Sliding mode control of the stand alone wound rotor synchronous generator

Abstract

En esta Tesis ha sido analizado el control de la màquina sincrónica de rotor bobinado actuando en isla. Para esta configuración, la velocidad mecànica determina la frecuencia, y la tensión de rotor se utiliza para fijar la amplitud de la tensión de estator. Debido a que la constante de tiempo eléctrica es mucho más ràpida comparada con la constante de tiempo mecánica, la velocidad mecánica fue considerada constante y externamente regulada y la investigación se enfocó en la regulación de la amplitud de la tensión de estator.Cuatro diferentes controladores basados en técnicas de modos deslizantes fueron diseñados en el marco de referencia dq. Las leyes de control obtenidas regulan la amplitud de la tensión de estator independientemte del valor de la carga. Adicionalmente, sólo las medidas de tensión y posición del rotor (para calcular la transformada dq) son necesarias. La estabilidad de los puntos de equilibrio obtenidos fueron probados al menos utilizando anàlisis de pequeña señal.Se realizó la validación por simulación y experimental de cada controlador en diferentes escenarios. Los resultados obtenidos validan los diseños y muestran las principales ventajas y desventajas de el sistema en lazo cerrado.El capítulo 2 cubre los problemas de modelado de la màquina sincrónica de rotor bobinado. Partiendo de las ecuaciones trifásicas generales, y utilizando la transformada de Park, se encontraron el modelo en dq del generador sincrónico de rotor bobinado (WRSG) en isla, alimentando tanto carga resistiva como inductiva. Los puntos de equilibrio del sistema obtenido fueron analizados y calculados, luego se definió el objetivo de control. Finalmente, se obtuvieron modelos lineales aproximados y sus respectivas funciones de transferencia.Los controladores PI son los más usados en la industria porque ofrecen buen desempeño y son sencillos de implementar. En el capítulo 3, se obtuvieron las reglas de sintonización para el controlador PI, y se analizaron estos resultados con el objetivo de proponer nuevos controladores que mejoraran el desempeño de la clásica aproximación PI.El esquema de control en modos deslizantes para la WRSG conectada a una carga resistiva fue diseñado en el capítulo 4. Éste, también incluye un completo análisis de estabilidad del sistema en lazo cerrado. El capítulo 5 presenta dos diseños basados en modos deslizantes para regular la amplitud de la tensión de estator para el WRSG actuando en isla. Ambos diseños usan la componente d de la tensión de estator en la función de conmutación. El primer caso es un control anidado, donde un lazo externo PI es añadido para proveer la referencia de la componente d de la tensión. En la segunda aproximación un término integral es añadido a la superficie de conmutación.El caso de alimentar una carga inductiva es estudiado en el capítulo 6. El controlador requiere una extensión dinámica debido a que la amplitud de la tensión de estator es una salida de grado relativo cero. Como resultado, un controlador robusto, que no depende de los parámetros de la máquina ni de los valores de carga es obtenido. En el capítulo 7 los resultados de simulación y experimentales para los controladores diseñados para el WRSG actuando en isla son presentados. En primer lugar, una descripción completa del banco es presentada. Esta incluye detalles de la etapa de adquisición de datos y de la DSP utilizada. En segundo lugar, se hace la descripción del procedimiento de simulación. Luego, las simulaciones y experimentos, que contienen diferentes escenarios, con cambios de referencia y variaciones de carga para cada controlador son presentados.