Control y monitorización de máquinas síncronas de imanes permanentes enterrados de flujo variable

Resum

El interés en vehículos eléctricos (EVs) y vehículos híbridos (HEVs) ha aumentado sustancialmente durante las últimas dos décadas debido a la introducción de nuevas regulaciones motivadas por el cambio climático. Los EVs y HEVs fueron usados en los inicios del siglo 20, pero fueron derrotados por los vehículos de motor de combustión interna (ICEVs) que eran más baratos, más ligeros y de recarga más rápida. Hoy en día, la tecnología actual ha permitido a los EVs y HEVs competir justamente con los ICEVs. Sin embargo, el precio de los EVs sigue siendo alto, su rango relativamente corto, comparado con los ICEVs, y son más lentos de recargar. Durante los últimos años, los EVs han conseguido rangos de funcionamiento mayores gracias a una mayor densidad de energía de sus baterías y sistemas de tracción más eficientes. El uso de máquinas síncronas de imanes permanentes (PMSMs) ha aumentado la eficiencia a costa de usar imanes permanentes (PMs) basados en tierras-raras como el neodimio, y consecuentemente aumentar su coste. Las PMSMs son muy eficientes a bajas velocidades, sin embargo, a altas velocidades necesitan la inyección continua de corriente de debilitamiento de flujo para contrarrestar el enlace de flujo de los PMs e igualar la fuerza contraelectromotriz (Back-EMF) con la tensión de bus DC disponible. Este modo de operación está caracterizado por unas pérdidas en el cobre y núcleo inherentes a causa de la aplicación continua de una corriente negativa en el eje-d y los armónicos extra producidos en el flujo del entrehierro. Las máquinas de flujo variable (VF-PMSMs) y las máquinas de flujo de dispersión variable (VLF-PMSMs) son diseñadas para reducir o incluso eliminar la inyección de corriente de debilitamiento de flujo y sus efectos adversos. Las VF-PMSMs son capaces de cambiar el estado de magnetización de sus PMs durante su funcionamiento, pero este proceso necesita de la inyección de corrientes de muy alta magnitud y el control preciso del estado de magnetización sigue bajo investigación. Por otro lado, las VLF-PMSMs son capaces de reducir la inyección de corrientes de debilitamiento de flujo usando un diseño de rotor especial, manteniendo el estado de magnetización de los PMs constante y evitando las desventajas del proceso de magnetización y desmagnetización. La introducción de este tipo de máquinas en la industria reducirá las pérdidas de potencia a altas velocidades, aumentando la eficiencia y el rango de funcionamiento de los EVs y HEVs. Pero antes de que estas máquinas puedan ser introducidas en el mercado, métodos de estimación de la temperatura de los PMs y el par producido deben de ser desarrolladas para aumentar la fiabilidad del sistema de tracción. Los métodos disponibles no pueden ser extrapolados fácilmente a este tipo de máquinas debido a la variación del enlace de flujo de sus PMs, obteniéndose errores de estimación demasiado altos. En esta tesis se muestra un método para la estimación de temperatura de los PMs basada en el enlace de flujo de los PMs y un método de estimación de par basado en la combinación de inyección de señales de baja y alta frecuencia para VLF-PMSMs. Estas técnicas han sido profundamente analizadas en una VLF-PMSM real bajo diferentes condiciones de operación.