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El objetivo de esta Tesis Doctoral es abordar el estudio de las estrategias de control vectorial indirecto de máquinas de inducción trifásicas, analizando la aplicación de la lógica borrosa en todas las facetas que plantea esta estrategia de control de máquinas de inducción.
El núcleo de la Tesis se organiza en cinco capítulos:
- En el Capítulo 1 se introduce brevemente al lector en los diferentes campos que se tratarán a lo largo de la Tesis. Se indican las ventajas que ofrece el uso de la máquina de inducción frente a la de continua y los motivos por los que se ha terminado por imponer. Se describe el estándar de control de máquinas eléctricas conocido como control vectorial, destacándose la idea sobre la que subyace esta estructura de control de máquinas asíncronas. Así mismo, se introduce al lector sobre la utilidad del empleo de los sistemas borrosos, sobre todo en el control de sistemas no-lineales.
- La lógica borrosa se ha empleado en la práctica y con demostrado éxito principalmente en el control de sistemas no-lineales, como es el caso de las máquinas de inducción. En el Capítulo 2, se presenta una panorámica del estado actual de la lógica borrosa aplicada al control de máquinas eléctricas. En particular, se hace incapié en sus aplicaciones en el ámbito del control de corriente, de velocidad y en las estructuras de control directo de par.
- El Capítulo 3 está íntegramente dedicado a las aportaciones presentadas en esta Tesis relacionadas con el empleo de la estructura borrosa como sistema de control. Se analiza su aplicación:
1. Como regulador asociado al bucle interno de control de corriente, comparando los resultados obtenidos al emplear sencillos controladores todo-nada con otros más complejos de tipo PWM y estructuras de control lineales y borrosas. Se presenta una nueva aplicación de la lógica borrosa al control de corriente en ejes dinámicos, empleando el método de modulación por anchura de pulso y generación del fasor de tensión de referencia.
2. Como regulador asociado al bucle externo de control de velocidad, introduciéndose nuevas estrategias de control basadas en controladores borrosos y deslizantes combinados, en función de la situación en el plano de fase del error y derivada del error, por un supervisor basado a su vez en lógica borrosa. Se presenta además, una nueva aplicación de la lógica borrosa destinada al ajuste del controlador del sistema, demostrándose su viabilidad tanto en estructuras borrosas de control como en estructuras de control lineales. Finalmente, la estabilidad del sistema controlado mediante controladores borrosos, es analizada mediante las novedosas técnicas del criterio de conicidad, [30].
- Partiendo del hecho de que una estructura definida a partir de la lógica borrosa es capaz de aproximar cualquier función real [105], [106] y [107] con un grado de incertidumbre predefinido, teoría de aproximadores universales, aparece una nueva aplicación en la que cabe el uso de sistemas basados en lógica borrosa relacionada con el aprendizaje total o parcial del comportamiento del sistema máquina de inducción. Este razonamiento es empleado como punto de partida para el análisis y el desarrollo de estimadores basados en lógica borrosa de variables de estado del sistema físico. En el Capítulo 4 se propone el uso de la lógica borrosa como aproximador universal, equivalente al uso dado generalmente a los perceptores en redes neuronales, para la identificación de las variables de estado o de los parámetros que se usan en el control vectorial, así como coprocesadores matemáticos que ayuden en la realización de las operaciones de control vectorial. Se analizan diferentes estimadores del flujo en el rótor (en magnitud y ángulo) y del par eléctrico generado por la máquina. Se diseña un sistema novedoso basado en lógica borrosa de cinco entradas, las componentes en los ejes d y q (teoría de fasores) de la corriente estatórica leída con sensores de efecto hall y el flujo en el estátor estimado, más la temperatura, y una salida, el par eléctrico generadopor la máquina. Se propone además el empleo de la estructura borrosa definida anteriormente o el medidor de par basado en galgas extensométricas, en la estimación de la constante de tiempo del rótor, el principal parámetro que debe ser conocido cuando se emplea una estrategia de control vectorial indirecto, si se desea garantizar el perfecto desacoplo entre las variables de control y el comportamiento correcto del control en el transitorio. Se analiza también el uso de la lógica borrosa como coprocesador vectorial, para la realización digital y analógica de las operaciones relacionadas con el cambio de coordenadas asociado al control vectorial.
- Finalmente en el Capítulo 5, se presentan las conclusiones y las futuras líneas de investigación que, a decir del autor, pueden derivarse de este trabajo.
Para centrar el tema en estudio, se desarrollan los cinco apéndices de que consta el documento:
- En el Apéndice A se describen las dos bancadas de ensayo de máquinas asíncronas trifásicas, utilziadas por el doctorando para la obtención de los resultados experimentales presentados. Se describe un software de simulación de máquinas eléctricas en entorno Xwindows, denominado XSMI y desarrollado al comienzo de la Tesis para poder analizar el comportamiento del sistema ante diferentes estrategias de control, previa implementación en la planta de las mismas. Cabe destacar, que los resultados de simulación presentados a lo largo de todo el documento se han obtenido a partir del programa XSMI y que los resultados experimentales se han obtenido indistintamente sobre dos bancadas de ensayo de máquinas eléctricas, una de 1/4CV y otra de 11 - 13.2 Kw, ambas diseñadas y puestas en marcha por el Grupo de Tecnología Electrónica.
- En el Apéndice B se desarrolla el modelo matemático de la máquina de inducción, introduciendo la teoría de fasores espaciales. Se describen las diferentes estrategias de control vectorial para posteriormente, describir las hipótesis sobre las que se basa el control vectorial indirecto aplicado a las máquinas de inducción. La descripción del modelo matemático del sistema físico requiere, además de ciertas simplificaciones, de la definición de los parámetros electro-mecánicos (coeficientes que se suponen invariantes con el tiempo y las condiciones de trabajo). Recientemente, se han propuesto una serie de ensayos, efectuados fuera de línea, con vista a la determinación de los parámetros del sistema de forma automática y con mayor exactitud. Este tipo de ensayos, denominados standstill en terminología anglicana por efectuarse con la máquina en paro, se basan en la simplificación del circuito electromagnético equivalente al sistema físico real y en el aprendizaje de los parámetros del modelo del sistema por técnicas iterativas (mínimos cuadrados recursivos). Se describen y desarrollan este tipo de ensayos para la bancada de 11 � 13.2Kw, comparándose los resultados que se obtienen de estos ensayos con los datos suministrados por el fabricante.
- En el Apéndice C se analizan las diferentes estrategias de control del bucle interno de corriente en máquinas eléctricas. Se describen los diferentes métodos de control, así como las ventajas e inconvenientes que se asocia a cada uno de ellos.
- En el Apéndice D se describen los sistemas de control de estructura variable y su aplicación en la regulación del bucle externo de control de velocidad en las máquinas eléctricas. Se particulariza el estudio para el control en modo deslizante que se aplica a la máquina en el Capítulo 3.
- Finalmente, en el Apéndice E se describe brevemente la estructura y la matemática asociada a los sistemas basados en lógica borrosa. |
