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Dynamical analysis of three–phase systems controlled by ZAD-FPIC Techniques

Toro García, Nicolás (2012) Dynamical analysis of three–phase systems controlled by ZAD-FPIC Techniques. Doctorado thesis, Universidad Nacional de Colombia - Sede Manizales.

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Resumen

El presente trabajo se enfoca en dos aspectos fundamentales en los cuales se han realizado diferentes aportes. El primero de ellos consiste en el modelado de los motores de inducción lineal (LIM), en el cual se han incluido los efectos de borde en su representación en el espacio de estados. Este fenómeno es altamente no lineal y resultados numéricos preliminares muestran oscilaciones no deseadas. Debido a la limitación del recorrido del LIM utilizado en este trabajo (1.5 metros), posteriormente, el comportamiento del sistema es analizado únicamente a nivel numérico. Otro aspecto importante desarrollado en la tesis está relacionado con la aplicación de la técnica de control ZAD-FPIC a sistemas de alto orden. Hasta ahora la técnica anteriormente propuesta sólo había sido desarrollada, probada y validada en sistemas de segundo orden. En este trabajo se ha generalizado la técnica ZAD-FPIC, aplicándose a un sistema que consiste en un convertidor conmutado para el manejo de diferentes cargas trifásicas, lo cual que constituye un sistema de orden superior. Las cargas utilizadas en esta investigación son cargas resistivas y cargas inductivas analizadas en el documento, como son el motor de inducción de desplazamiento lineal-LIM y el motor de inducción rotativo-RIM. Los motores de inducción de desplazamiento lineal se utilizan en sistemas de transporte masivo y en aplicaciones especiales en la industria e ingeniería aeroespacial, y los motores de inducción rotativos son utilizados ampliamente a nivel industrial. ZAD-FPIC es una estrategia de control conmutado que presenta la ventaja de imponer una frecuencia de conmutación fija. Para el análisis del LIM se usó el modelo obtenido en la primera parte de la tesis; por el contrario, puesto que el modelado del RIM es ampliamente cubierto en la literatura, el control se diseñó usando el clásico circuito equivalente por fase. En la respuesta de estos sistemas se presentan comportamientos dinámicos complejos debido a su naturaleza no lineal. Así pues, como parte de los resultados obtenidos de la fase de modelamiento y control, en este trabajo también se muestra, a nivel experimental y con solución numérica, la posible presencia de fenómenos complejos que surgen cuando se alimentan cargas trifásicas con un convertidor conmutado trifásico controlado con la técnica ZAD-FPIC. En el documento se presentan los resultados experimentales que evidencian la coexistencia de atractores de órbitas periódicas y caóticas como resultado de las dinámicas no lineales en cada sistema estudiado. La estabilidad del sistema en lazo cerrado fue analizada usando diagramas de bifurcaciones y se mostró en forma numérica la importancia de los retardos en la estrategia ZAD-FPIC. Se observó que en un amplio rango de trabajo la aplicación de la técnica ZAD-FPIC fue exitosa. El desarrollo experimental consta de: un inversor conmutado trifásico que usa un módulo de IGBTs integrado, una tarjeta de control para prototipado rápido (RCP) basado en la plataforma dSPACE, algoritmos de control realizados en MATLAB/SIMULINK y las cargas trifásicas. Para cada una de las cargas se realizó una descripción del sistema propuesto (arquitectura), se diseñaron las estrategias de control y se presentaron los resultados numéricos y experimentales. Para el caso de los motores de inducción se llevó a cabo la identificación de parámetros, con el objetivo de realizar las simulaciones correspondientes. Para cada sistema en estudio se obtuvieron modelos continuos y discretos (mapas iterativos) del sistema convertidor-carga y se diseñaron las estrategias de control para el cálculo del ciclo útil del DPWM (Digital Pulse Width Modulation). Debido a que en la práctica no es posible disponer de medidas para las corrientes del rotor en el RIM, se diseñó un observador al cual se le analizó su convergencia con el método de Lyapunov y se comprobó su efecto en el desempeño del controlador. En el documento se muestran diagramas de bifurcaciones en forma numérica y experimental usando Ks, N y frecuencia del voltaje de referencia como parámetros de bifurcación, Abstract : This paper focuses on two key aspects which have made different contributions. The first consists in the modeling of the linear induction motor (LIM), which are included the end effects in the state space representation. This phenomenon is highly nonlinear and preliminary numerical results show undesired oscillations. Due to the limitation of travel of the LIM used in this work (1.5 meters), then the system behavior is analyzed only at the numerical level. Another important aspect in the thesis is related to the implementation of the control ZAD-FPIC technique to higher order systems. So far the technique previously proposed only had been developed, tested and validated on systems of second order. This paper has generalized the ZAD-FPIC technique, applied to a system consisting of a switched converter for handling different Three–phase loads, which constitutes a higher order system. The loads used in this research are resistive and inductive loads analyzed in the document, such as the induction motor of linear movement -LIM and rotary induction motor -RIM. The linear displacement induction motors are used in mass transit systems and special applications in industry and aerospace engineering, and rotary induction motors are widely used in industry. ZAD-FPIC is a switched control strategy which has the advantage of imposing a fixed switching frequency. For the LIM analysis, the model obtained in the first part of the thesis was used. On the contrary, because the modeling of the RIM is widely covered in the literature, its control was designed using the classical equivalent circuit per phase. The response of these systems has complex dynamic behavior due to their nonlinear nature. Thus, as part of the results obtained from the stage of modeling and control, this paper also shows, on an experimental and numerical solution, the presence of complex phenomena that arise when feeding three-phase loads with a controlled three-phase switched converter with ZAD-FPIC technique. The paper presents experimental results that show the coexistence of attractors of periodic orbits and chaotic as a result of nonlinear dynamics in each system studied. The stability of the closed loop system was analyzed using bifurcation diagrams and numerically showed the importance of delays in the ZAD-FPIC strategy. It was noted that a wide range of work the application of the ZAD-FPIC technique was successful. The experimental development comprises: a switched Three–phase inverter using IGBTs integrated module, a control board for rapid control prototyping (RCP) based on the dSPACE platform, control algorithms performed in MATLAB / SIMULINK and three phase loads. For each of the loads there was a description of the proposed system (architecture), were designed control strategies and presented the numerical and experimental results. For the case of induction motors is carried out to identify parameters in order to perform the corresponding simulations. For each system under study were obtained continuous and discrete models (iterative maps) for converter-load system and control strategies were designed to calculate the duty cycle of the DPWM (Digital Pulse Width Modulation). Because in practice it is not possible to have measures for the rotor currents in the RIM, we designed an observer which is analyzed for convergence with the Lyapunov method and tested its effect on driver performance. The document show diagrams of bifurcations numerically and experimentally using Ks, N and frequency of the reference voltage as bifurcation parameters

Tipo de documento:Tesis/trabajos de grado - Thesis (Doctorado)
Colaborador / Asesor:Angulo García, Fabiola and Sánchez Camperos, Edgar Nelson
Información adicional:A Thesis Presented for the Degree of Ph. D. Engineering Industrial Automation. -- Research Areas: Power Electronics and Control.
Palabras clave:Control ZAD–FPIC; convertidor trifásico; diagramas de bifurcación; control de caos; DPWM; LIM; RIM; regulación de voltaje; comportamiento complejo, Control ZAD–FPIC; three–phase converter; bifurcation diagrams; chaos control; DPWM; LIM; RIM; voltage regulation; complex behaviour
Temática:6 Tecnología (ciencias aplicadas) / Technology > 62 Ingeniería y operaciones afines / Engineering
Unidad administrativa:Sede Manizales > Facultad de Ingeniería y Arquitectura > Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Computación
Código ID:9103
Enviado por : Biblioteca Digital Universidad Nacional de Colombia - Sede Manizales
Enviado el día :01 Febrero 2013 02:07
Ultima modificación:28 Septiembre 2017 20:11
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