuenta las pérdidas por histéresis, las pérdidas por corriente de Foucault y la saturación magnética para mejorar la precisión del cálculo del flujo magnético óptimo. Tal y como se expuso anteriormente, la minimización de las pérdidas totales se consigue mediante un equilibrio entre las pérdidas del hierro y del cobre, hecho que se valida en [185] donde un modelo para la minimización de pérdidas es implementado con tal fin. 2.7 CONCLUSIONES Tal y como se ha expuesto en este capítulo los accionamientos eléctricos multifásicos pueden representar una alternativa real a los accionamientos convencionales en ciertas aplicaciones industriales. Sin embargo, el estado de madurez de este tipo de accionamientos en lo que se refiere a la explotación de sus ventajas aún no se ha alcanzado. Especial interés debe recibir en este aspecto el desarrollo de la tolerancia al fallo de los accionamientos multifásicos (Sección 2.4), que a pesar de ser una de las ventajas que más avalan el uso de los accionamientos multifásicos frente a los convencionales de tipo trifásico, aún se encuentra poco estudiada si se compara con otros aspectos (Secciones 2.1 y 2.3). Quizás esto se deba a que el funcionamiento post- ESTUDIO COMPARATIVO DE ESTRATEGIAS DE CONTROL POST-FALTA EN ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS MULTIFÁSICOS 2015 61 falta de un sistema multifásico se encuentra influenciado por un gran número de factores como son: la topología, el tipo de máquina o la falta en cuestión, así como los criterios de actuación implementados en cada caso. Esta Tesis trata de avanzar en el estudio e implementación de diferentes topologías y estrategias de control post-falta que permitan mejorar la tolerancia al fallo de un accionamiento eléctrico multifásico en aplicaciones de velocidad variable. Las aportaciones que se presentan en el siguiente capítulo avanzan, por tanto, en el estado del arte del funcionamiento post-falta de los accionamientos eléctricos multifásicos planteando en concreto diferentes topologías y estrategias de control post-falta para una máquina de inducción de seis fases. 62 REFERENCIAS [1] E. E. Ward and H. Härer, “Preliminary investigation of an inverter-fed 5-phase induction motor,” Proc. Inst. Electr. Eng., vol. 116, no. 6, pp. 980–984, 1969. [2] E. Levi, “Multiphase electric machines for variable-speed applications,” IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 55, no. 5, pp. 1893-1909, 2008. [3] E. Levi, R. Bojoi, F. Profumo, H. Toliyat, and S. 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Moreover, it is possible to obtain additional torque and power if some degree of imbalance in the current sharing between the sets of three-phase windings is allowed. This current sharing can be regulated controlling x-y stator currents, which increases by 50% α-β stator current and results in additional torque and power (about 225%) in the electrical drive for a given slip and frequency. ESTUDIO COMPARATIVO DE ESTRATEGIAS DE CONTROL POST-FALTA EN ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS MULTIFÁSICOS 2015 129  The post-fault operation of multiphase drives, whose maximum efficiency is usually close to their nominal values, forces the system to operate below rated values to safeguard its integrity. Adapting the magnetizing degree in such derated scenarios using the input torque, improves the efficiency at the expense of lower dynamic responses. The use of efficient controllers improves the generated torque and power and reduces imbalance degrees in the current sharing when the fault appears if parallel-connected converters are used to feed the multiphase machine.  The fault-tolerant capability of six-phase machines supplied by parallel converters with a common dc-link is also analyzed. The obtained results show that optimal unbalanced currents considerably improve the torque and power capability of the drive, compared with other modes of operation with balanced stator currents. Multiphase machines can be configured with a single neutral or with several isolated ones. Single neutral connection results in higher post-fault torque and power, at the expense of more complex control schemes comparing with using several isolated neutrals. Optimal current references can be obtained if proper control strategies are adopted in the secondary plane (x-y stator currents). Although some post-fault preserve the pre-fault PI control, the majority of cases require the use of resonant controllers in order to track nonconstant references. 4.2 SUMMARY OF RESEARCH RESULTS A summary of accepted journal papers and conference works, Spanish patents under current study, accepted book chapters and research projects in relation with this Doctoral Thesis are detailed in Table 1. It is important to highlight that some of these works are not a main contribution in this research, but a secondary consequence of it. PhD achievements Number Journal Paper 5 + 1 submitted Conference Works 7 Patents 1 Book Chapters 1 Participation in R&D Projects 2 Table 4.1. Summary of achievements during the Doctoral Thesis.