Análise do desempenho do motor de indução trifásico quando alimentado através de um inversor de fonte de tensão com tolerância a falhas

Abstract

The aim of this thesis is to analyse the behaviour and the performance of a standard three-phase induction motor fed by a voltage source inverter with fault tolerant capabilities. The three-phase induction motor performance evaluation is based on some key parameters such as the electromagnetic torque oscillations, efficiency, power factor, both line current and induction motor supply voltage harmonic distortion, thermal behaviour, among others. The remedial operating strategies are based on some hardware reconfigurations together with several software control adaptations. The hardware reconfigurations are based on the connection of either the stator windings neutral point or the induction motor faulty phase to the inverter DC link middle point, trough a Triac. The software control strategies are based on some adaptations of the rotor filed oriented control or the direct torque control techniques. With this work it is also intended to find the best remedial operating strategy in order to be integrated in an adjustable speed drive with fault tolerant characteristics. The work is presented along six chapters. In Chapter 1, a state of the art review relative to fault tolerant adjustable speed drives is presented. In Chapter 2, a suitable three-phase induction motor mathematical model is established, valid for symmetrical and asymmetrical supply voltage, with a stator windings neutral point connection available. A review of some of the most popular three-phase induction motor control techniques is also presented in this chapter, with special emphasis on both rotor field oriented control and direct torque control. In order to validate the motor mathematical model, Chapter 3 starts by presenting some simulation results for the three-phase induction motor directly fed from the mains supply under normal and single-phasing operation. In Chapter 3 other simulation results are shown that are intended to demonstrate the three-phase induction motor behaviour under both rotor field oriented control and direct torque control strategies, when fed by a voltage source inverter under normal and faulty operating conditions. These results comprise time- and spectral-domain representations of motor line currents, line voltages and electromagnetic torque. In Chapter 4 the aforementioned remedial operating strategies are introduced and the three-phase induction motor performance is analysed on the basis of the previously mentioned key parameters. Chapter 5 presents the prototype design and implementation details, as well as some information about the measurement instrumentation system used in this work. Some experimental results regarding the three-phase induction motor behaviour under remedial operating control strategies are also illustrated. Chapter 6 presents the conclusions of this thesis, as well as recommendations for future research.

O trabalho realizado no âmbito desta tese enquadra-se na temática dos accionamentos AC com tolerância a falhas. Aplicado a motores de indução trifásicos, este tipo de accionamentos AC tem como objectivo manter a máquina em funcionamento, após o aparecimento de uma avaria no circuito inversor. Dado existirem em maior número em aplicações industriais, neste trabalho é analisada a implementação de tolerância a falhas em sistemas de accionamento clássicos, caracterizados por um motor de indução trifásico standard, alimentado através de um inversor de fonte de tensão trifásico, constituído por seis semicondutores controlados na ignição e no bloqueio e respectivos díodos de roda-livre. Nestes accionamentos, a fonte de tensão contínua do inversor é obtida através de um rectificador trifásico de díodos. Pretende-se com esta investigação analisar o comportamento e o desempenho do motor de indução trifásico, quando alimentado através de um sistema de tensões assimétricas, resultantes da implementação no accionamento de estratégias de controlo alternativas, na sequência de avarias do tipo circuito-aberto e curto-circuito nos semicondutores do inversor de fonte de tensão. Avarias no motor não são contempladas neste estudo. As estratégias de controlo alternativas, usadas no accionamento para implementação da tolerância a falhas, baseiam-se em reconfigurações de hardware e de software, através de adaptações introduzidas nas técnicas de controlo vectorial e de controlo directo do binário de motores de indução trifásicos. A apresentação deste trabalho desenvolve-se ao longo de seis capítulos. Para além do Capítulo 1 em que é feita uma introdução ao assunto abordado nesta tese, no Capítulo 2 é apresentado um modelo do motor de indução trifásico, válido para as situações com alimentação simétrica ou assimétrica, proveniente directamente da rede ou através de um inversor de fonte de tensão. Este modelo permite ainda efectuar a simulação da ligação ao ponto neutro dos enrolamentos do estator. O modelo é expresso num sistema de coordenadas correspondentes aos eixos da transformada de Park dqo. São também apresentadas neste capítulo algumas das técnicas de controlo mais utilizadas em motores de indução trifásicos, quando alimentados através de inversores de fonte de tensão em funcionamento normal, com particular ênfase no controlo vectorial e no controlo directo de binário. No Capítulo 3 são apresentados resultados correspondentes à simulação do funcionamento do motor, quando alimentado directamente a partir de um barramento trifásico de tensão sinusoidal ou através de um inversor de fonte de tensão. Quando alimentado através do inversor de fonte de tensão, o controlo do motor de indução é realizado mediante a utilização do controlo vectorial baseado na orientação do campo segundo o vector espacial do fluxo rotórico (RFOC) e do controlo directo de binário (DTC). Com estes resultados pretende-se avaliar o desempenho do motor em diferentes situações de funcionamento, tendo como base alguns parâmetros de análise, tais como, factores de distorção harmónica da tensão e da corrente, rendimento, factor de potência e comportamento térmico. No Capítulo 4 apresentam-se resultados de simulação relativos à análise do desempenho do motor de indução trifásico, quando alimentado através de um inversor de fonte de tensão com tolerância a falhas. Na simulação do sistema tolerante a falhas, são aplicadas ao accionamento do motor de indução trifásico duas estratégias de reconfiguração de hardware. Estas estratégias baseiam-se na ligação do ponto neutro dos enrolamentos do estator ao ponto médio do banco de condensadores do barramento DC do inversor de fonte de tensão (ligação SNPC) e na ligação da fase do inversor que possuiu o defeito, ao mesmo ponto do banco de condensadores (ligação SPC). Ainda no Capítulo 4, além das reconfigurações de hardware, são descritas as alterações necessárias à implementação de estratégias de controlo adaptadas nos sistemas tolerantes a falhas em análise, tendo como bases a orientação do fluxo rotórico e o controlo directo de binário. São também mencionados os pormenores necessários à realização de cada uma das estratégias de controlo em ambiente de programação Matlab/Simulink. O Capítulo 5 destina-se à descrição da concepção, implementação e controlo do protótipo utilizado na realização dos ensaios laboratoriais, bem como à apresentação dos diversos resultados experimentais. No Capítulo 6 são apresentadas as conclusões de todo este trabalho incluindo a referência a recomendações para trabalhos de investigação futuros, a realizar na área dos accionamentos com tolerância a falhas.