El objetivo principal de la tesis es la aplicación del método de control directo del par para un motor de inducción utilizando inversores de diferentes estructuras que parecen ofrecer algunas ventajas, bajo ciertas condiciones, y que aún no han sido utilizados para el desarrollo de esta técnica de control.La idea y el tema de la tesis surgieron de la gran importancia del método control directo del par (DTC), que últimamente se planteó como estrategia alternativa del control vectorial debido a ciertas ventajas frente a este último. Por este motivo, y animados por el éxito logrado por el DTC, se quiere contribuir a un aumento del mismo utilizando varias topologías de inversores que amplíen o extiendan el área de aplicación de los accionamientos basados en el mismo en un rango que vaya desde bajas potencias hasta las potencias medianas. Aunque los objetivos principales de aplicar el DTC son obtener un accionamiento de comportamiento dinámico alto y buen funcionamiento durante el régimen estático, no obstante los requisitos de funcionamiento en el rango de las bajas potencias no son los mismos que aquellos de potencias medianas. En el rango de las bajas potencias, el coste total del conjunto del accionamiento (inversor - motor - circuitos de control) es un factor muy importante. Especialmente con las normas europeas que obligan a los fabricantes de inversores a mejorar la utilización de la red por ejemplo, limitando la tasa de distorsión armónica, y mejorando el factor de potencia, con lo cual se sustituyen el rectificador pasivo (diodos) por un rectificador activo (transistores), lo que aumenta el coste del accionamiento. Evidentemente, cualquier ahorro en el coste del inversor y los sensores permitirá la aplicación del DTC en gran escala. Por tanto, se ha elegido un inversor de cuatro interruptores (B4) que permite disminuir el coste del inversor y su circuito de control. Reduciendo también el número de sensores utilizados en el sistema. Esta técnica es nueva para este tipo de inversor, ya que el DTC nunca se había realizado basado en este esquema de inversor. Los estudios realizados en esta tesis mediante la simulación y sus validaciones experimentales han probado el buen comportamiento dinámico y estático del accionamiento.De otro parte, en el rango de potencia mediana (10 kW-100 kW) la aplicación del DTC esta limitada por la frecuencia de conmutación. La exigencia de una frecuencia de conmutación elevada hace aumentar las pérdidas de conmutación a través los interruptores del inversor. Los problemas generados por la conmutación rígida impiden subir la frecuencia de conmutación por encima de unos pocos cientos de hertz. Por ello, si el algoritmo del DTC se aplica teniendo en cuenta la limitación de la frecuencia de conmutación a estos pequeños valores, su comportamiento será bastante malo generando una distorsión en las formas de las ondas del par y del flujo, lo que a su vez se refleja en la velocidad y en las corrientes del motor. Para evitar estos problemas sería más conveniente utilizar un inversor resonante, pero también éste tiene algunos inconvenientes. En la tesis, se propone utilizar un inversor de tipo cuasi-resonante que tiene las ventajas de inversor resonante y las ventajas del inversor de conmutación dura. En tal caso, se conmutan los interruptores bajo la condición de cero tensión (ZVS) bajando al mínimo las pérdidas de conmutación lo que finalmente permite aumentar la frecuencia de conmutación hasta valores elevados del orden de 10 kHz. Además, la utilización de este tipo de inversor ofrece algunas ventajas como:- Limitar la dv/dt de la tensión que alimenta el motor, por tanto las corrientes de fugas parásitas se disminuyen, reduciendo la degradación o el envejecimiento de los aislantes de los devanados y de los cojinetes de la máquina, prolongando su vida útil.- Bajar el nivel de las interferencias electromagnéticas.- Reducir el tamaño de los radiadores de calor necesarios.Se ha diseñado y construido un inversor cuasi-resonante con los correspondientes circuitos de control para aplicar el DTC a los accionamientos de baja potencia. Además, se han desarrollado dos circuitos de resonancia. Los resultados obtenidos por simulación y los ensayos experimentales han probado el buen comportamiento de estos circuitos. En cuanto a la escritura de la tesis, esta estructurada en los ocho capítulos siguientes:Capítulo 1: Presenta el estado del arte relacionado al tema de la tesis.Capítulo 2: Estudio introductorio en el que se presenta el control directo del par mostrando sus respectivas, ventajas e inconvenientes. Capítulo 3: Se hace un repaso de las estrategias de control utilizadas en el caso de un inversor de cuatro interruptores, empezando con las estrategias básicas hasta llegar a la estrategia del DTC propuesta en esta tesis. Además, se muestran los resultados de las simulaciones con las diferentes estrategias de control.Capítulo 4: Se explica el funcionamiento del inversor cuasi-resonante, mediante un ejemplo de circuito de resonancia. Además se plantea otro circuito que se ha modificado para mejorar la respuesta y el funcionamiento del inversor. También, se presenta el sistema del DTC basado en este tipo de inversor. Capítulo 5: Se estudia el efecto del cambio de la resistencia del estator sobre el comportamiento del DTC. Además, se presentan algunos métodos para estimar el valor actual de la resistencia del estator durante el arranque y también durante el funcionamiento en régimen permanente.Capítulo 6: Se muestran los resultados experimentales obtenidos del desarrollo de los sistemas propuestos bajo varias condiciones de funcionamiento.Capítulo 7: Se presentan y discuten las conclusiones, y se proponen trabajos a realizar en el futuro.Capítulo 8: Incluye la bibliografía.

Gràcies als avenços de l'electrònica de potència, la microelectrònica i la teoria de control s'ha generalitzat l'ús dels controls vectorials del motor d'inducció en aplicacions industrials. Les prestacions d'aquests controls són funció directa del grau de certesa en el coneixement, en tot moment, de la posició del flux a l'interior de la màquina. En conseqüència, és molt important , no solament el coneixement de la velocitat del rotor, sinó el de la posició d'aquest. En moltes de les aplicacions industrials el desig principal és eliminar el sensor de velocitat però en cap cas es desitja disminuir les prestacions dinàmiques del sistema d'accionament del motor. L'interès d'aquests accionaments sense sensor "Sensorless" és doble, cal que el sistema pugui controlar el més ampli rang possible de velocitats i, a més, tenir una ràpida resposta.De l'estudi dels diferents sistemes d'estimació s'extreu que els sistemes amb major resolució són més complexos i més difícils d'implementar i, per tant, industrialment menys viables. Els sistemes complexos necessiten un coneixement exacte dels paràmetres del motor i són molt influenciables per les seves variacions, per això necessiten rutines d'estimació de paràmetres. Finalment, els sistemes més simples són fàcils d'implementar però tenen una pitjor resposta dinàmica Els objectius plantejats en aquesta tesi són:1) Desenvolupar i validar un estimador de velocitat per a una regulació Sensorless.2) Tancar el llaç de velocitat amb un control vectorial.3) Implementar el sistema tenint en compte la seva viabilitat pràctica.En aquesta tesi es proposa implementar un sistema de control de la velocitat d'un motor d'inducció sense sensor de velocitat (Sistema sensorless) de baix cost. Per estimar la velocitat es proposa la idea de millorar la resposta dinàmica d'un estimador de velocitat en règim permanent. Per a l'estimació de velocitat, s'implementen dos estimadors de velocitat treballant en paral·lel: l'estimador en règim permanent i l'estimador en règim transitori. Per tal d'obtenir el bo i millor d'ambdós estimadors, es realitza un promig intel·ligent de les dues velocitats estimades mitjançant un sistema basat en lògica "fuzzy". Aquest sistema "fuzzy" intel·ligent, és capaç d'obtenir la relació òptima de promitjat entre les dues estimacions en funció del punt de treball del motor; punt de treball que ve determinat per la velocitat del motor i el nivell o grau de règim permanent. Per tancar el llaç de control de la velocitat amb la velocitat estimada es proposa la utilització d'un sistema de control de parell FAM i un regulador PI.L'estimador en règim transitori ofereix una velocitat estimada que difícilment és pot fer servir degut al soroll que conté, si no es realitza un procés de filtrat. Aquest soroll és conseqüència dels derivadors, de la divisió que incorpora l'algoritme d'estimació i del soroll provinent del corrent del motor. S'ha dissenyat un filtre adaptatiu (fuzzy), que en funció del punt de treball del motor, varia la seva freqüència de tall òptima. Així, s'estableix un equilibri entre el retard degut a un filtrat fort i l'excés d'arrissada que implica un filtrat massa suau. Les variables que proporcionen la informació del punt de treball per seleccionar la freqüència de tall són la pròpia velocitat estimada i la derivada d'un corrent proporcional al parell (obtingut amb l'algoritme de l'estimador en règim permanent); és a dir el nivell de règim permanent. El sistema fuzzy en conjunt s'ha dissenyat el més simple possible en pro de la viabilitat de la seva futura implementació.Per estalviar la mesura directa de la tensió del motor s'ha dissenyat un model de l'inversor a implementar.L'accionament del motor d'inducció implementat tanca el llaç de velocitat mitjançant un control vectorial emprant la velocitat estimada de l'estimador proposat en aquesta tesi. / Due to the improvements on power electronics, microelectronics and control theory, vector control of the induction motors has gained importance and its usage has grown in industrial applications. Vector controls are good induction motor drives because of its motor torque accuracy and its excellent dynamic performance. However, it is well known that this good performance depends on the knowledge of the position of the motor flux. Consequently, it is really important to know not only the rotor speed but also its exact position. Therefore, it is difficult to have a good performance with a vector control without measuring the position of the rotor, which is usually measured by encoders, etc. The usage of encoders increases the price of the drive.The main aim in many industrial applications is to avoid implementing a speed sensor in the motor because either this sensor can't be implemented in the system or a low cost system is desired. Nevertheless, the system must keep all its properties of dynamic behaviour and good performance. So the development of a sensorless induction motor drive is nowadays a wide field of research. The interest of sensorless systems is double; the system must be able to control the widest range of speed and must have a fast dynamic response. There are several classifications about sensorless systems but the most generic one is the classification that shows the difference between low cost and high cost systems. The first ones have a low cost but a low performance, whilst the second ones have a high performance but the drive has a high cost.In this thesis a low cost sensorless induction motor drive is presented. A sensorless speed estimator has been developed, the speed loop has been closed by means of a vector control and the implementation has taken in consideration its further viability. To obtain the estimated speed two estimators work at the same time. A fuzzy system filters the response of one of them in order to get a better response. The same fuzzy system makes an intelligent weighed average between the responses of both estimators to get the final estimated speed. The final response is better than the separately responses of both estimators. The value of the motor voltage is needed to estimate the speed, so a model of the inverter is presented to avoid the use of any voltage measurement over the motor. Finally, the proposed system has been experimentally tested and the results validate all algorithms and the thesis proposals.

1.1 Objectius de la tesi.En els últims anys el control del parell i de la velocitat del motor d'inducció ha estat llargament estudiat. Un cop s'ha considerat que les prestacions dinàmiques assolibles eren ja suficientment satisfactòries, els diferents investigadors han reorientat els seus esforços cap a altres enfocs relacionats, ja no únicament amb el MI estrictament parlant, sinó amb tot el sistema que constitueix l'accionament amb si mateix.L'objectiu principal d'aquesta tesi és posar en evidència, l'existència d'unes idealitzacions i limitacions dels controls tradicionals de parell i velocitat del motor d'inducció (bàsicament del Control Vectorial i del DTC), així com a proposar mètodes i algorismes alternatius que superin a les mateixes.1.2 Estructura i contingutEl Capítol 1 conté una introducció al treball.El segon capítol Modelització del motor d'inducció, presenta les principals tècniques i equacions, que porten a descriure d'una forma dinàmica al MI.El tercer capítol, Control de parell i velocitat del MI, es descriuen els Control Vectorial i el Control Directe de Parell (DTC), ja que són els més estudiats en la literatura.El quart capítol, Estudi dels bucles de corrent, tracta més en profunditat una de les limitacions que presenta el Control Vectorial, l'estudi de les interaccions que hi ha entre els dos llaços de regulació de les intensitats de l'estator (la seva component directa i en quadratura).En el cinquè capítol, OSVPWM (Optimized Space Vector PWM), es presenta un estudi detallat dels diferents mètodes d'ondulació (DC/AC) que existeixen. D'entre tots aquests, s'estudia amb molt més deteniment el Space Vector PWM (SVPWM), aportant un nou algorisme d'implementació del mateix (optimitzat per DSP's), així com posant en evidència la negativa influència dels temps morts sobre el mateix.El sisè capítol presenta l'ODTC (Optimized Direct Torque Control), com a resum de tots els capítols anteriors.1.3 Aportacions d'aquesta tesi.En la modelització matemàtica del Motor d'Inducció, s'ha arribat a la formulació d'una equació genèrica, que engloba totes les possibles referències, i totes les definicions d'intensitats magnetitzants.En l'estudi del DTC s'ha presentat una nova taula de commutació, que permet disminuir l'excessiu arrissat de parell que presenta la taula de commutació tradicional.En l'estudi del SVPWM s'ha presentat una nova formulació molt més apta per a la seva implementació en DSP (Digital Signal Processor). Igualment, s'ha posat en evidència la important influència dels temps morts dels interruptors, en la THD (Tasa de Distorsió Harmònica) de l'ona de tensió de sortida de l'ondulador proposant un algorisme de compensació (OSVPWM).S'ha proposat un nou algorisme de control del parell del MI, incorporant les prestacions del DTC en règim transitori (ràpida resposta del parell), i les prestacions del Control Vectorial en règim permanent (petit arrissat de parell), amb la incorporació de l'OSVPWM com a estratègia de modulació.Finalment destacar, l'aportació d'un equip experimental basat en DSP, de disseny molt versàtil i robust, i que incorpora tota una sèrie d'eines de desenvolupament que el fan molt útil per a l'experimentació de noves lleis de control, referides principalment al motor d'inducció, però que també s'ha demostrat eficient alhora de treballar amb altres plantes com és el cas dels SAI's (Sistemes d'Alimentació Ininterrompuda).1.4 Futures línies de recerca.Seguir treballant en l'estudi del OSVPM, però en el cas de la sobremodulació, és a dir, quan la tensió de consigna superi o surti fora dels rangs d'aplicabilitat del mateix.Amb l'obtenció de l'equació que ens permet estimar l'arrissat màxim de parell, associat al conjunt motor-ondulador, estudiar el disseny de controladors per histèresi de banda d'histèresi variable (funció de l'estat de l'accionament).Finalment destacar, que amb el constant augment de la potència de càlcul dels DSP, les possibilitats de noves lleis de control del MI ("fuzzy logic" i "passivity control") són cada dia més possibles, i per tant s'han convertit en una línia de treball molt interessant.