Estimación de par en máquinas síncronas de imanes permanentes / torque estimation in permanent magnet synchronous machines

Resumen

El uso de máquinas síncronas de imanes permanentes ha aumentado notablemente en aplicaciones industriales y de tracción eléctrica durante las últimas décadas, debido a su mejor comportamiento sobre otros tipos de motores eléctricos en aspectos clave como son la densidad de potencia, densidad de par, respuesta dinámica, rango de velocidad, simplicidad del control y eficiencia. Estas propiedades han hecho que su uso se haya extendido a prácticamente todo tipo de aplicaciones, en un rango de potencia que abarca desde unos pocos vatios hasta los MW. Sin embargo, el alto y a menudo fluctuante precio de los materiales usados en la fabricación de sus imanes, junto con el riesgo de desmagnetización debido a corrientes y/o temperaturas de funcionamiento excesivas, son algunos de los grandes inconvenientes a tener en cuenta en este tipo de máquinas. Como consecuencia, las máquinas de reluctancia síncrona han ganado popularidad en los últimos años como una alternativa viable a las máquinas síncronas de imanes permanentes. Un punto clave en el diseño de estas máquinas es la ausencia de imanes en su rotor. Dicha ausencia supone una reducción en el coste de la máquina y un aumento en la robustez constructiva, a lo que hay que añadir una alta tolerancia a sobrecorrientes y/o sobrecalentamiento. Las ventajas que presentan las máquinas síncronas de imanes permanentes y de reluctancia las hacen especialmente atractivas en aplicaciones que requieren alta eficiencia y alta relación potencia-peso. Como consecuencia de su uso cada vez más habitual en este tipo de aplicaciones, los requisitos de de funcionamiento son cada vez más exigentes. Es por tanto especialmente relevante desarrollar nuevas técnicas de monitorización que se puedan implementar en este tipo de máquinas y que puedan llegar a integrarse con la propia estrategia de control de la máquina. Muchas aplicaciones requieren un control preciso del par de salida producido por la máquina. Por lo tanto, el desarrollo de técnicas de medida y/o de estimación de par ha sido un área de incesante actividad investigadora. Los sistemas de medida de par son caros, requieren espacio adicional, añaden peso, pueden ser una fuente de resonancia mecánica y, además, su comportamiento se ve comprometido en ambientes electromagnéticamente hostiles. Por todo esto, no es habitual la medida directa del par de salida en máquinas comerciales estándar, siendo una alternativa a la misma el uso de métodos de estimación. Los métodos de estimación de par propuesto hasta la fecha se pueden clasificar en dos categorías: métodos basados en la ecuación de par y métodos basados en técnicas indirectas de estimación. Ejemplos de estos últimos son los métodos basados en la estimación de parámetros por mínimos cuadrados recursivos o los basados en observadores. Sin embargo, todos estos métodos requieren conocimiento previo de ciertos parámetros de la máquina, como las inductancias o el enlace de flujo magnético del imán, cuyos valores pueden variar durante el funcionamiento normal de la máquina debido a variaciones de temperatura o saturación magnética. Esta tesis aborda la posibilidad de obtener una estimación precisa de los parámetros de la máquina involucrados en la ecuación de par a través de la inyección de una señal de alta frecuencia. Por lo tanto, se enmarca dentro del primer grupo de técnicas anteriormente mencionadas. A lo largo de su desarrollo se estudiarán los principios físicos, la implementación y la precisión de estimación de par en función de la señal de alta frecuencia utilizada tanto en máquinas síncronas de imanes permanentes como de reluctancia. La variación de los parámetros de la máquina con sus condiciones de funcionamiento es uno de los mayores inconvenientes a la hora de obtener una correcta estimación del par. Enmarcado en este punto se ha estudiado la exactitud de la estimación ante la variación del nivel de saturación magnética, tanto en máquinas síncronas reluctantes como de imanes permanentes. Así mismo, se ha estudiado el comportamiento de los parámetros eléctricos frente a variaciones de temperatura de los imanes en las máquinas síncronas de imanes permanentes y cómo dicha variación influenciará la exactitud de la técnica propuesta.