Estudio y realización del control directo del par (DTC) para accionamientos de motores de inducción con inversores de diferentes topologias
Authors:   , Moustafa Azab Mohamed Ahmed 
Published: July 2023

El objetivo principal de la tesis es la aplicación del método de control directo del par para un motor de inducción utilizando inversores de diferentes estructuras que parecen ofrecer algunas ventajas, bajo ciertas condiciones, y que aún no han sido utilizados para el desarrollo de esta técnica de control.<br/><br/>La idea y el tema de la tesis surgieron de la gran importancia del método control directo del par (DTC), que últimamente se planteó como estrategia alternativa del control vectorial debido a ciertas ventajas frente a este último. Por este motivo, y animados por el éxito logrado por el DTC, se quiere contribuir a un aumento del mismo utilizando varias topologías de inversores que amplíen o extiendan el área de aplicación de los accionamientos basados en el mismo en un rango que vaya desde bajas potencias hasta las potencias medianas. <br/><br/>Aunque los objetivos principales de aplicar el DTC son obtener un accionamiento de comportamiento dinámico alto y buen funcionamiento durante el régimen estático, no obstante los requisitos de funcionamiento en el rango de las bajas potencias no son los mismos que aquellos de potencias medianas. En el rango de las bajas potencias, el coste total del conjunto del accionamiento (inversor - motor - circuitos de control) es un factor muy importante. Especialmente con las normas europeas que obligan a los fabricantes de inversores a mejorar la utilización de la red por ejemplo, limitando la tasa de distorsión armónica, y mejorando el factor de potencia, con lo cual se sustituyen el rectificador pasivo (diodos) por un rectificador activo (transistores), lo que aumenta el coste del accionamiento. Evidentemente, cualquier ahorro en el coste del inversor y los sensores permitirá la aplicación del DTC en gran escala. Por tanto, se ha elegido un inversor de cuatro interruptores (B4) que permite disminuir el coste del inversor y su circuito de control. Reduciendo también el número de sensores utilizados en el sistema. Esta técnica es nueva para este tipo de inversor, ya que el DTC nunca se había realizado basado en este esquema de inversor. Los estudios realizados en esta tesis mediante la simulación y sus validaciones experimentales han probado el buen comportamiento dinámico y estático del accionamiento.<br/><br/>De otro parte, en el rango de potencia mediana (10 kW-100 kW) la aplicación del DTC esta limitada por la frecuencia de conmutación. La exigencia de una frecuencia de conmutación elevada hace aumentar las pérdidas de conmutación a través los interruptores del inversor. Los problemas generados por la conmutación rígida impiden subir la frecuencia de conmutación por encima de unos pocos cientos de hertz. Por ello, si el algoritmo del DTC se aplica teniendo en cuenta la limitación de la frecuencia de conmutación a estos pequeños valores, su comportamiento será bastante malo generando una distorsión en las formas de las ondas del par y del flujo, lo que a su vez se refleja en la velocidad y en las corrientes del motor. Para evitar estos problemas sería más conveniente utilizar un inversor resonante, pero también éste tiene algunos inconvenientes. <br/><br/>En la tesis, se propone utilizar un inversor de tipo cuasi-resonante que tiene las ventajas de inversor resonante y las ventajas del inversor de conmutación dura. En tal caso, se conmutan los interruptores bajo la condición de cero tensión (ZVS) bajando al mínimo las pérdidas de conmutación lo que finalmente permite aumentar la frecuencia de conmutación hasta valores elevados del orden de 10 kHz. Además, la utilización de este tipo de inversor ofrece algunas ventajas como:<br/><br/>- Limitar la dv/dt de la tensión que alimenta el motor, por tanto las corrientes de fugas parásitas se disminuyen, reduciendo la degradación o el envejecimiento de los aislantes de los devanados y de los cojinetes de la máquina, prolongando su vida útil.<br/>- Bajar el nivel de las interferencias electromagnéticas.<br/>- Reducir el tamaño de los radiadores de calor necesarios.<br/><br/>Se ha diseñado y construido un inversor cuasi-resonante con los correspondientes circuitos de control para aplicar el DTC a los accionamientos de baja potencia. Además, se han desarrollado dos circuitos de resonancia. Los resultados obtenidos por simulación y los ensayos experimentales han probado el buen comportamiento de estos circuitos. <br/><br/>En cuanto a la escritura de la tesis, esta estructurada en los ocho capítulos siguientes:<br/><br/>Capítulo 1: <br/>Presenta el estado del arte relacionado al tema de la tesis.<br/><br/>Capítulo 2: <br/>Estudio introductorio en el que se presenta el control directo del par mostrando sus respectivas, ventajas e inconvenientes. <br/><br/>Capítulo 3: <br/>Se hace un repaso de las estrategias de control utilizadas en el caso de un inversor de cuatro interruptores, empezando con las estrategias básicas hasta llegar a la estrategia del DTC propuesta en esta tesis. Además, se muestran los resultados de las simulaciones con las diferentes estrategias de control.<br/><br/>Capítulo 4: <br/>Se explica el funcionamiento del inversor cuasi-resonante, mediante un ejemplo de circuito de resonancia. Además se plantea otro circuito que se ha modificado para mejorar la respuesta y el funcionamiento del inversor. También, se presenta el sistema del DTC basado en este tipo de inversor. <br/><br/>Capítulo 5: <br/>Se estudia el efecto del cambio de la resistencia del estator sobre el comportamiento del DTC. Además, se presentan algunos métodos para estimar el valor actual de la resistencia del estator durante el arranque y también durante el funcionamiento en régimen permanente.<br/><br/>Capítulo 6: <br/>Se muestran los resultados experimentales obtenidos del desarrollo de los sistemas propuestos bajo varias condiciones de funcionamiento.<br/><br/>Capítulo 7: <br/>Se presentan y discuten las conclusiones, y se proponen trabajos a realizar en el futuro.<br/><br/>Capítulo 8: <br/>Incluye la bibliografía.