El sector transporte es el segundo mayor productor gases de efecto invernadero con un 25 % del total de las emisiones. En particular, el transporte terrestre es el responsable del 77 % de estas emisiones. Según la literatura científica más reciente, la introducción masiva de vehículos eléctricos es, entre otros aspectos, necesaria para mitigar eficazmente el calentamiento global. Por ello, la industria automovilística y diversos organismos gubernamentales nacionales e internacionales están invirtiendo muchos recursos en el desarrollo de las tecnologías necesarias para alcanzar este objetivo. Por ejemplo, entre 2014 y 2020, la Unión Europea ha invertido 3.070 millones de euros en proyectos de investigación destinados a la electrificación del transporte terrestre. Gracias a estos esfuerzos, se están desarrollando nuevos sistemas de propulsión para vehículos eléctricos.

Las máquinas multifásicas son una tecnología prometedora para ser incluida en estos novedosos sistemas de propulsión. Ofrecen varias ventajas en comparación con las máquinas trifásicas convencionales, como son una mayor densidad de potencia/par, tolerancia a fallos, menor rizado del par y mayor eficiencia. Entre todas las arquitecturas multifásicas disponibles, los accionamientos trifásicos-duales basados en máquina síncrona de imanes permanentes (PMSM, por sus iniciales en inglés) son los preferidos para aplicaciones de vehículo eléctrico, ya que la transición tecnológica desde los sistemas trifásicos es relativamente sencilla y su densidad de potencia es muy elevada. Por ejemplo, el uso de dos inversores trifásicos convencionales es una solución directa para alimentar una máquina de seis fases. También desde el punto de vista de sistemas de control, muchas técnicas de control son adaptables de una forma directa a máquinas trifásicas-duales.

Alineado con los exigentes requisitos que tiene la electrificación del transporte para el futuro próximo, el proyecto financiado por la Unión Europea FITGEN propone una novedosa solución de tracción para la próxima generación de vehículos eléctricos. Este sistema de propulsión incorpora un inversor SiC de seis fases que alimenta una novedosa PMSM trifásica-dual de imanes interiores (IPMSM, por sus iniciales en inglés) y alta velocidad, que se caracteriza por su alta densidad de potencia. También se incluye un convertidor de potencia CC/CC entre el módulo de baterías y el inversor. La inclusión de este convertidor habilita la capacidad embebida de carga rápida en CC a alta tensión. Para evitar la utilización de interruptores de potencia más costosos y menos eficientes debido a su mayor valor de tensión de bloqueo, en dicho proyecto se adopta una configuración en cascada para el bus CC en el inversor de seis fases.

Esta tesis se desarrolla en el marco del proyecto de investigación FITGEN. El objetivo de la tesis es diseñar, desarrollar y validar nuevas soluciones de control para el accionamiento trifásico-dual con configuración en cascada desarrollado dentro de dicho proyecto. Este controlador debe proporcionar una regulación precisa del par para una topología trifásica-dual altamente acoplada. Además, el sistema de control debe funcionar a altas velocidades (hasta 22.500 rpm) y con una frecuencia de conmutación de hasta 24 kHz. También debe conseguirse un correcto funcionamiento en todo el rango de velocidad teniendo en cuenta la alta saturación magnética. Por último, la incorporación de un algoritmo de equilibrado activo de tensión es obligatoria, debido a la naturaleza inestable de la configuración en cascada del bus CC.

Teniendo en cuenta todo lo anterior, se lleva a cabo un exhaustivo análisis y comprensión de las expresiones matemáticas que representan el comportamiento físico de las máquinas multifásicas de n-fases conectadas en estrella. Este estudio generalizado facilita el desarrollo de modelos precisos de accionamientos eléctricos basados en arquitecturas multifásicas. En particular, se presenta el modelado de máquinas multifásicas en sus variables naturales por fase. Estos modelos demuestran ser complejos y altamente acoplados, pero facilitan la emulación de la operación postfalta en máquinas multifase. A continuación, este modelo en variables naturales se simplifica mediante la aplicación de transformaciones vectoriales apropiadas. Estas transformaciones se obtienen mediante la multiplicación de dos matrices. La primera de estas matrices es la llamada matriz de desacople, la cual descompone los vectores n-dimensionales (variables por fase) de acuerdo a sus componentes armónicas. La segunda matriz es la llamada matriz de rotación, pues proyecta las componentes armónicas a subespacios que giran a la misma frecuencia de la respectiva componente armónica. Estos modelos vectoriales están desacoplados y sus variables (ficticias) en lugar de ser señales alternas son continuas. La mayor simplicidad de estos modelos los convierte en la mejor alternativa para el diseño de los sistemas de control. Una vez descritos los modelos gen éricos, se proporcionan algunos resultados de simulación particulares con fines ilustrativos.

Estas metodologías de modelado generalizadas se particularizan para accionamientos eléctricos basados en IPMSM trifásicos-duales y simétricos para aplicaciones de automoción. Para este tipo de accionamientos se presentan tres enfoques de modelado. El primero representa el accionamiento en sus variables naturales por fase, mientras que los otros dos utilizan transformaciones vectoriales para representar la máquina de una forma más simple. El modelo vectorial multifase se obtiene al aplicar una transformación vectorial de seis fases que tiene en cuenta los acoplamientos electromagnéticos entre los conjuntos trifásicos de bobinados. Este método de modelado descompone la máquina de 6 fases en cuatro subespacios. En el primero se proyectan las componentes fundamentales, en el segundo el quinto y séptimo armónico y en el tercer y cuarto subespacio las componentes de secuencia cero o homopolares. Por otro lado, el modelo doble trifásico es una representación vectorial que se obtiene al aplicar transformaciones vectoriales trifásicas convencionales (transformadas de Clarke y Park) a cada conjunto trifásico del accionamiento. Este método de modelado descompone la máquina de 6 fases en cuatro subespacios. En el primero se proyectan las variables relacionadas con el primer conjunto trifásico, en el segundo subespacio las variables de segundo conjunto trifásico y en el tercer y cuarto subespacio las componentes de secuencia cero o homopolares. Por lo tanto, en el modelo doble trifásico, las magnitudes trifásicas son explicitas. Estos modelos son fundamentales, en primer lugar, para ayudar al diseño de las novedosas soluciones de control propuestas en esta tesis y, luego, para realizar validaciones preliminares de simulación.

Tras completar el análisis acerca del modelado de la máquina, tres soluciones específicas de control vectorial de par para IPMSMs trifásicos-duales y simétricos son presentadas. En primer lugar, el controlador doble trifásico permite el seguimiento independiente de las corrientes de consigna por cada conjunto trifásico. La segunda solución es el controlador multifásico. Este permite una regulación precisa del par, ya que tiene en cuenta los efectos del acoplamiento electromagnético entre los dos conjuntos trifásicos de la máquina. El último, denominado control híbrido de par, es una aportación novedosa de esta tesis. Este controlador aprovecha una novedosa transformación matricial y combina las otras dos soluciones de control vectorial para potenciar sus ventajas y evitar sus inconvenientes. Este controlador novedoso incorpora los componentes necesarios para hacer frente a las condiciones de funcionamiento particulares de un accionamiento para automoción. Por ejemplo, incluye un generador de consignas de corriente basado en un bloque de normalización de la velocidad, un lazo de seguimiento a las restricciones de tensión del estator (VCT, por sus iniciales en inglés) y tablas de consulta (traducción del término inglés “look-up table”, abreviado como LUT) de dos dimensiones. El objetivo de este componente es proporcionar las referencias de corriente necesarias para una regulación precisa del par en todo el rango de velocidad, teniendo en cuenta, al mismo tiempo, la alta saturación magnética de la máquina, los efectos de acoplamiento cruzado y la operación en debilitamiento de campo. También se incluyen los lazos de regulación de corriente del estator basados en controladores proporcionales-integrales (PI) que regulan independientemente las corrientes de estator de cada conjunto trifásico. Además, se incluyen los algoritmos de modulación PWM, basados en portadora y con inyección de voltajes de secuencia cero para un mejor aprovechamiento del bus CC, adaptados al escenario trifásico-dual.

También se presenta un modelo matemático de alta precisión del bus CC con configuración en cascada para un accionamiento trifásico-dual. En particular, este modelo representa el comportamiento de las tensiones de entrada de cada inversor trifásico ante cambios en las corrientes de estator de la máquina. El análisis de esta representación matemática muestra una relación no lineal entre las corrientes de estator y las tensiones CC. Con la ayuda de esta representación matemática y el análisis realizado, se desarrolla un novedoso algoritmo de equilibrado activo de tensión. Este algoritmo varía las referencias de corriente en el eje q de cada conjunto trifásico para realizar el equilibrado de tensión, evitando modificar las corrientes relacionadas con el flujo (eje d). Adicionalmente, el algoritmo ajusta su comportamiento considerando si la maquina opera en modo motor o modo generador. Todo esto permite el funcionamiento del conjunto convertidor-maquina en el rango completo de par y velocidad.

Posteriormente, el algoritmo de balanceo se incorpora a los controladores híbrido y doble trifásico de par y ambos controladores son evaluados mediante simulación. Los resultados de simulación muestran que la solución híbrida realiza una regulación más precisa de par que el controlador doble trifásico y con una mejor regulación de las tensiones de estator durante operación en debilitamiento de campo. Así, los resultados de simulación muestran que es más conveniente utilizar el esquema híbrido de regulación de par propuesto en esta tesis que el enfoque convencional doble trifásico. En consecuencia, se descarta el enfoque doble trifásico, y la validación experimental se centra en el enfoque híbrido de regulación del par. También se demuestra que la incorporación del algoritmo de equilibrado es obligatoria para los accionamientos con una configuración en cascada del bus CC, ya que su desactivación provoca inestabilidades que ponen en peligro la integridad del sistema de propulsión.

A continuación, se valida experimentalmente la solución propuesta de control híbrido de par con capacidad de equilibrado de tensión. Inicialmente, el controlador propuesto se implementa en una plataforma digital de prototipado rápido de control en tiempo real dSPACE MicroAutoBox II. Posteriormente, el sistema de control se valida, en TRL-6, sobre un banco de ensayos de laboratorio, incorporando un prototipo a escala real del accionamiento eléctrico con una potencia máxima de 135 kW, desarrollado en el contexto del proyecto FITGEN. Estas pruebas iniciales muestran un alto rizado de corriente de alta frecuencia causado por la presencia de bobinados solapados en el estator de la máquina. Para mitigar este problema se implementa un esquema de modulación PWM entrelazado. Este esquema consiste en utilizar señales portadoras desfasadas 180 grados para cada conjunto trifásico. Tras esta modificación, el controlador se prueba exhaustivamente en laboratorio bajo diversos perfiles de funcionamiento, incluyendo cuatro ciclos de conducción. Estos perfiles permiten comprobar el correcto funcionamiento del controlador, tanto en estado estacionario como en régimen transitorio. También se evalúa la respuesta del accionamiento ante condiciones de conducción en vehículo mediante la emulación de los ciclos de conducción estandarizados WLTP y US06, además de dos ciclos de conducción que emulan dos trayectorias urbanas en la ciudad de Turín.

Finalmente, el accionamiento eléctrico se integra en un vehículo eléctrico real, y el nuevo controlador se valida a nivel TRL-7. Es decir, el accionamiento es validado en un entorno hostil real en cuanto a condiciones de conducción, vibraciones, altas temperaturas e interferencias electromagnéticas (EMI, por sus iniciales en inglés). Para esto, se realizan tanto pruebas de dinamómetro como en carretera. En estas pruebas el accionamiento eléctrico y su sistema de control es testeado en condiciones de conducción intraurbana, suburbana y extraurbana, con velocidades de hasta 120 km/h. Gracias a ello, se evalúa la aplicabilidad industrial de los accionamientos IPMSM trifásicos duales con configuración de bus CC en cascada, y las soluciones de control propuestas quedan plenamente validadas para su utilización en aplicaciones reales de automoción.