Design and analysis of fractional-slot concentrated-winding multiphase fault-tolerant permanent magnet synchronous machines.

Resumen

En las últimas décadas, las máquinas de imanes permanentes vienen experimentado un uso creciente debido a las numerosas ventajas que ofrecen respecto a otros tipos de máquinas eléctricas. Sin embargo, la imposibilidad de anular el campo de excitación en estas máquinas ha limitado su uso en aplicaciones de seguridad crítica. Esta tesis comienza analizando las diferentes técnicas propuestas en la bibliografía para dotar de tolerancia a fallos a los accionamientos basados en máquinas de imanes. Tras revisar los diferentes enfoques, se establece una comparativa entre los mismos en términos de coste, complejidad y desempeño tras el fallo. De entre las estrategias consideradas, el método de dividir el accionamiento en múltiples fases independientes surge como uno de los enfoques más prometedores. Ello requiere que el accionamiento sea diseñado para lograr la máxima separación magnética, eléctrica, térmica y física 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 multifásicos han demostrado dar lugar a una serie de ventajas respecto de los sistemas trifásicos tradicionales; especialmente en lo que se refiere a la tolerancia a fallos y a las prestaciones que se pueden obtener tras un fallo eléctrico. Por todo lo anterior, esta tesis se centra en el diseño y análisis de máquinas síncronas de imanes permanentes tolerantes a fallos multifásicas con devanados concentrados fraccionarios. Tras el estudio inicial, se revisan los principios que permiten escoger las topologías de devanado más adecuadas para el diseño de maquinas tolerantes a fallos con devanados concentrados fraccionarios. Los métodos tradicionalmente propuestos están restringidos a máquinas con un número impar de fases o a configuraciones específicas de devanado. Con el fin de cubrir esta carencia, se desarrolla un método analítico que permite evaluar los méritos de las diferentes configuraciones de devanado posibles independientemente de la geometría de la máquina y escoger así la topología más adecuada para aplicaciones tolerantes a fallos. A continuación, se desarrolla una metodología de diseño de máquinas de imanes tolerantes a fallos. Basándose en la misma, se diseña y fabrica un prototipo de máquina síncrona pentafásica. El proceso completo de diseño, incluyendo el análisis de las especificaciones y las restricciones impuestas, es descrito con amplio detalle. Una serie de ensayos experimentales confirman la tolerancia a fallos intrínseca del prototipo desarrollado y la idoneidad de la metodología de diseño desarrollada. Adicionalmente, se desarrolla un modelo analítico que permite analizar el comportamiento del accionamiento diseñado ante diferentes fallos y evaluar diferentes estrategias correctivas tras los mismos. Específicamente, 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 metodología general para calcular las corrientes de referencia más adecuadas para fallos de cortocircuito y/o circuito abierto. El método, orientado a minimizar las pérdidas en el cobre mientras se mantiene el harmónico principal de la fuerza magnetomotriz en el entrehierro, es general y valido para cualquier número de fases y diferentes topologías 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 volvía inestable.