Extension of Finite-Control Set Model-Based Predictive Control Techniques to Fault-Tolerant Multiphase Drives: Analysis and Contributions

Abstract

Las máquinas eléctricas son una de las principales tecnologías que hacen posible las energías renovables y los vehículos eléctricos. La necesidad constante de incrementar la capacidad de potencia para generar más energía o para impulsar vehículos cada vez más grandes, ha motivado la investigación y el desarrollo en el área de las máquinas multifásicas las cuales, gracias a su número de fases, permiten no sólo manejar más potencia con menos pulsaciones de par y contenido armónico en la corriente que las máquinas trifásicas convencionales, sino que también permiten obtener una mayor tolerancia a fallos, aumentando el interés de su implementación en aplicaciones donde la fiabilidad juega un papel importante por razones económicas y de seguridad. La investigación más reciente en el área de sistemas multifásicos se centra en el desarrollo de técnicas que permitan explotar las características específicas y especiales de las máquinas multifásicas, viendo el incremento en el número de fases no como un aumento en la complejidad de implementación, sino como un mayor número de grados de libertad tanto en el diseño como en el control, permitiendo mejorar sus prestaciones y fiabilidad, haciéndolas más atractivas para su uso en aplicaciones industriales. Es así como se han desarrollado técnicas de control que permitan operar a alta velocidad o alto par, tolerancia a diferentes tipos de fallos y máquinas con diferentes conexionados de devanados o con sistemas formados por múltiples variadores y máquinas. El objetivo de esta tesis doctoral es la extensión del control predictivo para máquinas multifásicas (específicamente el control predictivo de estados finitos basado en modelo o FCS-MPC por sus siglas en inglés) a la operación tolerante a fallos, aprovechando la capacidad de tolerancia a fallos que las máquinas multifásicas poseen, asegurando su funcionamiento de una manera eficiente y controlada. Con este fin se estudió el modelo matemático de la máquina en condiciones de pre- y post- falta considerando diferentes tipos de faltas, permitiendo establecer el efecto que las condiciones de fallo tienen en el comportamiento del sistema. Se desarrollaron modelos de simulación de una máquina de inducción de cinco fases, considerando faltas de fase abierta y en el disparo de los IGBT’s de una fase, permitiendo el diseño y validación del controlador FCS-MPC tolerante a fallos, cuyos resultados obtenidos fueron presentados en diversos congresos internacionales. La posterior implementación y validación experimental del control tolerante a fallos propuesto dio lugar a la publicación de dos de los artículos científicos presentados en esta tesis. Del mismo modo, se desarrolló un control tolerante a fallos basado en controladores lineales (de tipo resonante), teniendo en cuenta los esquemas propuestos en publicaciones científicas recientes y se realizó una comparativa entre el control tolerante a fallos basado en FCS-MPC y el controlador resonante ante un fallo de fase abierta, mediante resultados de simulación y experimentales, dando lugar a la publicación en un congreso internacional y en un artículo de revista científica. Las contribuciones de esta tesis doctoral se han publicado en la revista científica IEEE Transactions on Industrial Electronics entre los años 2013/2015.