Design and Analysis of Fractional-Slot Concentrated-Winding Multiphase Fault-Tolerant Permanent Magnet Synchronous Machines.

En las ultimas decadas, las maquinas de imanes permanentes vienen experimentado un uso creciente debido a las numerosas ventajas que ofrecen respecto a otros tipos de maquinas electricas. Sin embargo, la imposibilidad de anular el campo de excitacion en estas maquinas ha limitado su uso en aplicaciones de seguridad critica. Esta tesis comienza analizando las diferentes tecnicas propuestas en la bibliografia para dotar de tolerancia a fallos a los accionamientos basados en maquinas de imanes. Tras revisar los diferentes enfoques, se establece una comparativa entre los mismos en terminos de coste, complejidad y desempeno tras el fallo. De entre las estrategias consideradas, el metodo de dividir el accionamiento en multiples fases independientes surge como uno de los enfoques mas prometedores. Ello requiere que el accionamiento sea disenado para lograr la maxima separacion magnetica, electrica, termica y fisica entre las distintas fases. Un requerimiento adicional para lograr la tolerancia a fallos es que la auto-inductancia por fase sea elevada para limitar las corrientes de fallo en caso de cortocircuito. Estos requerimientos se cumplen de forma natural al emplear devanados concentrados fraccionarios. Adicionalmente, los sistemas multifasicos han demostrado dar lugar a una serie de ventajas respecto de los sistemas trifasicos tradicionales; especialmente en lo que se refiere a la tolerancia a fallos y a las prestaciones que se pueden obtener tras un fallo electrico. Por todo lo anterior, esta tesis se centra en el diseno y analisis de maquinas sincronas de imanes permanentes tolerantes a fallos multifasicas con devanados concentrados fraccionarios. Tras el estudio inicial, se revisan los principios que permiten escoger las topologias de devanado mas adecuadas para el diseno de maquinas tolerantes a fallos con devanados concentrados fraccionarios. Los metodos tradicionalmente propuestos estan restringidos a maquinas con un numero impar de fases o a configuraciones especificas de devanado. Con el fin de cubrir esta carencia, se desarrolla un metodo analitico que permite evaluar los meritos de las diferentes configuraciones de devanado posibles independientemente de la geometria de la maquina y escoger asi la topologia mas adecuada para aplicaciones tolerantes a fallos. A continuacion, se desarrolla una metodologia de diseno de maquinas de imanes tolerantes a fallos. Basandose en la misma, se disena y fabrica un prototipo de maquina sincrona pentafasica. El proceso completo de diseno, incluyendo el analisis de las especificaciones y las restricciones impuestas, es descrito con amplio detalle. Una serie de ensayos experimentales confirman la tolerancia a fallos intrinseca del prototipo desarrollado y la idoneidad de la metodologia de diseno desarrollada. Adicionalmente, se desarrolla un modelo analitico que permite analizar el comportamiento del accionamiento disenado ante diferentes fallos y evaluar diferentes estrategias correctivas tras los mismos. Especificamente, se investigan los modos de fallo consistentes en fallos de circuito abierto en devanados, fallos de cortocircuito entre terminales y fallos en los dispositivos semiconductores del inversor. Para los citados modos de fallo, se proponen estrategias de control modificadas que permiten mitigar las consecuencias negativas de los mismos. Particularmente, se deriva una metodologia general para calcular las corrientes de referencia mas adecuadas para fallos de cortocircuito y/o circuito abierto. El metodo, orientado a minimizar las perdidas en el cobre mientras se mantiene el harmonico principal de la fuerza magnetomotriz en el entrehierro, es general y valido para cualquier numero de fases y diferentes topologias de convertidor. Una serie de ensayos experimentales demuestran la idoneidad de las estrategias de control post-fallo propuestas, que permiten reducir las consecuencias negativas de los fallos y operar el accionamiento en condiciones para las cuales el sistema previamente se volvia inestable.