Los accionamientos multifásicos, compuestos por una máquina eléctrica de más de tres
fases alimentada por un convertidor de potencia, han atraído recientemente un importante
interés en la comunidad investigadora debido a las ventajas que presentan frente a las
máquinas trifásicas convencionales. Este es el caso de la mejor distribución de potencia
por fase, la menor producción de armónicos en el convertidor de potencia y, la más
importante, la tolerancia a fallos, lo cual significa que la máquina multifásica puede seguir
funcionando cuando una o varias fases se pierden, siempre que el número restante de fases
sea igual o mayor que tres. Debido a esta alta fiabilidad, los accionamientos multifásicos
son especialmente adecuados para aplicaciones relacionadas con los vehículos eléctricos
(terrestres, marítimos y aéreos) y las energías renovables por razones de seguridad y/o
económicas.
El uso de controladores avanzados y de alto rendimiento en accionamientos multifásicos
es particularmente relevante, ya que las estrategias de control convencionalmente aplicadas
a los accionamientos trifásicos no terminan de alcanzar un estándar en su extensión al caso
multifásico. La razón es la mayor complejidad y número de variables a controlar. En este
contexto, los controladores predictivos han encontrado un interesante nicho de aplicación
en convertidores de potencia y accionamientos multifásicos debido a su formulación
intuitiva y flexible: un modelo del sistema es usado para calcular las predicciones de las
variables controladas, que luego se comparan con las referencias impuestas dentro de
una función de coste. Esta estrategia permite incorporar varios objetivos de control y
restricciones en el proceso de control a través de la función de coste. Sin embargo, es
bien sabido que este tipo de controlador sufre de un alto coste computacional y contenido
armónico de corriente que limita su aplicación en los accionamientos multifásicos.
La investigación desarrollada en esta Tesis se centra en la mitigación de las limitaciones
citadas siguiendo dos objetivos principales:
• La incorporación de observadores de corrientes rotóricas en el controlador predictivo
para mejorar así la precisión del modelo predictivo y, consecuentemente,
el rendimiento del sistema de control, principalmente en términos de contenido
armónico y pérdidas por conmutación en el convertidor de potencia. Un observador de Luenberger es construido para este propósito utilizando una estrategia innovadora
de posicionamiento de polos en su diseño.
• La introducción de un grado de libertad adicional en el controlador predictivo
basado en tiempos de muestreo variables e implementado usando el concepto de
lead pursuit. El resultado es un controlador novedoso que conduce a una resolución
en los tiempos de conmutación más fina en comparación con las técnicas predictivas
más convencionales, lo que proporciona una reducción importante en el contenido
armónico.
Las estrategias de control propuestas son validadas mediante simulación y experimentación
utilizando un accionamiento compuesto por una máquina de inducción de cinco
fases como caso de ejemplo. Los resultados y conclusiones derivadas de esta investigación
han sido presentados en cinco trabajos principales publicados en revistas internacionales
de alto impacto, los cuales constituyen las contribuciones de esta Tesis por compendio de
artículos. Sin embargo, otros trabajos relacionados con la línea de investigación han sido
también publicados en artículos de revista y conferencia y en un capítulo de libro.Multiphase drives, constituted by an electric machine with more than three phases
fed by a power converter, have recently attracted an important interest in the research
community due to the advantages that they present over the conventional three-phase ones.
This is the case of the better power distribution per phase, the lower harmonic production
in the power converter, and the most important one, the fault-tolerant capability, which
means that the multiphase machine can still be operated when one or several phases are
missing, provided that the number of remaining phases is equal or greater than three. Due
to this high reliability, multiphase drives are specially well suited for applications related
to electric vehicles (terrestrial, maritime and aerial) and renewable energies for safety
and/or economical reasons.
The use of advanced and high-performance controllers in multiphase drives is particularly
relevant, since the control strategies conventionally applied to three-phase drives do
not reach a standard in their extension to the multiphase case. The reason is the greater
complexity and number of variables that must be controlled. In this context, predictive
controllers have found an interesting niche of application in power converters and multiphase
drives due to their intuitive and flexible formulation: a model of the system is
used to compute predictions of the controlled variables, which are later compared with the
imposed references in a cost function. This strategy permits incorporating several control
objectives and constraints in the control process through the cost function. However, it is
well known that this type of controller suffers from a high computational cost and current
harmonic content that limit its application in multiphase drives.
The research developed in this Thesis work is focused on the mitigation of the cited
limitations following two main goals:
• The incorporation of rotor current observers in the predictive controller in order to
improve the accuracy of the predictive model and, consequently, the control system
performance, principally in terms of harmonic content and commutation losses in
the power converter. A Luenberger observer is constructed for that purpose using
an innovative pole-placement strategy in its design.
• The introduction of an additional degree of freedom in the predictive controller
based on variable sampling times and implemented using the lead-pursuit concept. The result is a novel controller that leads to a finer resolution in the commuting
times in comparison with more conventional predictive techniques, which provides
an important reduction in the harmonic content.
The proposed control strategies are validated by simulation and experimentation using a
five-phase induction machine drive as case example. The results and conclusions derived
from this research have been presented in five main works published in high-impact
international journals, which constitute the contributions of this article compendium Thesis.
Nevertheless, other related works have also been published in journal and conference papers
and a book chapter
